CN108995803A - 一种超声速客机的可折叠式乘波体气动布局 - Google Patents

Abstract

本发明主要属于乘波体气动布局技术领域，具体涉及一种超声速客机的可折叠式乘波体气动布局。所述可折叠式乘波体气动布局，包括机身、主翼、边条翼、垂尾、位于所述主翼上的前掠翼、鸭翼和动力装置，所述鸭翼的后掠角以及所述前掠翼的前掠角能够调节；通过调节所述鸭翼的后掠角以及所述前掠翼的前掠角能够使所述乘波体气动布局呈现展开构型或折叠构型；所述展开构型具有大展弦比，适用于低亚声速起飞、着陆以及适用于跨声速巡航；所述折叠构型为乘波体的构型，适用于超声速巡航。该可折叠式乘波体气动布局兼顾了起降、跨声速飞行以及超声速巡航的优势。

Description

一种超声速客机的可折叠式乘波体气动布局

技术领域

本发明主要属于乘波体气动布局技术领域，具体涉及一种超声速客机的可折叠式乘波体气动布局。

背景技术

提高巡航速度一直是客机旅行飞行的追求目标，目前全球经济、文化融合度很高，洲际旅行已不鲜见，但即使最快的喷气式客机目前也需要十几个小时才能实现洲际旅行，舒适度、时效性都难以令人满意，超声速客机再次成为人们研究的热点。

近年来，研究人员提出了利用激波上下压力差产生升力的设想，这种流动形态称之为激波—膨胀波流型。应用这种流型的飞行器叫“乘波飞机”，即乘波体，其飞行马赫数最高可以达到20。这种飞行器的外形是流线形，其所有的前缘都具有附体激波，可应用于超声速的飞行器。其原理是将激波后的高压流体限制在飞行器的下表面，激波附着在飞行器的下表面，它就好像骑乘在激波上飞行。设计中尽量避免激波绕过前缘，泄露到上表面，从而在设计迎角范围内，获得比普通外形高得多的升阻比。这种飞机可以满足人们对超声速飞行器的需求，实现快速旅行的理想。

军用的乘波体飞机已经出现，美国洛克韦尔公司在研究XB-70超声速轰炸机时，设计师将发动机舱和一个巨大的楔形进气道置于XB-70飞机的机身腹部，当飞机以马赫数3的速度飞行时，由楔形进气道顶端发出的激波集中作用于机翼的下表面，使机翼下表面的压力突然增大，于是产生了额外的升力。这种新增加的升力成为压缩升力或激波升力，该值约占全机升力的30%，此时并不增加相应的阻力，使得飞机超声速升阻比增加，从而提高了超声速巡航时的经济性。

自从乘波体提出以来，关于乘波体构型的研究，尤其是超声速飞行领域的研究已经相对比较成熟。但在宽马赫数飞行领域，传统的乘波体应用具有固有的限制，尤其是低速飞行，乘波构型的飞行器不能发挥其优势，目前存在的主要问题有：

(1) 由于乘波体布局主要适用于超声速飞行阶段，因此在亚音速甚至是跨音速状态下，由于展弦比较低，导致此时的乘波体客机升力线斜率非常低，而且具有较高的诱导阻力，进一步降低了其低速下的升阻比；

(2) 乘波体布局的飞行器展长较小，很难在后缘布置足够尺寸的增升装置，其起降状态下的气动性能较差，需要较大的起降场长才能满足要求；

(3) 小展弦比导致升力线斜率降低，因此乘波体布局的起降需要较大的起飞姿态角，此时在乘波体背风面容易引起气流分离等不良的气动现象。

基于上述的分析，故要想取得宽速域内较好气动性能的飞行器，就需要进一步研究，设计一种新型的具有高低速气动设计匹配效果的飞行器，除了满足超声速巡航外，还需要兼顾起降性能以及亚声速下的飞行性能。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种超声速客机的可折叠式乘波体气动布局。其主要设计思想归纳为：低亚声速起飞着陆以及跨声速巡航(如有)时为展开构型，此时采用小后掠鸭翼以及主翼上的前掠翼，以提高升阻比，改善起降性能；超声速巡航时为折叠构型，此时主翼上的前掠翼绕转轴转动以改变前掠角，紧贴在机身两侧，同时小后掠鸭翼也开始变后掠转动使其后掠角增加，最终鸭翼、主翼同机身形成一个乘波体的构型，非常适合超声速巡航。该气动布局除了满足超声速巡航外，还能够兼顾起降性能以及亚声速下的飞行性能。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种超声速客机的可折叠式乘波体气动布局，包括机身、主翼、边条翼、垂尾、位于所述主翼上的前掠翼、鸭翼和动力装置，所述鸭翼的后掠角以及所述前掠翼的前掠角能够调节；通过调节所述鸭翼的后掠角以及所述前掠翼的前掠角能够使所述乘波体气动布局呈现展开构型或折叠构型；

