[科普中国]-试验气动力

气动力

物体与空气作相对运动时作用在物体上的力，简称气动力。它由两个分布力系组成：一是沿物体表面面元法线方向的法向分布力系，另一是在表面面元切平面上的切向分布力系。空气动力通常就是指这两个力系的合力。以飞行器(如飞机)为倒，为便于对飞行器的运动规律进行分析，通常取一个原点位于飞行器重心的气流坐标系，将空气动力分解为三个方向上的分量。设坐标系的x轴平行于气流方向且正向与气流方向相反，y轴在飞行器对称面内与x轴垂直且正向指向飞行器上方，z轴垂直于xy平面，指向右翼，则合力在x、y、z三个轴上的分量分别称为阻力、举力和侧向力。若空气动力作用点与飞行器重心不重合，则飞行器还受到一个合力矩的作用，它在x、y、z三个轴上的分量分别称为滚转力矩、偏航力矩和俯仰力矩。飞行器所受的空气动力与它的飞行速度、高度和飞行姿态有关。空气动力的分布和大小是飞行器结构和强度设计的依据，而且关系到飞行器的飞行性能、操纵性能和稳定性。空气动力学的一个主要任务就是确定飞行器的空气动力。确定空气动力需要知道空气的性质和运动规律。相应于低速流动、亚声速流动、跨声速流动、超声速流动、高超声速流动、稀薄气体流动和高温气体流动等不同情况，空气动力的分析有不同的理论和实验方法。

纵向机动飞行载荷分析在飞行器设计中，载荷是进行结构设计和分析的基础。在各种载荷中，飞行载荷是其中的重要部分。现代飞机由于在高速度、低重量和高机动性等方面的要求，结构的柔性越来越大，气动弹性效应越来越明显。因此飞行载荷的计算必须考虑气动弹性变形的影响。

飞行载荷分析必须基于某些特定的飞行状态，即首先要进行机动模拟，根据不同状态下的各个运动参数进行全机、部件的飞行载荷计算，进而从众多的状态中选择出严重的载荷状态，用于结构分析和结构设计.因此机动模拟的准确与否对飞行载荷分析有着重要的作用。

国外飞行载荷分析领域发展了一种基于非线性气动力的飞行载荷分析方法，可以对指定的飞行状态进行飞行载荷分析，但不能模拟飞机的机动飞行过程。国内一些单位进行机动飞行载荷分析时，采用修正后的气动导数计算机动飞行过程，并且不考虑飞行载荷在机动飞行过程中的变化过程，只针对某些状态进行机动飞行载荷的计算和分析。

严德等基于非线性风洞试验数据(简称试验气动力)同步进行纵向机动飞行过程和机动飞行载荷的计算与分析，采用曲面样条函数插值将刚性气动力拟合成关于迎角、全动平尾偏度的二元函数，并应用于求解飞机机动飞行过程中。同时，在机动飞行的各个时刻，引入结构弹性变形的影响，采用准静平衡假设，基于试验气动力的压力分布进行全机飞行载荷的静气动弹性修正。另外，也采用偶极子格网法计算气动力(简称理论气动力)，并与基于试验气动力的机动飞行载荷计算结果进行了比较。

通过使用曲面样条将试验气动力引入到机动飞行载荷计算与分析，以及与基于偶极子格网法的线性气动力理论结果的比较，可得出以下结论：①无论是试验气动力，还是理论气动力，载荷的变化与机动飞行过程对应。应用试验气动力进行机动飞行过程计算更为合理;②在同样的舵面输入条件下，由于全机刚性气动力系数的差异，基于两种气动力的机动飞行模拟过程差别较大，这会直接影响到机动飞行载荷的计算和分析；③由于气动力分布的差异，与试验气动力相比，基于理论气动力的部件机动飞行载荷的变化趋势可能不一致，甚至相反；④由于气动力引起的结构弹性变形不同，对全机进行静气动弹性的修正也可能不一致。因此，要获得合理的机动飞行过程和准确的机动飞行载荷，必须使用风洞试验数据。1

弹性飞机舵面效率分析现代飞机对于低结构重量的追求，势必导致其气动性能及操纵性、稳定性的较大幅度变化。受到结构弹性变形的影响，飞机的舵面操纵效率也会有较大程度的下降，甚至在大动压情况下出现操纵反效现象。舵面操纵效率还和飞机的飞行品质紧密相关。因此，研究包括舵面操纵效率在内的静气动弹性问题具有重要的理论和实际价值。

目前，常用的飞机静气动弹性响应分析方法中，通常有两种气动力可供使用，一种是平板气动力理论计算结果，另一种是外部试验气动力，两者均通过与线性结构进行耦合考虑结构弹性变形对于气动力的影响。前者分析效率高，但计算精度低;后者需要准备大量的外部试验气动力，但计算精度高。这两类分析方法已经在飞机的纵向、横侧向飞行载荷分析中得到广泛应用，并得出了不少有益的研究结果，但是有关气动力线性与非线性对舵面操纵效率影响的文章还不多见。此外，也很少见到有关舵面操纵效率、舵面反效与翼面载荷、压差分布、气动压心和飞行迎角之间关系的研究文献。

邵珂以某飞机为分析对象，基于非线性试验气动力和线性理论气动力开展气动导数和飞行载荷分析，重点研究气动力类型、飞行动压和迎角等参数对舵面操纵效率的影响，并分析舵面操纵效率、舵面反效与翼面弹性载荷、弹性压差分布以及弹性气动压心之间的关系。

应用线性理论气动力和非线性试验气动力对某飞机进行了考虑结构弹性变形的气动导数和飞行载荷计算，分析了气动力线性与非线性对飞机副翼效率及平尾效率的影响，并重点考虑了飞行动压、迎角对舵面操纵效率的影响，研究了舵面操纵效率、舵面操纵反效与翼面弹性载荷、弹性压差分布以及弹性气动压心之间的关系。通过研究得到如下结论：

（1）基于线性理论气动力的计算结果与基于非线性试验气动力的计算结果有较大差距。前者所得到的分析结果总是线性的，而试验气动力的非线性则会导致分析结果出现较大的非线性趋势。

（2）基于非线性试验气动力的舵面效率分析结果，不但受到飞行动压的影响，而且还与飞行迎角、舵面偏角有密切的关系。这是与使用线性气动力方法进行分析有所区别的。

（3）对于副翼这类有与之相连的安定面的舵面，在飞行动压的增加过程中操纵效率不但会下降，而且在飞行动压增加到一定数值之后还会出现操纵反效。而全动平尾这类没有与之相连的安定面的舵面则操纵效率只会下降，一般不会出现操纵反效。

（4）舵面操纵效率、舵面操纵反效与翼面弹性载荷、弹性压差分布、弹性气动压心之间有着密切关系。操纵效率的下降与操纵反效的成因，可以通过翼面弹性压差分布的分析以及由此产生的弹性气动压心变化的分析和翼面弹性载荷变化的分析获得。2