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《計算機仿真雜志》2014年第六期

1氣動模型

美國軍方設計的雙囊體飛艇和三囊體混合式飛艇如圖1所示。混合式飛艇結合了常規飛艇與飛機的特性，其分析方法也理應介于飛艇與飛機分析方法之間。對于飛機，通常用升阻比這一指標去衡量飛機的氣動性能，設計人員希望飛機在產生足夠升力的情況下盡量減少飛機的阻力，以提高飛機的操穩特性;而對于常規飛艇，由于飛行過程中飛艇靜升力近乎不變，并且飛行過程中產生的氣動升力很小，所以升阻比這一指標不能全面的描述常規飛艇的氣動性能。文獻［5］中指出，混合式飛艇在飛機和常規飛艇氣動特性之間建立了關聯，三者在升力曲線和升致阻力曲線上呈現連續變化趨勢。正是基于此種內在聯系，常規飛艇與飛機的氣動模型和氣動評價標準對于混合式飛艇也是適用的。下述部分建立了混合式飛艇的氣動力模型及升阻比模型。

1．1浮力飛艇的浮力由主氣囊內充氦量決定，其值基本不隨海拔高度的變化而變化，假設主氣囊內充入的氦氣純度足夠高，則浮力可表示為:式中:ρ為空氣密度，V為飛艇在壓力高度飛行時主氣囊體積。

1．2氣動升力、阻力與飛機的氣動特性分析類似，混合式飛艇的氣動升力可以表示為:

1．3升阻比由前面建立的浮力、氣動升力、氣動阻力可推得，混合式飛艇的升阻比模型可以表示為:式中:V/S稱為混合式飛艇的尺寸因子，是飛艇主氣囊體積與參考面積的比值，其大小約等于V1/3。

2飛艇的幾何模型

2．1模型建立條件由于本文主要研究飛艇外形布局方式對飛艇氣動性能的影響，所以在建模過程中對一些影響相對較小的部件，如推進器、吊艙、氣墊起降裝置等進行了忽略。下面是三類飛艇模型建立的基本條件:體飛艇與兩種混合式飛艇具有相同的體積(V=30000m3);體飛艇由NACA5527翼型曲線放樣而成;雙囊體飛艇和三囊體飛艇由單囊體飛艇陣列后去掉相貫部分而成。

2．2飛艇幾何模型的建立根據上述基本條件，建立了三類飛艇的幾何模型，如圖2所示，其中坐標系Oxyz為與飛艇固連的坐標系，點O在艇首頂點，Ox軸為飛艇的縱軸，指向飛艇的尾部，Oy軸在飛艇的縱向對稱面內，Oxyz軸構成右手直角坐標系。三類飛艇的總體參數如表1所示。

3飛行條件

由于混合式飛艇結合了氣動力，所以其氣動特性與大氣密度有很緊密的關聯，不可能像固定翼飛機那樣運行在很高的高度，其飛行高度通常在一萬米以下。本文將飛艇飛行高度取為定值7000m，主要研究單囊體、雙囊體和三囊體飛艇在該高度下氣動特性隨攻角和速度的變化關系。

3．1三類飛艇氣動特性隨攻角變化關系為了能更好地說明飛艇外形布局方式對氣動特性的影響，使計算結果具有可比較性，對三類飛艇設計了如下統一的飛行條件，計算中，飛艇攻角的取值范圍為－10°～26°，取值間隔為2°，共計十九種工況，如表2所示。

3.2混合式飛艇氣動特性隨飛行速度變化關系在混合式飛艇的設計過程中，飛行速度是一個重要的設計飛行條件。從式(4)中可以看到，升阻比中存在與速度有關的因子，飛行速度將會對混合式飛艇的氣動特性產生重要的影響。為了對文中給出的兩種混合式飛艇做出進一步的比較分析，取飛行速度計算范圍為20m/s～60m/s，取值間隔為10m/s，共計五種工況分別進行了計算，飛行條件如表3所示。

4飛艇的近壁面網格

4．1網格生成建立三類飛艇的幾何模型后，使用ICEM軟件劃分網格，計算域四周邊界距飛艇表面前、上以及兩側的距離均為10倍的艇長，后方為15倍艇長。為了更好地模擬邊界層流動，在近壁區采用貼體O型結構網格，邊界層上布置15～20層網格，壁面第一層網格滿足y+=0.5～1.5，三類飛艇的網格總數均為200萬左右。三類飛艇的近壁面網格如圖3～圖5所示。

4．2計算方法飛艇繞流屬于低速不可壓流動，使用Fluent軟件求解不可壓縮流動雷諾平均的Navier—Stokes方程和SSTk－w湍流模型，由于網格縱橫比較大，使用雙精度求解器，方程的離散采用有限體積法，對流項采用二階迎風格式離散，擴散項采用中心差分格式，速度壓力耦合方式采用SIMPLE算法。飛艇表面滿足無滑移邊界條件，艇首前方，兩側和上方遠離壁面表面的邊界設為速度入口條件，艇尾下游區域邊界設為壓力出口條件。

