如何提高升力系数 高超声速飞机的一种“三高”双翼气动布局

近期一项研究提出一种全新的“I”型双升力面布局, 采用这种布局的飞行器可同时满足高升阻比、高升力系数和高容积率的“三高”需求, 该布局为未来高超声速飞机的设计开辟了一条新途径。

这篇名为“Hypersonic I-shapedaerodynamic configurations”的快报文章以封面形式发表于《中国科学: 物理学力学天文学》英文版2018年第2期, 由中国科学院力学研究所崔凯研究员担任通讯作者撰写。

高超声速飞机的飞行速度一般可达现有飞机的7倍以上, 可大幅缩短飞行时间, 为未来洲际旅行提供一种更为快捷舒适的交通工具。飞行器的气动布局一般须具有“三高”特点, 即高升阻比以保证其航程, 高升力使其在高海拔巡航飞行条件下保持升重平衡, 高容积率以满足载客/载货需求。但由于在高速飞行条件下, 激波和摩擦阻力急剧上升, 飞行器的升阻比很难提升。此外, 升阻比和升力系数均与容积率存在强烈的矛盾关系, 这是现阶段制约飞行器气动性能提升的主要瓶颈问题。如何提高升力系数

针对上述问题, 该项研究提出了一种全新的气动布局概念, 其主要特征在于采用双升力面立体布局方式, 由于轴向投影形状类似于英文字母“I”, 故命名为“I”型布局。该布局的核心思想是采用了原创性的“高压捕获翼”设计原理, 通过在传统布局上方增加额外的升力面来有效捕获两次压缩后的高压气流, 产生高升力并大幅提高飞行器的升阻比, 进而有效缓解容积率与上述气动参数间的矛盾关系。该研究在前期基础上, 综合运用数值模拟、实验设计和数值优化等技术开展了构型优化, 并基于高精度数值仿真对其性能进行了评估。结果表明, 其在大容积率(约0.175)条件下可获得超过4.5的升阻比, 且在最优升阻比条件下升力系数较乘波体等现有先进布局提高达60%左右。

图1 高超声速“I”型布局方案的原理测试模型(左)和设想效果图(右)

自2011年以来, 该研究团队沿这一方向已坚持开展了7年多的研究。如何提高升力系数在现有工作基础上, 后续还有一系列基础科学和关键技术问题有待深入探索, 包括针对该布局形式的复杂的三维激波/激波相互作用、三维激波/边界层相互作用、热防护问题、新型布局的静/动稳定性和控制等。

该文由中国科学院力学研究所高温气体动力学国家重点实验室崔凯研究员、肖尧博士、徐应洲博士和李广利博士共同完成, 并得到了国家自然科学基金(Grant Nos. 11372324和11572333) 以及高温气体国家重点实验室 (Grant Nos.LHD2017TC01, LHD2017MS04和LHD2017QN03)的资助。

K. Cui, Y.Xiao, Y. Z. Xu, G. L. Li, Hypersonic I-shaped aerodynamic configurations, SCIENCECHINA Physics, Mechanics & Astronomy 61(2), 024722 (2018); doi:10.1007/s11433-017-9117-8

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https://link.springer.com/article/10.1007/s11433-017-9117-8