中低雷诺数微小型飞行器的高升阻比紧耦合双翼气动布局

1.本发明属于微小型飞行器气动布局设计技术领域，具体涉及一种中低雷诺数微小型飞行器的高升阻比紧耦合双翼气动布局。


背景技术：

2.升阻比是评定微小型飞行器空气动力特性、表征飞行器气动效率的重要参数，直接影响飞行器续航时间、航程和载荷能力。因此，追求高升阻比始终是微小型飞行器设计的主要目标之一。
3.然而，微小型飞行器尺寸较小、飞行速度较低，因此雷诺数处于中低范围（105~106量级），远低于常规大中型飞行器（107~108量级）。中低雷诺数下，空气粘性的影响较大，使得翼型的气动特性相比高雷诺数情形明显下降，主要表现为：（1）升力系数下降、阻力系数增加，降低了飞行器的全机升阻比，影响续航时间和航程；（2）更容易发生气流分离和转捩，进一步降低了翼型的气动性能。
4.为了提高中低雷诺数下微小型飞行器的升阻比，通常会采用主动流动控制、翼型优化等方法。主动流动控制通过在流动中主动施加扰动（如质量、能量等），并将扰动与主流流动相耦合，以实现微小型飞行器的增升减阻，改善气动性能。翼型优化是一种优化搜索方法，以升阻比等参数作为目标函数，在给定的约束条件下应用一定的优化手段对翼型进行优化设计，获取升阻比最佳的外形。
5.然而，主动流动控制需要布置吹吸气、射流及配套系统等部件，增加了飞行器结构复杂程度，受微小型飞行器尺寸限制，应用难度较大；且主动流动控制需要额外消耗动力，降低了飞行器有效载荷和续航时间。而翼型优化仅对现有翼型进行优化，大量研究结果表明该方法对微小型飞行器升阻比的提升空间比较有限。
6.此外，现有技术中还存在一种采用后缘支撑翼的飞行器气动布局，该布局提出在飞行器机身两侧主翼后缘下方安装支撑翼，以兼顾飞行器气动效率和结构效率。然而，该布局主要适用较高雷诺数下的大中型飞行器，无法应用于微小型飞行器。


