一种串列翼-连翼地效飞行器的制作方法

1.本发明属于飞行器气动布局设计技术领域，具体涉及一种串列翼-连翼地效飞行器。


背景技术：

2.飞行器贴近地面或水面飞行时，其升阻比增加，诱导阻力减小的现象，被称为地面效应。产生地面效应的飞行高度有一定的范围，该高度范围称为地效区。地效飞行器是一种利用地面效应原理，在贴近地面或水面的地效区内飞行，性能介于船舶和常规飞行器之间的新型交通运输工具。以其巡航速度高、升阻比高、运载效率高、经济性好等特点，地效飞行器在军民领域具有广阔的应用前景。
3.然而，地效飞行器在地效区内飞行时，飞行高度的变化会引起全机气动力的变化，对于单主翼等传统布局地效飞行器，就面临飞行高度变化引起的气动力变化易产生附加俯仰力矩增量，从而导致飞行器容易失控的技术难题，影响飞行安全。
4.另外，由于地效区高度范围较小，往往与机翼弦长相当或小于机翼弦长，对于巡航在其中的地效飞行器，采用单主翼等传统布局，则因其主翼展长相对于飞行高度过长，使其机动空间受限，无法在地效区内通过机身滚转等方式实现横航向机动，导致横航向机动性差。


