飞机外挂物气动外形优化设计研究

张占龙

中航西安飞机工业集团股份有限公司 陕西西安 710089

【内容摘要】通过CFD计算，对飞机的外挂物安装位置进行优化选型，同时根据计算结果，对外挂物外形进行优化设计，减小外挂物表面气流分离，以减小气动干扰影响，特别是减小飞机阻力系数增量，提高飞机设计性能，获得最优构型。

【关键词】飞机；外挂物；CFD；外形优化；减阻

0 引言

利用现有成熟飞机平台进行加改装，增加相关任务载荷，使之成为特种作业平台，是当前特种飞机发展的重要途径。一般情况下，飞机后期加装特种任务载荷时，受平台原始外形、布局、结构等影响，限制因素较多；特别是一些有着特殊安装需求的任务载荷，需要突出机体表面或外挂于飞机机身/机翼，会对飞机原始气动外形产生较大的影响。

通过CFD计算，对外挂物展开气动外形优化设计，以减小外挂物引起的气动干扰影响，特别是阻力系数增量，使飞机飞行性能影响尽可能减小，获得约束下的最优气动外形。

1 计算方案

1.1 计算模型

根据任务需求，需要加装吊舱部件，如图1所示，在机腹增加机腹整流罩、吊舱及其拉杆桁架、照相舱门，这些部件使得飞机的原始气动外形发生了较大的变化。特别是机腹部位，加装外挂物多，结构复杂，会对飞机的气动特性产生较大的影响，也是本次优化设计的主要方面。

图1 初始模型

1.2 计算网格

本次计算采用结构化网格，并对复杂区域进行网格加密。为保证附面层网格质量，针对附面层区域单独分块并构建加密网格。附面层为“o”型网格拓扑，第一层网格高度为0.002mm，保证y⁺值小于1，如此可保证粘性流动的计算精度，总网格量达到3500万。

2 气动外形优化

2.1 初始修形

根据外挂物基本尺寸包络，对外挂物的外形进行了初步整流修形。吊舱桁架与机身连接处进行圆弧过渡，吊舱前后部进行曲面修形，吊舱及桁架的连接处进行过渡处理。

2.2 吊舱位置选型

对吊舱初选了四个位置，如图2所示。在巡航状态下，对其进行CFD计算，得到各部件阻力增量如表1所示。

图2 吊舱位置方案示意图

表 1 四种构型阻力系数计算结果(×10^-4)

比较Case2和Case1，吊舱离桁架底面越远，阻力系数越大（即吊舱向下移动110mm，吊舱及附件阻力系数增加了0.0004，主要是拉杆长度增加引起的）；比较Case3和Case1，吊舱离机身对称面越近，阻力系数越小（即吊舱中心线离对称面降低450mm，阻力系数降低0.0013，主要是拉杆长度和桁架长度降低引起的）；比较Case4和Case3，Case4中吊舱离机身较近，但是离桁架底面较远，所以阻力系数相对于Case3降低不是很多，约0.0006。

2.3 进一步外形优化

由Case4表面极限流线图可以看出，在侧部天线罩后缘、机腹天线罩后缘、吊舱均出现大小不同的分离，因此在下面的优化环节分别对这三个地方以及平板前后缘进行修型，从而进行减阻优化。

根据上述思路，分别在Case4上进行侧部天线罩后缘、底部天线罩后缘、吊舱的修型，在保证约束的条件下，整流罩越长、越平坦，虽然摩擦阻力略有增大，但压差阻力会明显越小。将吊舱桁架从圆柱截面改为流线型的剖面、侧部天线罩与吊舱挂件均修成梭形、吊舱平板与桁架的接触处修的更加平滑，机腹天线罩与照相舱门进行平滑连接。

对优化后的模型进行计算，得到计算结果如表2所示，表中数据可以看出，此次修形后各个部件的阻力系数都有不同程度的减小，尤其是机腹天线罩和照相舱门的修形效果明显。表面流线可以看出，经过修形，侧部天线罩、机腹天线罩后部的气流分离都有了明显改善，与计算结果相符。

表 2 优化后阻力系数计算结果(×10^-4)

3 结论

1. 本文给出了一种通过CFD数值计算，对飞机外挂物气动外形进行优化设计的思路和方法，对飞机 改型优化气动力设计有指导意义。

2. 本文研究得到的优化外形，对以后飞机外挂物的气动外形设计具有参考价值。

3. 通过对飞机外挂物位置、外形等的优化设计，减小了外挂物表面气流分离，改善了外挂物对全机气动特性的影响，特别是对全机阻力系数的影响，提高了飞机的使用性能，保证了用户的使用需求。

参考文献

[1] 左志成,冯海勇.CFX在军机微小部件优化设计中的应用[J].飞机设计,2006,6(2):41-44.

[2] 王立强,董国国.外挂物干扰流场特性数值仿真研究[J].航空计算技术,2012,42(1):57-60.