0 引言

相较于常规布局飞行器而言，串列翼飞行器应用场景较少，针对串列翼飞行器的研究也较少。但是在实际应用中，因为串列翼布局的飞行器前后两对机翼都可以产生升力，因此在相同翼面大小的情况下可以减少对整机翼展以及结构刚度的需求。随着城市飞行器对短距起降、垂直起降以及军用巡飞器对载重比的需求增加，串列翼布局飞行器再次引起人们的兴趣。

串列翼飞行器因为前后翼相互干扰，其气动特性复杂且难以预测。Rokhsaz^[1]的研究认为若处于合适的相对位置，串列翼的布局形式相较于常规布局的气动特性有所提升。Satran^[2]对鸭式布局的Rutan VariEze进行了详细的研究，分析了鸭翼在垂直方向上安装位置对整机气动特性的影响。李广佳^[3]等人、张国庆^[4]、王昀皓^[5]等人及Broering^[6]分别对二维情况下的串置翼型进行了数值模拟以及气动特性的研究。李永泽^[7]等人及常浩^[8]等人进一步对三维情况的串列翼飞行器进行了研究，以升阻比作为评价参数，对比分析了数种不同布局的气动特性。Jones^[9]等人通过实验方法研究了低雷诺数下串置有限展长机翼之间的相互干扰。付东金^[10]等人参考李永泽等人的研究成果，设计制作了一款串列翼验证机，并进行了试飞试验。

鉴于多数研究都使用升阻比作为评判标准，因此本文着重关注了串列翼布局飞行器的俯仰静稳定特性。本文基于CFD方法，对一款串列翼布局的飞行器进行了气动特性的分析。研究了前后翼在垂直方向上相对安装位置对该飞行器气动特性的影响。本文所进行的研究是针对该款中小型低速无人机。由于受限于机身尺寸、垂直起降、倾转机翼等需求，没法为前后翼垂直方向上的距离设计太大的变化幅度。此外，机身外形引发的翼身干扰、机翼的展弦比、所选取的翼型、翼差角的大小、机翼的几何/气动扭转等多种因素均有可能对结果产生影响。故本文的研究结论仅针对该串列翼飞行器，可供类似布局飞行器的设计提供参考。

1 研究模型与研究方法

1.1 计算模型

本文所研究的串列翼布局飞行器侧视图如图1所示。前后翼的翼型、展长、弦长均相同，其中记平均气动弦长为C，前翼安装角度为3°，后翼安装角度为-1°，两翼之间水平方向距离为3C，原点到机头之间的距离为0.18C，到机身末端为6.09C，翼展为5.45C。仅通过改变前后翼在垂直方向上的位置，形成如表1所示的五种布局。五种布局的侧视图如图1所示。

1.2 研究方法

使用CFD方法对以上五种布局的气动特性进行计算。由于该飞行器设计巡航速度为0.1马赫，因此采用针对不可压缩流动的SIMPLE算法。湍流模型使用k-ω SST（剪切应力输运）双方程模型。空间离散采用非结构化网格，对机体表面进行适当加密。根据Pulliam^[11]的研究，选取布局3进行计算，确保网格满足网格无关性、远场无关性与y+无关性要求。最终采用计算模型远场边界距离飞行器40C，总网格数305万，布局3机体表面网格及整体计算域如图2所示。

2 计算结果及分析

2.1 升阻特性分析

2.1.1 整机升力系数分析

五种布局的升阻特性如图3所示。从升力系数曲线可以看到，在巡航状态（α=0°），布局1与布局5的升力系数更高，而且较为接近。布局2与布局4的升力系数较为接近，布局3的升力系数最低。而当攻角逐渐增大时，可以看到布局4与布局5在大攻角下升力系数较高，布局3次之。而布局1与布局2升力系数上升较慢，拥有最低的升力系数。从失速特性分析，布局3、布局4与布局5在攻角为20°~24°时有明显的失速现象，而布局1与布局2尚未进入失速攻角，并且布局5最早失速。

从计算结果可以得出以下结论:1）增加前后翼在垂直方向上距离可以减小前翼对后翼的不利干扰。2）在巡航状态（α=0°）时，若两翼间垂直方向上距离不变，那么无论选取前翼在上还是前翼在下的布局（对比布局1与布局5，以及布局2与布局4），都不会对升力系数产生太大的影响。3）前翼在下的布局在攻角增大时会因为后翼受到更多干扰而导致整机升力系数低于前翼在上的布局。4）相较于前翼在上的布局，前翼在下的布局有更好的失速特性。

2.1.2 整机升阻特性分析

从升阻比曲线可以看到，在巡航状态（α=0°），布局1拥有最高的升阻比，布局2次之。布局4与布局5较为接近，其中布局5稍高一些，而布局3拥有最低的升阻比。而在大攻角时（α=14°），五种布局的升阻比均较为接近，其中布局4最高，布局3与布局5最低。从最大升阻比来看，布局1与布局2的最大升阻比出现于α=0.5°左右，而布局3、布局4与布局5的最大升阻比出现较晚，位于α=2°左右。

从计算结果可以得出以下结论:1）巡航状态（α=0°）下，前翼在下时飞行器能拥有更高的升阻比（对比布局1与布局5，以及布局2与布局3）; 2）巡航状态（α=0°）下，两翼间垂直方向上的距离越大，飞行器升阻比越高（对比布局1与布局2，以及布局4与布局5）; 3）在不改变安装角的情况下，前后翼在垂直方向上所处的位置，会影响飞行器最大升阻比所处的攻角。