技术实现要素：

5.本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种串列翼-连翼地效飞行器，通过合理配置前后翼的高度位置关系和前后位置关系，增强了全机纵向操稳特性，解决了传统布局地效飞行器飞行高度变化时产生附加俯仰力矩增量导致飞行器容易失控的技术难题，保证了飞行安全；通过前翼在下、后翼在上，前翼短、后翼长的布局形式，可在地效区内巡航中通过机身滚转方式实现横航向机动，极大增强了全机横航向机动性；通过串列翼-连翼布局形式实现了闭合式机翼构型，进一步提升了气动效率，同时减轻了空机重量，提高了运载能力，实现了更高的运载效率。
6.本发明提供的技术方案如下：
7.一种串列翼-连翼地效飞行器，包括：机身、前翼、后翼和连翼；
8.所述前翼安装于所述机身的前部下方，所述后翼安装于机身的后部上方；前翼与后翼的翼型相同、稍根比相同、展弦比相同，前翼的展长小于后翼的展长；
9.前翼与后翼的高度位置关系满足：巡航状态下前翼的离水面高度h1与前翼的平均气动弦长c1的比值等于后翼的离水面高度h2与后翼的平均气动弦长c2的比值；
10.前翼与后翼的前后位置关系满足：前翼的平均气动弦焦点与飞行器重心在轴向的距离为d1，后翼的平均气动弦焦点与飞行器重心在轴向的距离为d2，d1和d2的比值等于c2与c1比值的平方；
11.所述连翼连接前翼和后翼，其两端分别与前翼的翼稍和后翼的中部固定连接，连
翼任意翼型截面的弦线均平行于所述机身轴线。
12.进一步的，该飞行器还包括发动机、尾翼和浮筒；
13.发动机设置在机身的前部，在轴向位于前翼前方；尾翼设置在机身的尾部；前翼的两端还设置有浮筒。
14.进一步的，所述机身为飞行器机身-船身融合布局，机身上半部分为飞行器机身，下半部分为船身，船身中部设有断阶；
15.断阶前第一距离l1内的船身弦线与机身轴线平行，横截面底部为v型；断阶后第二距离l2内的船身弦线与机身轴线呈夹角α，横截面底部由v型逐渐过渡至平直型；船身尾部弦线与机身轴线呈夹角β，横截面底部为平直型。
16.进一步的，第一距离l1不小于1.5倍机身宽度；第二距离l2不大于0.5倍飞行器全长。
17.进一步的，夹角α的取值范围为7
°
～9
°
；夹角β的取值范围为α≤β≤45
°
。
18.进一步的，所述前翼为梯形翼，稍根比为0.4～0.5，前翼后缘安装有前翼襟翼。
19.进一步的，所述后翼为梯形翼，稍根比为0.4～0.5。
20.进一步的，所述连翼的翼型为对称翼型。
21.进一步的，所述浮筒安装在所述前翼的翼稍下方；所述尾翼为v型尾翼，安装于所述机身的尾部上方，尾翼间的夹角不超过90
°
。
22.进一步的，所述发动机的安装高度高于前翼且低于所述后翼；发动机后部设有气流方向调节装置，可偏转发动机喷口后的气流方向，使其流过前翼的上方，或流向前翼下方的动力气垫腔；
23.所述动力气垫腔是指机身下部、前翼下翼面、向下偏转的前翼襟翼、浮筒和水面组成的腔体。
24.根据本发明提供的一种串列翼-连翼地效飞行器，具有以下有益效果：
25.(1)本发明提供的一种串列翼-连翼地效飞行器，通过合理配置前后翼的高度位置关系和前后位置关系，使地效飞行器在巡航飞行高度变化时不产生附加俯仰力矩增量，增强了全机纵向操稳特性，解决了传统布局地效飞行器飞行高度变化时产生附加俯仰力矩增量导致飞行器容易失控的技术难题，保证了飞行安全。
26.(2)本发明提供的一种串列翼-连翼地效飞行器，通过前翼在下、后翼在上，前翼短、后翼长的布局形式，可在地效区内巡航中通过机身滚转方式实现横航向机动，极大增强了全机横航向机动性。
27.(3)本发明提供的一种串列翼-连翼地效飞行器，通过串列翼-连翼布局实现了闭合式机翼构型，进一步降低了诱导阻力，提高了升阻比，提升了地效飞行器的气动效率；同时，机翼尺寸更小，结构重量更轻，刚度更大，进一步减轻了空机重量，提高了运载能力，实现了更高的运载效率。
附图说明
28.图1为本发明串列翼-连翼地效飞行器的俯视示意图；
29.图2为本发明串列翼-连翼地效飞行器的侧视示意图；
30.图3为本发明串列翼-连翼地效飞行器的前视示意图；
31.图4为本发明中前翼、后翼的平均气动弦长与离水面高度的示意图；
32.图5为本发明中前翼、后翼的平均气动弦焦点距飞行器重心的前后距离与平均气动弦长的示意图；
33.图6为本发明中机身在断阶前第一距离l1内、断阶后第二距离l2内、尾部的横截面示意图。
34.附图标号说明
35.1-机身；1-1-断阶；2-发动机；2-1-气流调节装置；3-前翼；3-1-前翼襟翼；4-连翼；5-后翼；6-尾翼；7-浮筒。
具体实施方式
36.下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
37.在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
