21世纪翼型研究新进展（1）-面向先进战斗机的薄翼型

21世纪翼型研究新进展（1）-面向先进战斗机的薄翼型

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2024-03-19

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对于现代先进战斗机,一般采用大后掠角、小展弦比薄机翼,以减小超声速飞行时的阻力。这种机翼绕流具有较强的三维效应,三维机翼的压力分布相比二维翼型有所畸变。因此,针对战斗机机翼设计,传统方法主要考虑机翼平面形状以及弯扭和厚度分布的设计,而忽略对翼型的精细化气动设计。图36是不同代的战斗机及其所使用的典型翼型与发展趋势图（按照国内的“四代”战斗机划分标准）。早期战斗机的机翼剖面主要采用NACA标准翼型及其修改翼型。图37是第一、二、三代代表性战斗机F-86、F-4、F-16及其使用的翼型示意图。表2列出了美国典型第二、三代战斗机使用的翼型。第二代战斗机主要强调超声速性能,因此减小超声速阻力非常重要,这一阶段的美国战斗机一般选用相对厚度较小的NACA对称翼型。第三代战斗机将跨声速大迎角机动性放在突出的位置,超声速性能处于相对次要的地位,因此机翼一般都采用小弯度薄翼型,以减小大迎角的阻力,同时又不会对超声速性能造成太大的损失,其基本翼型仍是NACA系列标准翼型或其修形。第二、三代战斗机的设计对翼型的精细化气动设计并不关注。图36 不同代的战斗机及其使用的典型翼型示意图图37 第一、二、三代典型战斗机及其使用的翼型表2 美国第二、三代典型战斗机使用的翼型从四代机研制开始,翼型又重新得到重视。虽然对于大后掠、小展弦比机翼,流动的三维效应显著,但是翼型对此类机翼设计仍然十分重要,具体表现在以下几点：（1）翼型的跨声速升阻特性直接影响飞机的航程,超声速阻力特性直接影响飞机的超声速巡航能力,翼型的弯度直接影响飞机的机动能力；（2）翼型的前缘形状可以影响三维分离涡面的生成、发展和涡的位置,从而影响飞机的大迎角升阻特性；（3）翼型的阻力发散边界和升力抖振边界仍然对机翼的性能有重要的影响。因此,即使对大后掠、小展弦比机翼,翼型的选用和设计仍然是飞机机翼设计的一项重要内容。随着基于Navier-Stokes(N-S）方程的精细化数值模拟与优化设计技术的快速发展,设计者可以采用气动优化设计方法进行战斗机大后掠、小展弦比机翼构型甚至到全机构型的多剖面翼型优化设计,以充分考虑三维流动效应以及机身的干扰效应。针对大后掠小展弦比战斗机机翼翼型设计这一高维优化设计问题,西北工业大学高正红等发展了曲线光顺方法、高维代理模型表示方法等,开展了三维流动环境下考虑工程约束的战斗机薄翼型精细化设计,设计翼型在亚、跨、超声速域内均保持良好的气动特性,有较高的工程实用价值。研究表明,翼型精细化设计对于提升小展弦比机翼的气动性能仍是非常重要的。随着未来战场环境愈发复杂,战斗机技战术指标的不断提高,第四代及未来战斗机的设计,将不再采用标准翼型,而是针对具体的飞行器,综合考虑气动、隐身、控制和结构等多个学科,为飞行器设计专用的翼型族。本文节选自：韩忠华, 高正红, 宋文萍, 等. 翼型研究的历史、现状与未来发展[J]. 空气动力学学报, 2021, 39(6): 1−36

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