所述展开构型的展弦比可达到6.0以上，适用于低亚声速起飞、着陆以及适用于跨声速巡航；

所述折叠构型为乘波体的构型，适用于超声速巡航。

进一步地，所述鸭翼与所述机身连接，具体是通过设置在所述鸭翼翼根的枢轴机构与所述机身的加强框进行连接，在所述枢轴机构上设置转轴孔及转轴，能够通过所述转轴调节所述鸭翼后掠角。

进一步地，所述乘波体气动布局从所述展开构型变化为所述折叠构型的过程中，所述鸭翼后掠角从展开状态的15°~22°前缘后掠角增加到折叠状态的70°~78°前缘后掠角，最终实现鸭翼的后缘与主翼的前缘平行，完成折叠过程中鸭翼后掠角的变化；

进一步地，所述前掠翼与所述主翼连接，具体是通过设置在所述前掠翼翼根的枢轴机构与所述主翼的前翼梁连接，在所述枢轴机构上设置转轴孔及转轴，能够通过所述转轴调节所述前掠翼的前掠角。

进一步地，所述乘波体气动布局从所述展开构型变化为所述折叠构型的过程中，所述前掠翼的前掠角从展开状态的37°~47°增加到折叠状态的85°~90°，最终实现前掠翼的前缘与机身相贴合，完成折叠过程中前掠翼的前掠角的变化，在折叠状态，前掠翼前缘与机身没有任何连接，前掠翼始终是连接在主翼上。

主翼与机身的连接方式：主翼通过前后翼梁与机身加强框铰接；

边条翼与机身连接方式：该边条翼与机身处于半融合状态，通过翼根处的翼肋与机身框铰接进行连接。

一种超声速客机的可折叠式乘波体气动布局的构型变化方法，所述方法采用所述可折叠式乘波体气动布局，所述方法能够根据飞行状态的需求，实现展开构型和折叠构型的相互转变，以实现在不同飞行状态下的最优飞行性能。

进一步地，调节鸭翼前缘的后掠角逐渐增加，直至鸭翼的后缘与主翼的前缘平行，并调节前掠翼的前掠角逐渐增加，直至前掠翼的前缘与机身相贴合；此时，鸭翼、主翼同机身形成一个乘波体的构型，即完成从展开构型到折叠构型的转变。

进一步地，实现折叠构型到展开构型的转变方法为：调节鸭翼前缘的后掠角逐渐减小，直至所述鸭翼后掠角达到15°~22°的范围，并调节前掠翼的前掠角逐渐减小，直至前掠翼的前掠角达到37°~47°的范围，完成从折叠构型到展开构型的转变。

本发明的有益技术效果：

（1）本发明所述乘波体气动布局在低亚声速下，可折叠式乘波体气动布局处于展开构型，具有较大的展弦比，充分发挥前掠翼与鸭翼在低速下的气动优势，因而其低速起降最大升力系数明显高于传统的乘波体，可达到1.2以上，适合起飞和着陆；

（2）本发明所述乘波体气动布局跨声速时，可折叠式乘波体气动布局的展开构型相对于传统的乘波体布局，具有良好的低速气动特性，失速迎角可达16°以上，适合跨声速巡航。

（3）本发明所述乘波体气动布局超声速下，可折叠式乘波体气动布局收缩为传统的乘波体气动布局。

（4）本发明所述可折叠式乘波体气动布局兼顾了起降、跨声速飞行以及超声速巡航的优势，是一种可用于高低速气动特性匹配设计的民用客机气动布局，能够为超声速客机设计提供参考。

（5）本发明所述可折叠式乘波体气动布局结合了较大展弦比鸭翼、前掠翼以及乘波体的优点，考虑了高低速气动特性的折中，具有独特的变后掠鸭翼和开合式前掠翼，是一种新颖的宽域马赫数（巡航马赫数适用范围为0.78~3.0）民用客机的气动布局形式。

附图说明

图1A为本发明实施例中所述可折叠式乘波体气动布局的展开构型（立体图）；

图1B为本发明实施例中所述可折叠式乘波体气动布局的展开构型（俯视图）；

图1C为本发明实施例中所述可折叠式乘波体气动布局的展开构型（前视图）；

图1D为本发明实施例中所述可折叠式乘波体气动布局的展开构型（侧视图）；

图2A为本发明实施例中所述可折叠式乘波体气动布局的折叠构型（立体图）；

图2B为本发明实施例中所述可折叠式乘波体气动布局的折叠构型（俯视图）；

图2C为本发明实施例中所述可折叠式乘波体气动布局的折叠构型（前视图）；

图2D为本发明实施例中所述可折叠式乘波体气动布局的折叠构型（侧视图）。

图3为本发明实施例中所述可折叠式乘波体气动布局的从展开构型转变为折叠构型的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