2.1.3 后翼升阻特性分析

五种不同布局的后翼升阻曲线如图4所示。从升力曲线（a）可以看出，巡航状态（α=0°）下布局1后翼升力系数最高，即受到前翼下洗影响最小，布局5次之。布局2与布局4升力系数较为接近，且布局2升力系数略高于布局4，布局3最低。当攻角增大时，可以看到布局1、布局2与布局3的升力曲线不呈线性增长，是由于受到了前翼下洗的影响，其中布局1最为严重。而布局4与布局5在攻角增大的过程中受到前翼下洗影响较小，其中布局5受到影响最小且升力系数依然呈线性增长。

从升阻比曲线可以看到，在巡航状态（α=0°）下，升阻比由高至低的顺序为布局1＞布局5＞布局2＞布局4＞布局3。当攻角增大时，布局1与布局2的升阻比迅速降低，而布局3、布局4与布局5能维持较高的升阻比。

从计算结果可以得出以下结论:1）在巡航状态（α=0°）时，若增加前后翼之间垂直方向上的距离可以减小前翼下洗造成的影响，使后翼拥有更高的升力系数; 2）在巡航状态（α=0°）时，若两翼间垂直方向上距离不变，则前翼在下的布局对于后翼升力系数的不利影响会更小; 3）在攻角增大时，前翼在下的布局会对后翼产生较大的不利影响，而前翼在上的布局对后翼产生的不利影响较小。

2.2 俯仰稳定性分析

对于以下四个重心位置x=2.273C、2.364C、2.455C、2.636C，分别记录五种布局俯仰力矩系数随攻角所变化的曲线，如图5所示。

对于飞行器俯仰稳定性而言，正俯仰力矩系数代表抬头力矩，而负俯仰力矩系数代表低头力矩。俯仰力矩系数曲线斜率C_mα，为正值则代表静不稳定，为负值代表静稳定。

对于飞行器α=0°的巡航状态，每种布局受到的额外力矩与静稳定性如表2至表5所示。

从图5与表2至表5可以看出，布局1与布局2虽然分别能在重心位于x=2.636C及2.455C时达到平衡状态，但它们都是静不稳定的。布局3在重心位于x=2.273C时是平衡且中性稳定的。而布局4与布局5分别在重心位于x=2.364C及2.455C时同时达到平衡且稳定的状态。另外，从图5（a）中可以看出布局1和布局2的气动中心都位于x=2.273C之前，布局3在小攻角下俯仰力矩系数几乎不随攻角变化，因此其气动中心位于x=2.273C。从图5（d）中可以看出布局4气动中心位于x=2.636C，而布局5气动中心位于x=2.636C之后。

通过对串列翼飞行器俯仰特性的分析，可以得出以下结论:1）由于前翼安装角大于后翼安装角，在大攻角下前翼会先于后翼失速，因此无论采用何种布局，该飞行器在大攻角下均表现为静稳定; 2）前后翼在垂直方向上的距离会影响飞行器的气动中心所处的位置，并且间距越大飞行器稳定性越高。在间距相同的情况下，则前翼在上的布局相较于前翼在下的布局拥有更好的静稳定性; 3）前后翼在垂直方向上的距离会影响飞行器巡航时压力中心所处的位置，间距越大巡航时的压力中心位置越靠后。在间距相同的情况下，则前翼在上的布局相较于前翼在下的布局，压力中心位置更靠后。

3 算例验证

为验证结论的适用性，对原计算模型后翼的安装角度进行调整，将原计算模型前翼3°后翼-1°的安装角改变为前翼3°后翼2°。对新计算模型下的五种布局进行计算。

3.1 升阻特性验证

新模型计算所得升阻特性曲线如图6所示，可见其升阻特性变化符合前文所得结论。其中巡航状态（α=0°）下，布局1升阻比高于布局5是由于布局1阻力系数更小，从升力曲线可以看出两种布局的升力系数接近。前翼在下的布局，即布局1与布局2，在攻角增大时会因为后翼受到更多干扰而导致整机升力系数低于前翼在上的布局，即布局4与布局5，且前翼在下的布局有更好的失速特性。

3.2 俯仰特性验证

新模型计算所得俯仰特性曲线如图7所示。从图7俯仰特性曲线可以看出，五种布局的俯仰特性没有因为安装角、翼差角的改变而发生变化。同时可以看出在该安装角下，虽然布局4与布局5表现依然为静稳定，但五种布局均难以配平。

4 结论

本文使用控制变量的方法，固定飞行器机身、翼型、翼差角、安装角及前后翼距离等参数，通过改变前后翼在垂直方向上的距离设计了五种不同的气动布局。随后利用CFD方法对这五种不同布局分别进行了数值模拟计算，得到每种布局的升阻特性曲线与俯仰稳定性曲线，并进行了对比分析，对五种布局的气动特性的变化规律得出了结论。为验证结论的可靠性，本文调节了后翼安装角并对新模型进行了计算，作为一组对比数据。计算结果表明该表安装角虽然会改变飞行器的升力系数、升阻比、俯仰力矩系数等，但不会对曲线随攻角的变化率产生巨大影响，即不会对五种布局的特性产生巨大影响。

根据对升阻特性与俯仰稳定性的分析，布局1与布局2虽然在巡航状态下升阻比更高，但是气动中心过于靠前，难以配平且静不稳定。布局3虽然能够配平，但是为中性稳定，并且巡航状态下升阻比最低。而布局4与布局5在巡航时升阻比相近，且均能同时满足平衡与静稳定要求。其中布局5在巡航状态下能提供更多升力，且气动中心与压力中心均更为靠后，便于结构配重。因此在五种布局中，布局5是一种更具有优势的气动布局方案。

参考文献