[发明专利]一种具有升力面在流体中运动的机械总体气动布局方法

说明书

本发明提供一种具有升力面在流体中运动的机械总体气动布局方法，包括：根据伯努利公式或利用CFD软件求解纳维‑斯托克斯方程，或通过风洞实验、飞行试验，获得机翼翼型的载荷分布、气动合力大小和指向与速度方向关系，反向布局机翼翼型的前后缘，使翼型倒相180度，计算全机零升阻力、诱导阻力；计算全机的升阻比和剩余推力系数；计算飞行性能和操纵性和稳定性及飞行品质。本发明相对改变了翼型或机翼诱导力在飞行速度方向投影分力的指向，在同样向前飞行速度和同样迎角条件下，翼型上的气动合力矢量大小和相对于翼型弦线的方位没有变化，但合力在速度方向上的投影分力方向改变180度，从诱导阻力变成诱导推力，使飞机的总阻力大幅度减小。

技术领域

本发明涉及气动布局设计技术领域，特别地，涉及装有翼型升力面装置的总体气动布局方法；具体而言，涉及一种具有升力面在流体中运动的机械总体气动布局方法。

背景技术

在流体（空气和水）中运动的机械，例如各类飞行器、水中航行器、潜艇等，在人类历史中已经发明和应用了很长时间，应用的场景也十分广泛。飞机、船舰等流体中运动机械为人类出行、经济发展、军事用途提供了一种极其重要的工具。

目前，设计这些运输装置的方法已经较为成熟和完美，尤其是各种在大气中飞行的航空器，问世一百二十年来，有了长足的发展。除了动力系统、材料、航空电子、自动控制、人工智能、通讯技术以外，总体布局也日新月异，其中总体气动布局也有从正常式飞机布局、无尾式布局、鸭式布局、飞翼式布局到最近公布的翼身组合式飞机这样的发展历程，气动布局在总体布局中占有十分重要的地位，气动布局设计的优劣直接关系到整架飞机的性能、效率、经济性和安全性。

为优化性能和提高效率，科学家们首先将研发重点放到了研发机翼翼型上，大学或研究院的科学家研发了成百上千种十分优秀的翼型。满足了多种目的、多种应用场景的需求，其主要目标是增升减阻，增大升阻比。

然而，当前关于机翼翼型这一方面的研究工作几乎达到了上限，潜力几乎已挖净，在增加升力或减小阻力方面进一步提升性能，需要另辟其他路径。

现今通常将总体气动布局定义为：“主要选择翼型、机翼和尾翼的布局形式及其几何参数”。其中，机翼和尾翼的布局形式，还局限于前后位置和高低位置。在飞机设计史中，达芬奇羡慕鸟类能自由地在天空飞翔，他仔细地研究了鸟类之所以能在空中飞翔的原因是由于鸟类有翅膀。他断言：如果人类能够设计出一种机械，上面具有类似鸟翅膀的装置，还有保证能稳定飞行的尾巴放在后面，借助这种人工机械，人类就可能实现飞天梦想。达芬奇于是设计出了人类第一架仿鸟固定翼飞机，参见附图1所示。

图1中展示了达芬奇的飞机与鸟的外形和500多年后现代固定翼飞机相似的外形。尽管时间过去了500年，但是，现在正常式固定翼飞机的大致结构、布局（机翼与机身和尾翼的相对位置，和鸟类翅膀、鸟身和尾巴的前后排列，机翼与鸟翼前后缘的位置、方向）几乎完全相似！特别是机翼与鸟翼前后缘的位置（即相对方位）500年以来从来没有变化。在达芬奇之后，英国航空先驱，空气动力学奠基人克雷（1773-1857）于1853年提出了现代固定翼飞机的原理，指出：固定翼飞机必须拥有独立的产生升力的机制、独立产生推力的机制和独立的控制面。目前固定翼飞机的布局，来源于模仿鸟类翅膀飞行。36年之后，德国工程师李林达尔（1848年- 1896年）于1889年写成著名的《鸟类飞行──航空的基础》一书，论述了鸟类飞行的特点，指出机翼也要像鸟翼那样具有弓形截面才能获得更大的升力，从而肯定了曲面翼的合理形式。

对比现代的所有正常式固定翼飞机，在总体气动布局的翼剖面前后缘相对于机身的前后方位，与500年前的达芬奇飞机是相同的，没有改变，这是一种惯性思维，认为前人模仿鸟类摆放机翼前后缘的方式是天经地义的，合理的，不会出错的，也从来没有人质疑这种沿用了五个世纪的习惯布局有无害处。