脉冲吹气控制气动舵面流动分离机理、特性及相似准则研究

Because the flight performance of aircraft is so dependent on aerodynamic efficiency of elevator, it is very important to improve the flow separation over the control surfaces at high deflection angle in order to keep the aircraft having good flight capability, especially for the modern aircraft with tailless aerodynamic configuration. The main purpose of this application is to develop a novel control technique to improve separated flow over the control flap of aircraft through pulsed blowing downward firstly. And the effect mechanism of pulsed blowing on separated flow will be investigated based on the study to the effect of parameters on the improving efficiency. Thirdly, since the improving efficiency will be affected by the pulse frequency and average blowing momentum of the pulsed blowing simultaneously, the relationship between effect of pulse frequency and that of average blowing momentum will be discovered and the similarity of the micro-pulsed blowing technique will be put forward. Finally, the effect of flow over the main wing, which is located in front of the flap windward, on improving efficiency by pulsed blowing over the flap will be studied under conditions of different attack angle of main wing and free stream speed, etc.

针对无尾布局飞机气动舵面流动分离问题，基于本课题组研制的新型小流量、脉冲式吹／吸协同控制技术和实验装置，开展脉冲吹气控制参数影响特性研究，揭示脉冲吹气控制流动机理；分析脉冲吹气频率对控制效果的影响特性，揭示脉冲吹气频率和吹气动量系数影响特性之间的相关关系，探索脉冲吹气流动控制技术的主控相似参数；并将研究成果推广到不同主翼绕流流型影响下的舵面流动分离控制，从而达到控制舵面流动分离，提高舵面气动效率，为改善无尾布局飞机操稳特性提供先进和工程实用的小流量脉冲吹气流动控制方案。.该项目研究工作的开展，无论对于我国的空气动力学基础科学研究，还是未来武器装备发展的军事需求，都具有十分重要的现实意义。

无尾布局飞行器以其优秀的飞行性能而著称，但其仍主要依靠传统的气动舵面进行操纵。当舵面偏角较大时会因流动分离而降低了舵面效能，使飞行器的纵横向操纵稳定性变差，严重威胁飞行器的飞行安全。所以抑制并消除气动舵面发生的流动分离可以有效提升舵面效能，改善飞行器的纵横向操纵稳定性，增强飞行器的飞行安全性。. 本项目针对上述问题，基于本课题组研制的新型小流量、连续/脉冲吹／吸协同控制技术和实验装置，开展连续/脉冲吹气控制参数影响特性的实验与计算研究，分析该技术控制参数对控制效果的影响特性，进而揭示连续/脉冲吹气控制流动机理，为改善飞行器纵横向操纵稳定性提供技术基础。. 连续吹气研究结果表明，通过舵面前缘连续吹气技术，能够有效抑制舵面流动分离，使得舵面升力系数增量最大达到150%；其机理是前缘吹气通过引射作用，加快了舵面前缘表面的气流流速，使舵面前缘的吸力峰增加，从而有效提升了舵面的升力；. 脉冲吹气研究结果表明，脉冲吹气同样能够有效抑制舵面流动分离、提升舵面升力系数，且效果比相同吹气量下连续吹气要高20%~30%；平均吹气动量系数和斯特劳哈尔数以及占空比是脉冲吹气控制技术的三个重要相似参数；脉冲吹气的增升机理为：一方面，通过引射作用在舵面吹气口上游处产生一个较大的吸力峰，抑制了舵面流动分离，进而增加了舵面升力；另一方面，通过脉冲的切换过程，在吹气口处产生一个具有极强涡量的附着涡，由该附着涡产生的涡升力进一步提升了舵面升力。. 针对主翼处于不同绕流形态下的吹气控制效果的研究表明，随着主翼绕流从层流到层流转捩和全湍流的转变，舵面绕流分离依次减弱，因此前缘吹气抑制舵面流动分离引起的升力增量依次减小；在舵面流动分离得到充分抑制后，相同平均吹气动量系数下舵面升力增量逐渐降低；但脉冲吹气频率对控制效果影响不大，随着脉冲吹气频率的增加，平均舵面升力系数增加不明显。. 本项目成功提出一种采用脉冲吹气的主动流动控制技术方案，可以有效提高舵面控制效率。当舵面绕流发生分离时，可以通过舵面前缘吹气控制技术消除流动分离来提高舵效，而当舵面气动力达到极限后可以通过吹气产生的直接力来进一步提高舵面控制效率。. 本项目的研究成果，不仅将为改善现役飞机的操稳特性提供重要的技术手段，提升现役飞机的飞行性能，也会促进吹气流动控制技术的发展和应用。