5計算結果

對上述三類飛艇網格進行計算，得到計算結果如下。

5．1三類飛艇氣動特性隨攻角變化關系三類飛艇的升力系數和阻力系數隨攻角變化關系分別如圖6～圖7所示。從圖6中可以看到，隨著攻角的增大，三類飛艇的升力系數都將變大，單囊體飛艇的變化范圍明顯小于兩種混合式飛艇，而三囊體飛艇的升力特性又優于雙囊體飛艇。另外還可以看到，單囊體、雙囊體和三囊體飛艇的零升攻角分別在0°、－1°、－3°附近，說明混合式飛艇在負角度下仍可產生升力，可操縱范圍較大。從圖7中可以看到，隨著攻角的增大，三類飛艇的阻力系數都將變大，相比于單囊體飛艇，混合式飛艇的阻力系數在5°攻角后大幅度增加，這與其扁平狀的氣動外形有關。式(3)中的升致阻力系數由粘性項和非粘性項構成，其中，粘性項主要由囊體的壓差阻力引起，非粘性項則由誘導阻力引起。單囊體飛艇前端圓鈍，后端尖細，是典型的流線體，其飛行阻力主要為壓差阻力，并且其迎風面積遠小于混合式升力體飛艇，所以其在飛行過程中的阻力最小;而對于混合式飛艇，氣流會繞過艇體從高壓區流向低壓區，并且產生脫體漩渦，這一漩渦使氣流在升力中心產生下洗，進而產生誘導阻力，所以混合式飛艇的阻力由壓差阻力和誘導阻力共同構成。與低速飛機的阻力類似，飛艇的摩擦阻力是零升阻力的主要來源，可以看到，本文給出的三類飛艇的零升阻力系數分別為0.018、0.029、0.031，這一數據與理論是一致的，因為對于飛艇來說，囊體是氣動阻力的主要來源，而蒙皮摩擦力占了囊體阻力的絕大部分，由于混合式飛艇在相同體積的情況下表面積更大，所以將有更大的零升阻力系數。

5．2混合式飛艇氣動特性隨速度變化關系雙囊體飛艇和三囊體飛艇的升力系數和阻力系數隨飛行速度的變化如圖8～圖9所示。從圖中可以看到，隨著飛行速度的變化，雙囊體飛艇的升力系數和阻力系數的變化范圍都比較小，說明其在速度變化時的升阻特性較為平穩，而三囊體飛艇的升力系數和阻力系數的變化范圍均比較大，并且阻力系數的增長速率更快。在相同體積的情況下，由于三囊體飛艇外形更加扁平，所以其升力特性要優于雙囊體飛艇;另外，雙囊體飛艇與三囊體飛艇表面積接近，但三囊體飛艇迎風面積明顯大于雙囊體艇，所以三囊體飛艇在飛行過程中阻力較大。根據升力、阻力系數曲線及式(4)，可得混合式飛艇升阻比曲線如圖10所示。從升阻比曲線可以看到，飛行速度對于混合式飛艇性能的影響是至關重要的。從式(4)中可以看到，混合式飛艇的升阻比與飛艇的尺寸因子和飛行速度相關，在一定范圍內，增大飛艇的尺寸因子或減小飛艇的飛行速度，都將顯著提升飛艇的飛行性能。也就是說，在一定程度上，混合式飛艇的體積越大、速度越小，則飛行性能越好。所以，如果混合式飛艇的飛行任務對飛行速度沒有要求，那么可以減小飛艇速度，使其在最佳氣動特性狀態下飛行。但是在大多數任務情況下，比如貨物運輸或區域巡航時，飛艇的速度不能過小，那么就需要設計者根據飛艇的外形、重量及任務的基本要求選擇合適的飛行速度值。

6結論

1)與常規單囊體飛艇相比，混合式飛艇在運行中的阻力較大，但升力特性和可操縱性更為優越;2)在相同體積的情況下，三囊體飛艇外形更加扁平，其升力特性要優于雙囊體飛艇;而由于迎風面積較大，所以三囊體飛艇的阻力更大;3)對于單囊體飛艇、雙囊體飛艇和三囊體飛艇，隨著囊體數量的增加，飛艇的氣動效率增加，但結構重量增大;4)在一定范圍內，混合式飛艇的體積越大、飛行速度越小，則其氣動特性越好。8結束語混合式飛艇憑借其優異的氣動特性將逐步成為飛艇領域的熱點，其在軍用和民用領域都有著較為廣闊的應用前景，不僅可以作為監測、偵查的電子眼，更可以作為戰時武器裝備的快速運輸工具，特別是當飛艇安裝了氣墊著陸裝置［9］(aircushionlandingsystem)后，其操縱特性將更加靈活。我國擁有廣闊的領土和領海資源，十分需要一種滯空時間長、續航能力強的監視偵查工具，可以說，混合式飛艇的發展對增強我國的國防力量大有裨益。

作者：閆峰姜魯華崔燕香單位：中國科學院光電研究院中國科學院研究生院