[发明专利]一种翼伞无人机用新型高效切口翼型及其优化设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种翼伞无人机用冲压翼伞翼剖面，具体涉及到一种翼伞无人机用切口翼型。本发明除了适用于翼伞无人机，也适用于其它冲压翼伞的设计制造。

背景技术

翼伞无人机技术是利用冲压翼伞替代传统机翼，为翼伞无人机提供升力，形成的一类新型无人机。冲压翼伞受到平面形状，开伞特性的因素的限制，不能像传统固定机翼一样进行气动参数优化设计，因此，切口翼型的优化设计成为提高翼伞无人机气动性能的关键，其性能和效率对冲压翼伞的性能具有决定性因素，直接影响冲压翼伞的开伞与翼伞无人机飞行性能。

高性能翼型的研究是冲压翼伞发展的一项基础研究。高升力、低阻力、失速迎角大，最大升阻比高，充气效果好，充气刚度大等是冲压翼伞切口翼型所追求的目标。传统的切口翼型基本是在CLARK-Y与利斯曼7808为基础翼型，进行前缘开口形成，这些切口翼型的升力不够大，失速迎角不够大，而且最大厚度不够大。因此设计一种气动效率高、厚度大的切口翼型十分必要。

由于翼伞无人机的飞行速度很低，通常选择低速翼型，如CLARK-Y或者NACA四位数字翼型改型。早期翼伞的翼型是CLARK-Y，80年代出现一种称为利斯曼的翼型，它有优于CLARK-Y的使用性能滑翔比大约增加0.2～0.4，但气动效率仍然不够好。改进型封闭前缘翼伞，已经不在沿用普通的CLARK-Y翼型，而是采用能减小诱导阻力的LS(1)翼剖面。目前，我国冲压翼伞切口翼型多为在CLARK-Y翼型基础上进行前缘切口设计的翼型。作为冲压翼伞翼剖面，CLARK-Y切口翼型存在以下缺点：

（1）最大弯度位置靠前，容易造成气动载荷沿弦向分布不均匀，主要集中于近前缘处，使得伞绳受力不均匀；

（2）下翼面平直，前缘切口的起点位置在弦线最前缘点之上，容易造成翼伞上表面过早分离，如图1所示；

（3）CLARK-Y切口翼型在小迎角状态失速，失速迎角约为5°，如图2所示，不利于最大升阻比的使用，气动效率降低，同时也使冲压翼伞的俯仰状态控制受到限制。

发明内容

本发明所要解决的问题——克服CLARK-Y切口翼型的不足，设计新型高效切口翼型，该翼型为低速高升力翼型，具有失速迎角大、失速特性好、沿弦向气动载荷分布均匀特点。

本发明的技术解决方案——选择高气动效率的基础翼型，将前缘按一定角度和高度设计前缘切口，并进行前缘切口参数优化设计。

基础翼型选择：选择适合的翼型作为基础翼型是十分关键的,必须同时兼顾空气动力性能和冲压翼伞的结构特点。从空气动力性能方面考虑，要求翼型具有较高的升阻比、平缓失速特性、在操纵后缘下偏状态有较宽的稳定迎角范围；同时兼顾冲压翼伞结构、工艺要求。表1为低速飞行时部分翼型的升组特性（Re=300000,α=6°），数据表明GA(W)-1、E387(A)、E387(C)、E387(E)、Goe 417a、LRN1007(B)具有较高气动效率。

表1 部分翼型的升组特性（Re=300000）

本发明中的基础翼型选择GA(W)-1翼型，主要有以下几个方面原因：

首先，GA(W)-1翼型是由计算空气动力学方法设计的先进高升力翼型。从空气动力性能与几何特征方面讲，具有如下特点：

①上表面前缘半径大，以减小大迎角下负压峰值，并因此推迟翼型失速；

②翼型上表面比较平坦，载荷分布均匀；

③翼型在靠近后缘处下表面有较大的弯度，并具有上下表面斜率近似相等的钝后缘。

其次，从作为冲压翼伞基础翼型几何结构的角度讲，GA(W)-1翼型有如下优点：

①GA(W)-1翼型上下翼面较平坦，气流可以更平缓通过，载荷分布均匀，伞绳受力均匀；

②翼型厚度较大，具有17%的相对厚度。相比而言，传统的CLARK-Y翼伞翼型的相对厚度为11.7%。相对厚度大，充气空间相对大，同时可以提高翼伞充气效率以及充气刚度；

③翼型前缘半径大，气流更不容易分离，伞衣更容易缝精确。

切口翼型切口参数优化设计考虑前缘切口角度和切口高度两个方面。二者是互相关联的，当切口起点位置确定的情况下，则切口角度和切口高度一一对应。