实施例1：

本实施例提供一种超声速客机的可折叠式乘波体气动布局，包括机身、主翼、边条翼、垂尾、位于所述主翼上的前掠翼、鸭翼和动力装置，所述鸭翼的后掠角以及所述前掠翼的前掠角能够调节；通过调节所述鸭翼的后掠角以及所述前掠翼的前掠角能够使所述乘波体气动布局呈现展开构型或折叠构型（如图1A-D以及图2A-D所示）；

所述展开构型展弦比达到6.0以上，适用于低亚声速起飞、着陆以及适用于跨声速巡航；

所述折叠构型为乘波体的构型，适用于超声速巡航。

所述鸭翼与所述机身连接，具体是通过设置在所述鸭翼翼根的枢轴机构与所述机身的加强框进行连接，在所述枢轴机构上设置转轴孔及转轴，能够通过所述转轴调节所述鸭翼后掠角。

所述乘波体气动布局从所述展开构型变化为所述折叠构型的过程中，所述鸭翼后掠角从展开状态的15°~22°前缘后掠角增加到折叠状态的70°~78°前缘后掠角，最终实现鸭翼的后缘与主翼的前缘平行，完成折叠过程中鸭翼后掠角的变化；

所述前掠翼与所述主翼连接，具体是通过设置在所述前掠翼翼根的枢轴机构与所述主翼的前翼梁连接，在所述枢轴机构上设置转轴孔及转轴，能够通过所述转轴调节所述前掠翼的前掠角。

所述乘波体气动布局从所述展开构型变化为所述折叠构型的过程中，所述前掠翼的前掠角从展开状态的37°~47°前掠角增加到折叠状态的85°~90°，最终实现前掠翼的前缘与机身相贴合，完成折叠过程中前掠翼的前掠角的变化，在折叠状态，前掠翼前缘与机身没有任何连接，前掠翼始终是连接在主翼上。

主翼与机身的连接方式：主翼通过前后翼梁与机身加强框铰接；

边条翼与机身连接方式：该边条翼与机身处于半融合状态，通过翼根处的翼肋与机身框铰接进行连接。

一种超声速客机的可折叠式乘波体气动布局的构型变化方法，所述方法采用所述可折叠式乘波体气动布局，所述方法能够根据飞行状态的需求，实现展开构型和折叠构型的相互转变，以实现在不同飞行状态下的最优飞行性能。

调节鸭翼前缘的后掠角逐渐增加，直至鸭翼的后缘与主翼的前缘平行，并调节前掠翼的前掠角逐渐增加，直至前掠翼的前缘与机身相贴合；此时，鸭翼、主翼同机身形成一个乘波体的构型，即完成从展开构型到折叠构型的转变。

实现折叠构型到展开构型的转变方法为：调节鸭翼前缘的后掠角逐渐减小，直至所述鸭翼后掠角达到15°~22°的范围，并调节前掠翼的前掠角逐渐减小，直至前掠翼的前掠角达到37°~47°的范围。

经过设计、计算和分析，利用本实施例提供的可折叠式乘波体气动布局应用于超声速客机时：

(1) 在低亚声速(H=0km，Ma=0.2)起飞着陆时，若采用可折叠式乘波体的展开构型，充分发挥前掠翼与鸭翼在低速下的气动优势，升力线斜率及升阻比较传统乘波体构型有较大的提高，可显著提升起降性能，适合起飞着陆；

(2) 在跨声速(H=10km，Ma=0.8)巡航时，若采用可折叠式乘波体的展开构型，其气动特性要优于传统的乘波体构型，包括提高失速迎角、以及较高升阻比等；

(3) 良好的纵向气动特性充分体现了本研究中的可折叠式乘波体能够通过改变鸭翼及主翼的形状来获得不同速度范围下的最佳气动性能，发展潜力巨大；本研究可对宽域速度飞行的民用客机的布局选型工作提供参考。

本实施例提供的可折叠式乘波体气动布局包括展开构型及折叠构型，其主要设计思想归纳为：低亚声速起飞着陆以及跨声速巡航(如有)时为展开构型，此时采用小后掠鸭翼以及主翼上的前掠翼，以提高升阻比，改善起降性能；超声速巡航时为折叠构型，此时主翼上的前掠翼绕转轴转动以改变前掠角，紧贴在机身两侧，同时小后掠鸭翼也开始变后掠转动使其后掠角增加，最终鸭翼、主翼同机身形成一个乘波体的构型，非常适合超声速巡航。该布局的两种典型任务构型为：低亚声速及跨声速下的小后掠鸭翼加前掠翼构型以及超声速下的乘波体构型。

