基于合成射流技术的飞翼无人机新型气动操纵方式研究

Since traditional control surfaces have many defects, a novel aerodynamic control method based on synthetic jet technology is applied on the flying wing UAV. Research work is conducted to analyze how the synthetic jet technology influence the control effects on UAV, and the jet flow control parameters include actuator combinations, position, the jet momentum coefficients and jet frequency are investigated. Then, it compares the aerodynamic characteristics and flow field with flow control technology to explore the intrinsic reasons of the improvements by the synthetic jet technology from the point of flow mechnism. Finally, it designs a flow control demonation concept and validates the practical control effects based on synthetic jet technology by numerical results, and then presents the guidelines for designing the flow control concept for different control motivations. All the results can provide theoretical guidance and technical supports for practical application of the novel aerodynamic control method based on synthetic jet technology.

针对传统操纵舵面存在的诸多缺陷，以飞翼式无人机为对象，对基于合成射流技术的新型气动操纵方式进行研究。采用数值模拟方法，分析合成射流技术对无人机操纵效能的影响特性，揭示流动激励器阵列组合方式、位置、射流动量系数、射流频率等典型流动控制参数对飞行器操纵效能的影响规律；通过施加流动控制前后无人机气动特性、流场特征的对比分析，从流动机理层面探索合成射流技术产生控制效能的本质原因；应用反设计方法建立针对目标操纵效能的流动控制方案并通过数值方法进行验证，为流动控制方案设计指导原则的确立奠定基础。研究为基于合成射流技术的新型气动操纵方式的工程应用提供了理论指导和技术支撑。

针对传统操纵舵面存在的诸多缺陷，以飞翼式无人机为对象，对基于合成射流技术的新型气动操纵方式进行研究。发展了一套适用于射流流场的高效计算程序，设计了一套高效的主动流动控制方法，进一步将所发展的方法成功应用于翼型、飞翼式无人机的气动性能改善研究中。. （1）发展了一套适用于二维/三维、定常/非定常粘性流动的全速域高效、高精度数值计算方法，并引入多重网格技术和预处理技术等高效加速收敛技术。. （2）进行了基于零质量射流技术的翼型主动流动控制研究。通过在翼型表面特定位置施加非定常吹/吸气边界条件实现零质量射流的数值模拟，发展了射流与主流场干扰流动的数值分析方法。以CFDVAL2004提供的标准算例对文中发展的计算方法进行了验证研究，数值模拟了TAU0015翼型的流动控制，验证了计算方法的实用性。. （3）以某小展弦比飞翼式无人机为研究对象，设计了一套高效的主动流动控制方法，对模型低速状态下的纵向气动特性进行流动控制研究，并对大迎角状态下具有典型流动分离特征的流场进行了流动控制参数的影响研究。研究表明，流动控制技术可以有效改善模型低速、大迎角飞行状态下的流动分离问题。最后对三维流动的主动流动控制机理进行了分析归纳。. （4）针对巡航状态下飞翼式无人机纵向力矩特性较差的问题，考察了应用主动流动控制技术时的模型气动性能改善效能。研究表明流动控制技术可以有效提升模型的纵向稳定性，拓宽力矩的线性域。. （5）对飞翼式无人机巡航状态下中等迎角时的横/航向流动不对称特性进行了数值模拟研究，并考察了流动控制技术对横/航向气动控制效能的影响。研究结果表明流动控制技术在抑制、改善模型横/航向不对称流动方面具有很好的工程应用前景，可以解决大迎角状态下常规舵面操纵效能不足的问题，并可作为一种新型的气动操纵方式来替代飞行器的常规操纵舵面。