試驗氣動力

物體與空氣作相對運動時作用在物體上的力，簡稱氣動力。它由兩個分布力系組成：一是沿物體表面面元法線方向的法向分布力系，另一是在表面面元切平面上的切向分布力系。空氣動力通常就是指這兩個力系的合力。

試驗氣動力通過風洞試驗等試驗獲得的氣動力數據，與理論氣動力相對應。無論是試驗氣動力，還是理論氣動力，載荷的變化與機動飛行過程對應。套用試驗氣動力進行機動飛行過程計算更為。

基本介紹

• 中文名：試驗氣動力
• 外文名：Aerodynamic test
• 一級學科：航空航天
• 二級學科：空氣動力學
• 獲取方式：風洞試驗等
• 氣動力：又稱空氣動力

氣動力

物體與空氣作相對運動時作用在物體上的力，簡稱氣動力。它由兩個分布力系組成：一是沿物體表面面元法線方向的法向分布力系，另一是在表面面元切平面上的切向分布力系。空氣動力通常就是指這兩個力系的合力。以飛行器(如飛機)為倒，為便於對飛行器的運動規律進行分析，通常取一個原點位於飛行器重心的氣流坐標系，將空氣動力分解為三個方向上的分量。設坐標系的x軸平行於氣流方向且正向與氣流方向相反，y軸在飛行器對稱面內與x軸垂直且正向指向飛行器上方，z軸垂直於xy平面，指向右翼，則合力在x、y、z三個軸上的分量分別稱為阻力、舉力和側向力。若空氣動力作用點與飛行器重心不重合，則飛行器還受到一個合力矩的作用，它在x、y、z三個軸上的分量分別稱為滾轉力矩、偏航力矩和俯仰力矩。飛行器所受的空氣動力與它的飛行速度、高度和飛行姿態有關。空氣動力的分布和大小是飛行器結構和強度設計的依據，而且關係到飛行器的飛行性能、操縱性能和穩定性。空氣動力學的一個主要任務就是確定飛行器的空氣動力。確定空氣動力需要知道空氣的性質和運動規律。相應於低速流動、亞聲速流動、跨聲速流動、超聲速流動、高超聲速流動、稀薄氣體流動和高溫氣體流動等不同情況，空氣動力的分析有不同的理論和實驗方法。

縱向機動飛行載荷分析

在飛行器設計中，載荷是進行結構設計和分析的基礎。在各種載荷中，飛行載荷是其中的重要部分。現代飛機由於在高速度、低重量和高機動性等方面的要求，結構的柔性越來越大，氣動彈性效應越來越明顯。因此飛行載荷的計算必須考慮氣動彈性變形的影響。

飛行載荷分析必須基於某些特定的飛行狀態，即首先要進行機動模擬，根據不同狀態下的各個運動參數進行全機、部件的飛行載荷計算，進而從眾多的狀態中選擇出嚴重的載荷狀態，用於結構分析和結構設計.因此機動模擬的準確與否對飛行載荷分析有著重要的作用。

國外飛行載荷分析領域發展了一種基於非線性氣動力的飛行載荷分析方法，可以對指定的飛行狀態進行飛行載荷分析，但不能模擬飛機的機動飛行過程。國內一些單位進行機動飛行載荷分析時，採用修正後的氣動導數計算機動飛行過程，並且不考慮飛行載荷在機動飛行過程中的變化過程，只針對某些狀態進行機動飛行載荷的計算和分析。

嚴德等基於非線性風洞試驗數據(簡稱試驗氣動力)同步進行縱向機動飛行過程和機動飛行載荷的計算與分析，採用曲面樣條函式插值將剛性氣動力擬合成關於迎角、全動平尾偏度的二元函式，並套用於求解飛機機動飛行過程中。同時，在機動飛行的各個時刻，引入結構彈性變形的影響，採用準靜平衡假設，基於試驗氣動力的壓力分布進行全機飛行載荷的靜氣動彈性修正。另外，也採用偶極子格網法計算氣動力(簡稱理論氣動力)，並與基於試驗氣動力的機動飛行載荷計算結果進行了比較。