38.如图1～图6所示，本发明提供了一种串列翼-连翼地效飞行器，包括机身1、前翼3、后翼5、连翼4、发动机2、尾翼6和浮筒7，具体组成见图1所示。
39.所述前翼3安装于所述机身1的前部下方，所述后翼5安装于机身1的后部上方，见图2；前翼3与后翼5的翼型相同、稍根比相同、展弦比相同，前翼3的展长小于后翼5的展长；前翼3与后翼5的高度位置关系满足：巡航状态下前翼3的离水面高度h1与前翼3的平均气动弦长c1的比值等于后翼5的离水面高度h2与后翼5的平均气动弦长c2的比值，见图4；前翼3与后翼5的前后位置关系满足：前翼3的平均气动弦焦点距飞行器重心的前后距离d1与后翼5的平均气动弦焦点距飞行器重心的前后距离d2的比值等于后翼5的平均气动弦长c2与前翼3的平均气动弦长c1的比值的平方，见图5；
40.所述连翼4与前翼3的翼稍和后翼5的中部固定连接，连翼4任意翼型截面的弦线均平行于所述机身1轴线。
41.在一种优选的实施方式中，所述机身1为飞行器机身-船身融合布局，上部为飞行器机身，下部为船身，船身中部设有断阶1-1，见图2；断阶1-1前第一距离l1(不小于1.5倍机身宽度)内的船身弦线与机身1轴线平行，横截面底部为v型；断阶1-1后第二距离l2(第二距离l2不大于0.5倍飞行器全长)内的船身弦线与机身1轴线呈夹角α(7
°
～9
°
)，横截面底部由v型逐渐过渡至平直型；船身尾部弦线与机身1轴线呈夹角β(α≤β≤45
°
)，横截面底部为平直型，见图6。
42.在一种优选的实施方式中，所述前翼3为梯形翼，稍根比为0.4～0.5，前翼3后缘安装有前翼襟翼3-1，见图1。
43.在一种优选的实施方式中，所述后翼5为梯形翼，稍根比为0.4～0.5。
44.在一种优选的实施方式中，所述连翼4的翼型为对称翼型。
45.在一种优选的实施方式中，所述浮筒7安装在所述前翼3的翼稍下方，见图1。
46.在一种优选的实施方式中，所述发动机2安装在所述机身1的前部，位于所述前翼3之前，发动机2的安装高度高于前翼3，低于所述后翼5；发动机2后部设有气流方向调节装置
2-1，可偏转发动机喷口后的气流方向，使其流过前翼3的上方，或流向前翼3下方的动力气垫腔；
47.所述动力气垫腔指由机身1下部、前翼3下翼面、向下偏转的前翼襟翼3-1、浮筒7和水面组成的腔体。
48.在一种优选的实施方式中，所述尾翼6为v型尾翼，安装于所述机身1的尾部上方，尾翼间的夹角不超过90
°
。
49.串列翼-连翼地效飞行器的纵向操稳特性原理如下：
50.通过控制前、后翼采用相同翼型、相同稍根比、相同展弦比，保证了前、后翼在相同状态下的升力系数等气动特性一致；再通过高度位置关系设计使巡航时前、后翼的平均气动弦长与离水面高度的比值相等，保证了前、后翼在地效区内的气动特性一致；最后通过合理配置前、后翼的前后位置关系，使地效飞行器前、后翼产生的气动力增量绕重心的力矩大小相等，方向相反，可相互抵消，保证了地效飞行器飞行高度变化时，全机不产生附加俯仰力矩增量，从而增强了纵向操稳特性，保证了飞行安全。
51.串列翼-连翼地效飞行器的横航向机动特性原理如下：
52.通过前翼在下、后翼在上，前翼短、后翼长的布局形式，地效飞行器可以在地效区内实现机身滚转，此时地效飞行器所受的气动力可分解出横航向的向心分力，因此可使地效飞行器实现横航向机动。因前翼短，此种布局形式不用担心如单主翼等传统布局主翼过长带来的机身滚转容易导致机翼打水从而影响飞行安全的问题，且此种布局形式可实现较大的机身滚转角，故可使横向机动性大大增强。
53.本实施例中，前翼3和后翼5均采用相同翼型(优选的，可采用下翼面较平的翼型，比如naca4412翼型)，稍根比均为0.5，展弦比均为7.5；前翼3展长18.75m，平均气动弦长2.5m；后翼5前掠角30
°
，展长37.65m，，平均气动弦长5.01m；巡航状态下前翼3离水面高度3.75m，后翼5离水面高度7.52m；飞行器全长41.2m，重心位于全机50.9％，前翼3平均气动弦焦点距飞行器重心前后距离9.38m，后翼5平均气动弦焦点距飞行器重心前后距离2.33m。连翼4采用对称翼型，翼型为naca0009。机身宽度5m，断阶1-1前第一距离l1为12.1m，断阶1-1后第二距离l2为9.31m，夹角α为9
°
，夹角β为25
°
。尾翼间的夹角为60
°
。
54.上述参数均是经过详细的理论计算和数值分析获得，以实现飞行器气动参数的合理设计。
55.本发明中，前向为沿机身轴线自飞行器尾部指向飞行器头部的方向，相应的，后向为沿机身轴线自飞行器头部指向飞行器尾部的方向。
56.以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
57.本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