一种超声速客机的可折叠式乘波体气动布局的构型变化方法，所述方法采用所述可折叠式乘波体气动布局，所述方法能够根据飞行状态的需求，实现展开构型和折叠构型的相互转变（这两种构型之间的转换关系如图3所示），以实现在不同飞行状态下的最优飞行性能。

实现展开构型到折叠构型的转变方法为：调节鸭翼前缘的后掠角逐渐增加，直至鸭翼的后缘与主翼的前缘平行，并调节前掠翼的前掠角逐渐增加，直至前掠翼的前缘与机身相贴合；此时，鸭翼、主翼同机身形成一个乘波体的构型，即完成从展开构型到折叠构型的转变。

实现折叠构型到展开构型的转变方法为：调节鸭翼前缘的后掠角逐渐减小，直至所述鸭翼后掠角达到15°~22°的范围，并调节前掠翼的前掠角逐渐减小，直至前掠翼的前掠角达到37°~47°的范围。

Claims (8)

1.一种超声速客机的可折叠式乘波体气动布局，包括机身、主翼、边条翼、垂尾、位于所述主翼上的前掠翼、鸭翼和动力装置，其特征在于，所述鸭翼的后掠角以及所述前掠翼的前掠角能够调节；通过调节所述鸭翼的后掠角以及所述前掠翼的前掠角能够使所述乘波体气动布局呈现展开构型或折叠构型；

所述展开构型的展弦比能够达到6.0以上，适用于低亚声速起飞、着陆以及适用于跨声速巡航；

所述折叠构型为乘波体的构型，适用于超声速巡航。

2.根据权利要求1所述一种超声速客机的可折叠式乘波体气动布局，其特征在于，所述鸭翼与所述机身连接，具体是通过设置在所述鸭翼翼根的枢轴机构与所述机身的加强框进行连接，在所述枢轴机构上设置转轴孔及转轴，能够通过所述转轴调节所述鸭翼的后掠角。

3.根据权利要求2所述一种超声速客机的可折叠式乘波体气动布局，其特征在于，所述乘波体气动布局从所述展开构型变化为所述折叠构型的过程中，所述鸭翼后掠角从展开状态的15°~22°前缘后掠角增加到折叠状态的70°~78°前缘后掠角，最终实现鸭翼的后缘与主翼的前缘平行，完成折叠过程中鸭翼后掠角的变化。

4.根据权利要求1所述一种超声速客机的可折叠式乘波体气动布局，其特征在于，所述前掠翼与所述主翼连接，具体是通过设置在所述前掠翼翼根的枢轴机构与所述主翼的前翼梁连接，在所述枢轴机构上设置转轴孔及转轴，能够通过所述转轴调节所述前掠翼的前掠角。

5.根据权利要求4所述一种超声速客机的可折叠式乘波体气动布局，其特征在于，所述乘波体气动布局从所述展开构型变化为所述折叠构型的过程中，所述前掠翼的前掠角从展开状态的37°~47°前掠角增加到折叠状态的85°~90°，最终实现前掠翼的前缘与机身相贴合，完成折叠过程中前掠翼的前掠角的变化，在折叠状态，前掠翼前缘与机身没有任何连接，前掠翼始终是连接在主翼上。

6.一种超声速客机的可折叠式乘波体气动布局的构型变化方法，所述方法采用权利要求1-5任一项所述可折叠式乘波体气动布局，其特征在于，所述方法能够根据飞行状态的需求，实现展开构型和折叠构型的相互转变，以实现在不同飞行状态下的最优飞行性能。

7.根据权利要求6所述方法，其特征在于，实现展开构型到折叠构型的转变方法为：调节鸭翼前缘的后掠角逐渐增加，直至鸭翼的后缘与主翼的前缘平行，并调节前掠翼的前掠角逐渐增加，直至前掠翼的前缘与机身相贴合；此时，鸭翼、主翼同机身形成一个乘波体的构型，即完成从展开构型到折叠构型的转变。

8.根据权利要求6所述方法，其特征在于，实现折叠构型到展开构型的转变方法为：调节鸭翼前缘的后掠角逐渐减小，直至所述鸭翼后掠角达到15°~22°，并调节前掠翼的前掠角逐渐减小，直至前掠翼的前掠角达到37°~47°，完成从折叠构型到展开构型的转变。