技术实现要素：

7.本发明针对微小型飞行器在中低雷诺数范围下升阻比下降的问题，提出了中低雷诺数微小型飞行器的高升阻比紧耦合双翼气动布局。该气动布局采用紧耦合双翼形式，后翼布置在前翼的后下方，且与前翼存在翼差角，利用中低雷诺数流动下双翼之间的紧耦合作用提升升阻比。本发明采用的技术方案具体如下：中低雷诺数微小型飞行器的高升阻比紧耦合双翼气动布局，包括前翼、后翼、端板、机身等部分；前翼和后翼组成紧耦合双翼，前翼为上单翼、设置在机身两侧，后翼为下单翼、设置在前翼关于来流方向的下游，后翼的翼尖通过流线型的所述端板与所述前翼的翼尖或下翼面相连；双翼的尺寸和位置关系满足紧耦合设计，具体设计参数如下：前翼的展长与后翼
的展长之比为spr，且spr=1~2；沿所述微小型飞行器飞行过程中气流流向的铅垂面所截取的双翼截面中，前翼的截面弦长与后翼的截面弦长之比为chr，且chr=1~3；前翼的截面前缘与后翼的截面前缘的竖直方向距离为a%的前翼的截面弦长，且a=5~30；前翼的截面前缘与后翼的截面前缘的水平方向距离为b%的前翼的截面弦长，且b=80~110；前翼的弦线与后翼的弦线之间夹角定义为翼差角θ，且θ=0
°
~15
°
。
8.进一步，所述微小型飞行器可为无尾式布局，还包括螺旋桨，螺旋桨布置在前翼前缘靠近翼尖处。
9.进一步，所述微小型飞行器可为飞翼式布局，还包括螺旋桨，螺旋桨布置在前翼前缘中段。
10.进一步，所述微小型飞行器可为v尾式布局，还包括v形尾翼，尾翼布置在机身尾部。
11.相比于现有技术，本发明的有益效果在于：1.本发明能够通过对双翼尺寸和相对位置的合理设计，使双翼整体的最大升阻比得到提升，并使其获得超过单翼布局的最大升阻比，提升了飞行器整体气动效率。
12.2.本发明通过双翼的紧耦合效应实现被动流动控制，无需布置吹吸气、射流等增升减阻部件，结构简单、可靠性高；无需额外消耗能源，能够提升微小型飞行器续航能力和航程。
附图说明
13.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
14.图1为本发明中低雷诺数微小型飞行器的高升阻比紧耦合双翼气动布局整体示意图（无尾式布局）。
15.图2为本发明中低雷诺数微小型飞行器的高升阻比紧耦合双翼气动布局整体示意图（飞翼式布局）。
16.图3为本发明中低雷诺数微小型飞行器的高升阻比紧耦合双翼气动布局整体示意图（v尾式布局）。
17.图4为本发明中低雷诺数微小型飞行器的高升阻比紧耦合双翼气动布局的前翼与后翼位置关系示意图。
18.图5为本发明中低雷诺数微小型飞行器的高升阻比紧耦合双翼气动布局与现有二维单翼布局的升阻比随迎角变化对比曲线图。
19.附图标记说明：1-前翼，2-后翼，3-端板，4-机身，5-螺旋桨，6-尾翼
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是
本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
20.本发明紧耦合双翼气动布局中，微小型飞行器由前翼1、后翼2、端板3、机身4等部件组成；根据飞行器具体型式的不同，还可布置螺旋桨5、尾翼6等部件，如图1~3所示。其中，前翼1布置为上单翼，后翼2布置为下单翼，可使前翼1、后翼2与机身4连接时，避免对机身4容积和结构造成不利影响。后翼2位于前翼1的后缘位置，即后翼2位于前翼1关于来流方向的下游。后翼2的翼尖通过端板3与前翼1的翼尖或下表面相连。前翼1和后翼2的展长、截面翼型和弦长可根据气动设计的需求具体设计，但是后翼2的展长需不大于前翼1的展长，在沿飞行器飞行过程中气流流向铅垂面所截取的双翼截面中，后翼2的弦长需不大于前翼1的弦长。
21.所述前翼1和后翼2的具体相对位置与微小型飞行器整体气动性能密切相关，需根据升阻比的气动设计要求确定，具体确定方式为：通过分析二维情形确定前翼1和后翼2的相对位置，通过数值模拟可以得到飞行器整体升阻比，当升阻比最大时，双翼截面间处于最优的相对位置。如图4所示，沿所述微小型飞行器飞行过程中气流流向的铅垂面所截取的双翼截面中，前翼的截面弦长c1与后翼的截面弦长c2之比为chr，且chr为定值，在1~3范围内；前翼与后翼的截面前缘的竖直方向距离为a%的前翼截面弦长c1，且a为定值，在5~20范围内；前翼与后翼的截面前缘的水平方向距离为b%的前翼截面弦长c1，且b为定值，在80~95范围内；前翼与后翼的翼差角为θ，且θ为定值，在0
°
~15
°
范围内。最终拓展于三维情形，得到前翼1和后翼2构型，其中前翼与后翼的展长之比为spr，且spr为定值，在1~2范围内。通过选用合适的chr、a、b、θ和spr值，能够发挥双翼的紧耦合效应，在较大迎角范围内提升微小型飞行器的升阻比，提高全机气动性能。
22.实施例1：采用无尾式布局，螺旋桨5布置在前翼1前缘靠近翼尖处。双翼均采用平直机翼、naca2412翼型，前翼1的弦长为0.1m，展长为0.3m；后翼2的弦长为0.05m，展长为0.3m。在沿飞行器飞行过程中气流流向铅垂面所截取的双翼截面中，前翼与后翼的截面前缘的竖直方向距离为20%的前翼截面弦长；前翼与后翼的截面前缘的水平方向距离为90%的前翼截面弦长；前翼与后翼的翼差角为10
°
。
23.图5给出了本发明的紧耦合双翼气动布局对比于现有技术中单个前翼布局的升阻比随迎角变化的曲线。可以看出，相比于单个前翼布局，当本发明中后翼2与前翼1满足本发明中的紧耦合设计参数时，双翼布局整体的最大升阻比显著高于单个前翼布局。这说明本发明紧耦合双翼气动布局设计合理，能够获得比单翼布局更优的气动效率。
24.实施例2：如图2所示，采用飞翼式布局，螺旋桨5布置在前翼1前缘中段。双翼均采用梯形机翼、naca2412翼型，前翼1的弦长为0.1m，展长为0.4m，前缘后掠角为15
°
，根梢比为0.7；后翼2的弦长为0.05m，展长为0.3m，前缘后掠角为7
°
，根梢比为0.7。在沿飞行器飞行过程中气流流向铅垂面所截取的双翼截面中，前翼与后翼的截面前缘的竖直方向距离为25%的前翼截面弦长；前翼与后翼的截面前缘的水平方向距离为110%的前翼截面弦长；前翼与后翼的翼差角为8
°
。
25.实施例3：如图3所示，采用v尾式布局，在机身尾部布置v形尾翼6。双翼均采用平直机翼、naca2412翼型，前翼1的弦长为0.1m，展长为0.5m；后翼2的弦长为0.05m，展长为0.5m。在沿飞行器飞行过程中气流流向铅垂面所截取的双翼截面中，前翼与后翼的截面前缘的竖
直方向距离为10%的前翼截面弦长；前翼与后翼的截面前缘的水平方向距离为80%的前翼截面弦长；前翼与后翼的翼差角为12
°
。
26.显然，上述实施例的目的仅为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