技术特征：
1.一种串列翼-连翼地效飞行器，其特征在于，包括：机身(1)、前翼(3)、后翼(5)和连翼(4)；所述前翼(3)安装于所述机身(1)的前部下方，所述后翼(5)安装于机身(1)的后部上方；前翼(3)与后翼(5)的翼型相同、稍根比相同、展弦比相同，前翼(3)的展长小于后翼(5)的展长；前翼(3)与后翼(5)的高度位置关系满足：巡航状态下前翼(3)的离水面高度h1与前翼(3)的平均气动弦长c1的比值等于后翼(5)的离水面高度h2与后翼(5)的平均气动弦长c2的比值；前翼(3)与后翼(5)的前后位置关系满足：前翼(3)的平均气动弦焦点与飞行器重心在轴向的距离为d1，后翼(5)的平均气动弦焦点与飞行器重心在轴向的距离为d2，d1和d2的比值等于c2与c1比值的平方；所述连翼(4)连接前翼(3)和后翼(5)，其两端分别与前翼(3)的翼稍和后翼(5)的中部固定连接，连翼(4)任意翼型截面的弦线均平行于所述机身(1)轴线。2.根据权利要求1所述的一种串列翼-连翼地效飞行器，其特征在于：还包括发动机(2)、尾翼(6)和浮筒(7)；发动机(2)设置在机身(1)的前部，在轴向位于前翼(3)前方；尾翼(6)设置在机身(1)的尾部；前翼(3)的两端还设置有浮筒(7)。3.根据权利要求1或2所述的一种串列翼-连翼地效飞行器，其特征在于：所述机身(1)为飞行器机身-船身融合布局，机身(1)上半部分为飞行器机身，下半部分为船身，船身中部设有断阶(1-1)；断阶(1-1)前第一距离l1内的船身弦线与机身(1)轴线平行，横截面底部为v型；断阶(1-1)后第二距离l2内的船身弦线与机身(1)轴线呈夹角α，横截面底部由v型逐渐过渡至平直型；船身尾部弦线与机身(1)轴线呈夹角β，横截面底部为平直型。4.根据权利要求3所述的一种串列翼-连翼地效飞行器，其特征在于：第一距离l1不小于1.5倍机身宽度；第二距离l2不大于0.5倍飞行器全长。5.根据权利要求3所述的一种串列翼-连翼地效飞行器，其特征在于：夹角α的取值范围为7
°
～9
°
；夹角β的取值范围为α≤β≤45
°
。6.根据权利要求1或2所述的一种串列翼-连翼地效飞行器，其特征在于：所述前翼(3)为梯形翼，稍根比为0.4～0.5，前翼(3)后缘安装有前翼襟翼(3-1)。7.根据权利要求1或2所述的一种串列翼-连翼地效飞行器，其特征在于：所述后翼(5)为梯形翼，稍根比为0.4～0.5。8.根据权利要求1或2所述的一种串列翼-连翼地效飞行器，其特征在于：所述连翼(4)的翼型为对称翼型。9.根据权利要求2所述的一种串列翼-连翼地效飞行器，其特征在于：所述浮筒(7)安装在所述前翼(3)的翼稍下方；所述尾翼(6)为v型尾翼，安装于所述机身(1)的尾部上方，尾翼间的夹角不超过90
°
。10.根据权利要求1或2所述的一种串列翼-连翼地效飞行器，其特征在于：所述发动机(2)的安装高度高于前翼(3)且低于所述后翼(5)；发动机(2)后部设有气流方向调节装置(2-1)，可偏转发动机喷口后的气流方向，使其流过前翼(3)的上方，或流向前翼(3)下方的
动力气垫腔；所述动力气垫腔是指机身(1)下部、前翼(3)下翼面、向下偏转的前翼襟翼(3-1)、浮筒(7)和水面组成的腔体。

技术总结
一种串列翼-连翼地效飞行器，包括机身、前翼、后翼、连翼、发动机、尾翼和浮筒；前后翼的高度位置关系满足：巡航状态下前翼的离水面高度与前翼的平均气动弦长的比值等于后翼的离水面高度与后翼的平均气动弦长的比值；前后翼的前后位置关系满足：前翼的平均气动弦焦点距飞行器重心的前后距离与后翼的平均气动弦焦点距飞行器重心的前后距离的比值等于后翼的平均气动弦长与前翼的平均气动弦长的比值的平方。本发明通过合理配置前后翼的高度位置关系和前后位置关系，增强了全机纵向操稳特性，解决了传统布局地效飞行器飞行高度变化时产生附加俯仰力矩增量导致飞行器容易失控的技术难题，极大增强了全机横航向机动性，提高了运载能力，实现了更高的运载效率。实现了更高的运载效率。实现了更高的运载效率。


技术研发人员：路容斐 赵永胜 周健 董金刚 蒋崇文
受保护的技术使用者：中国航天空气动力技术研究院
技术研发日：2023.02.09
技术公布日：2023/6/27