[科普中国]-气动中心位置

气动中心

在一定雷诺数下，当翼型迎角改变时，翼型所受到的空气动力对于此点的合力矩不变，那么这一点就称为该翼型在当前雷诺数下的气动中心，又称作焦点。

多数传统翼型的气动中心位于0.23至0.24弦长处，层流翼型气动中心在0.26~0.27倍的弦长处。

气动中心与压力中心不同：压力中心是力系合成到一个特殊点时，使得这个点的合力矩为0的点，压力中心在气动中心的后面；而气动中心是使得合力矩不变的点。压力中心的位置随着迎角的改变而改变，当迎角增大，升力增大，压力中心前移，这同时使得压力中心与气动中心的距离缩短，增大的升力与缩短力臂乘积刚好是不变的力矩，这也正是气动中心的定义所要求的。

不同雷诺数、不同翼型气动中心位置不一样：翼型准确的气动中心位置主要是通过实验测得的，在一些比较全的翼型书中会标有“a.c.position”的字样，同时在下面列举了不同雷诺数所对应的气动中心位置。这些气动中心的位置在不同雷诺数下各不相同，且在垂直弦长方向上并不为0，但在一般的叶片设计、气动模拟计算中，对应雷诺数和翼型的气动中心位置数据不一定能找到，所以将气动中心位置取为弦长1/4处是可以接受的。

定义气动中心位置，又称焦点位置。气动中心距机翼平均气动弦前缘沿弦向的无量纲距离。对于飞机通常以机翼平均气动弦长的百分数计量。

简介焦点是飞行器气动增量的作用点。焦点位置对于飞行器纵向稳定性至关重要，重心与焦点的位置关系是飞行器纵向静稳定性的决定因素。一般机翼的焦点和翼型的焦点差不多位于相同的百分比位置处，在亚音速时为1 /4平均气动弦长（MAC）位置；在超音速时是0. 4倍平均气动弦长位置处。对于联排翼布局飞机，如果前后机翼完全相同，且不考虑气动干扰，排翼布局飞机全机焦点位置就是前、后机翼焦点连线的中心位置，但是实际上因为后翼处于前翼的下洗区，考虑速度阻滞、前翼尾流在后翼产生紊流等因素的影响，两个机翼间存在气动干扰，其中主要是前翼对后翼的气动干扰使得后翼升力系数减小、阻力系数增大，从而使得全机焦点前移，无法得到理论结果，如图所示，图中△a为迎角的微小增量，可以认为机翼的气动增量的方向和原来升力的方向没有变化，k前翼对后翼的气动干扰使得后翼的升力系数减小的部分。

在设计时为了提高串列式机翼的气动效率，在机翼的水平和垂直方向都要间隔一定的间距，只有当两者中至少一个为无穷大时，理论上气动干扰才为零，全机焦点才位于理论位置。因为飞机的其它部件，如机身，尽管对阻力影响很大但是对整机升力的影响较小，所以将机翼的焦点作为全机的焦点。联/排翼布局飞行器焦点位置计算的关键是前翼对后翼的气动干扰与水平、垂直间距等因素间关系的定量研究。1

超声速巡航时气动焦点和重心的配合控制超声速巡航是新型作战飞机和民用飞机的一个重要特征。具备小加力超声速巡航能力的作战飞机有更高的速度机动性，反应能力更快，在空战中可以迅速接近敌方目标进行攻击，完成攻击后又可以迅速脱离，降低被敌方导弹击中的概率。另一方而，超声速飞机的运输能力和航程都使得这类飞机在商业贸易方而有着广阔的应用前景。

飞机超声速飞行时，山于存在零升波阻以及气动焦点大幅度后移，导致飞行阻力骤增，飞机升阻比显著减小。针对这一问题，目前研究较多的是通过设计降低波阻的飞机外形来减小零升波阻，并取得了很多研究成果;而主动重心控制技术是上世纪80年代末提出来的一种新技术，它是通过对飞机重心和气动焦点的介理匹配，来减小飞机升致阻力，从而可实现对飞行阻力的进一步减弱。主动重心控制技术在美国、欧洲等航空发达国家得到广泛研究和应用。美国NASA Langley研究中心提出利用主动重心控制技术改善飞机性能的研究思路。

北京航空航大大学张晶等设计了适用于某型飞机超声速巡航的主动重心控制系统，它是通过对平衡输油系统的管理实现飞机重心的偏移，使飞机的重心与气动焦点介理匹配，从而降低了飞机超声速巡航时的飞行阻力，在一定程度上改善了飞机的飞行性能，具有一定的应用价值。2

CRW的焦点位置鸭式旋翼/机翼（CRW）飞机是三翼面(即鸭翼、旋转机翼和平尾)布局的一种新概念复合升力飞机，该飞行器既可以像直升机那样进行垂直起降和定点悬停，又具有固定翼飞机的高速巡航特性。设计概念研究表明这种鸭式旋翼/机翼飞机实现了对无人驾驶垂直起降的任务需求，是一种可行的未来舰载无人侦察机及有人驾驶武装攻击飞机的候选者。1998年波音公司最先提出鸭式旋转机翼（Canard rotor/wince-CRW）的概念。

飞机增加了前鸭翼，这是为了增加在旋翼模式转换到固定翼模式过程中的全机升力，以保证旋转机翼卸载后鸭翼与平尾可以承担全机的升力。在过渡飞行阶段的后期，虽然旋翼己经卸载，但是转速并没有马上降为零，旋转机翼的展弦比较小，当旋转机翼展向与机身平行时受前机身上洗流影响较大，主要表现为焦点位置的变化和升力的变化，以及由此导致的俯仰力矩的变化，旋转机翼的焦点位置变化如图所示。3