技术特征：
1.一种中低雷诺数微小型飞行器的高升阻比紧耦合双翼气动布局，其特征在于，包括前翼、后翼、端板、机身，前翼和后翼组成双翼，前翼设置在机身两侧，在前翼后下方设置后翼，后翼的翼尖通过流线型的所述端板与所述前翼的翼尖或下翼面相连；双翼的尺寸和位置关系满足紧耦合设计，具体设计参数如下：前翼的展长与后翼的展长之比为spr，spr=1~2；沿所述微小型飞行器飞行过程中气流流向的铅垂面所截取的双翼截面中，前翼的截面弦长与后翼的截面弦长之比为chr，chr=1~3；前翼的截面前缘与后翼的截面前缘的竖直方向距离为a%的前翼的截面弦长，a=5~30；前翼的截面前缘与后翼的截面前缘的水平方向距离为b%的前翼的截面弦长，b=80~110；前翼的弦线与后翼的弦线之间夹角定义为翼差角θ，θ=0
°
~15
°
。2.根据权利要求1所述的中低雷诺数微小型飞行器的高升阻比紧耦合双翼气动布局，其特征在于，后翼位于前翼的后缘位置，位于前翼关于来流方向的下游。3.根据权利要求1所述的中低雷诺数微小型飞行器的高升阻比紧耦合双翼气动布局，其特征在于，前翼为上单翼，后翼为下单翼。4.根据权利要求1所述的中低雷诺数微小型飞行器的高升阻比紧耦合双翼气动布局，其特征在于，所述微小型飞行器为无尾式布局，还包括螺旋桨，螺旋桨布置在前翼前缘靠近翼尖处。5.根据权利要求1所述的中低雷诺数微小型飞行器的高升阻比紧耦合双翼气动布局，其特征在于，所述微小型飞行器为飞翼式布局，还包括螺旋桨，螺旋桨布置在前翼前缘中段。6.根据权利要求1所述的中低雷诺数微小型飞行器的高升阻比紧耦合双翼气动布局，其特征在于，所述微小型飞行器为v尾式布局，还包括v型尾翼，尾翼布置在机身尾部。

技术总结
本发明属于微小型飞行器气动布局设计技术领域，涉及一种中低雷诺数微小型飞行器的高升阻比紧耦合双翼气动布局，包括前翼、后翼、端板、机身等部分，后翼设置在前翼的后下方，后翼的翼尖通过端板与前翼的翼尖或下翼面相连；前翼与后翼的展长之比在1~2范围内；沿微小型飞行器飞行时气流流向的铅垂面截取的双翼截面中，前翼与后翼的截面弦长之比在1~3范围内；前翼的截面前缘与后翼的截面前缘的竖直方向距离为5~30%的前翼的截面弦长；前翼的截面前缘与后翼的截面前缘水平方向距离为80~110%的前翼的截面弦长；前翼与后翼的弦线间夹角为0


技术研发人员：蒋崇文 刘哲 许晨豪 胡姝瑶
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：2023.05.11
技术公布日：2023/6/14