通過使用曲面樣條將試驗氣動力引入到機動飛行載荷計算與分析，以及與基於偶極子格網法的線性氣動力理論結果的比較，可得出以下結論：①無論是試驗氣動力，還是理論氣動力，載荷的變化與機動飛行過程對應。套用試驗氣動力進行機動飛行過程計算更為合理;②在同樣的舵面輸入條件下，由於全機剛性氣動力係數的差異，基於兩種氣動力的機動飛行模擬過程差別較大，這會直接影響到機動飛行載荷的計算和分析；③由於氣動力分布的差異，與試驗氣動力相比，基於理論氣動力的部件機動飛行載荷的變化趨勢可能不一致，甚至相反；④由於氣動力引起的結構彈性變形不同，對全機進行靜氣動彈性的修正也可能不一致。因此，要獲得合理的機動飛行過程和準確的機動飛行載荷，必須使用風洞試驗數據。

彈性飛機舵面效率分析

現代飛機對於低結構重量的追求，勢必導致其氣動性能及操縱性、穩定性的較大幅度變化。受到結構彈性變形的影響，飛機的舵面操縱效率也會有較大程度的下降，甚至在大動壓情況下出現操縱反效現象。舵面操縱效率還和飛機的飛行品質緊密相關。因此，研究包括舵面操縱效率在內的靜氣動彈性問題具有重要的理論和實際價值。

目前，常用的飛機靜氣動彈性回響分析方法中，通常有兩種氣動力可供使用，一種是平板氣動力理論計算結果，另一種是外部試驗氣動力，兩者均通過與線性結構進行耦合考慮結構彈性變形對於氣動力的影響。前者分析效率高，但計算精度低;後者需要準備大量的外部試驗氣動力，但計算精度高。這兩類分析方法已經在飛機的縱向、橫側向飛行載荷分析中得到廣泛套用，並得出了不少有益的研究結果，但是有關氣動力線性與非線性對舵面操縱效率影響的文章還不多見。此外，也很少見到有關舵面操縱效率、舵面反效與翼面載荷、壓差分布、氣動壓心和飛行迎角之間關係的研究文獻。

邵珂以某飛機為分析對象，基於非線性試驗氣動力和線性理論氣動力開展氣動導數和飛行載荷分析，重點研究氣動力類型、飛行動壓和迎角等參數對舵面操縱效率的影響，並分析舵面操縱效率、舵面反效與翼面彈性載荷、彈性壓差分布以及彈性氣動壓心之間的關係。

套用線性理論氣動力和非線性試驗氣動力對某飛機進行了考慮結構彈性變形的氣動導數和飛行載荷計算，分析了氣動力線性與非線性對飛機副翼效率及平尾效率的影響，並重點考慮了飛行動壓、迎角對舵面操縱效率的影響，研究了舵面操縱效率、舵面操縱反效與翼面彈性載荷、彈性壓差分布以及彈性氣動壓心之間的關係。通過研究得到如下結論：

（1）基於線性理論氣動力的計算結果與基於非線性試驗氣動力的計算結果有較大差距。前者所得到的分析結果總是線性的，而試驗氣動力的非線性則會導致分析結果出現較大的非線性趨勢。

（2）基於非線性試驗氣動力的舵面效率分析結果，不但受到飛行動壓的影響，而且還與飛行迎角、舵面偏角有密切的關係。這是與使用線性氣動力方法進行分析有所區別的。

（3）對於副翼這類有與之相連的安定面的舵面，在飛行動壓的增加過程中操縱效率不但會下降，而且在飛行動壓增加到一定數值之後還會出現操縱反效。而全動平尾這類沒有與之相連的安定面的舵面則操縱效率只會下降，一般不會出現操縱反效。

（4）舵面操縱效率、舵面操縱反效與翼面彈性載荷、彈性壓差分布、彈性氣動壓心之間有著密切關係。操縱效率的下降與操縱反效的成因，可以通過翼面彈性壓差分布的分析以及由此產生的彈性氣動壓心變化的分析和翼面彈性載荷變化的分析獲得。