全动水平尾翼转轴后掠角对铰链力矩的影响

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　　摘  要：根据某型机高速风洞测压实验结果，对不同转轴后掠角的全动水平尾翼在不同飞行迎角、马赫数和平尾偏度下的铰链力矩进行了计算，着重研究了全动水平尾翼转轴后掠角对铰链力矩的影响，对平尾偏度、飞行马赫数和攻角的影响也进行了分析。计算结果表明，转轴后掠角对铰链力矩有较大影响，选择合适的转轴后掠角对全动平尾设计至关重要。通过比较，当转轴后掠角在53°～54°范围铰链力矩为最小。
　　关键词：全动平尾;转轴后掠角;铰链力矩
　　中图分类号：TJ410    文献标识码：A       文章编号：1671-2064（2019）24-0000-00
　　0 引言
　　
　　 在满足平尾使用技术条件下，尽量降低全动平尾的铰链力矩，是全动平尾设计的关键技术之一。[1]某型机设计采用斜轴式全动平尾 ，为了满足全机协调设计，提出过多种平尾设计方案，根据现有的高速测压结果，对同一平面外形不同后掠角转轴的全动水平尾翼在不同飞行迎角、马赫数和平尾偏度下的铰链力矩进行了计算，分析研究了转轴后掠角χ、平尾偏度δz、飞行迎角α和M数等对平尾铰链力矩的影响，为平尾转轴位置的选定提供了参考依据。
　　1 平尾外形及计算模型
　　1.1 平尾外形
　　 平尾平面外形如图1所示。
　　1.2 计算坐标及模型
　　 采用局部坐标系。在机身左侧距飞机对称面适当处作一平行于对称面的平面，取左平尾与该平面的交点为左平尾局部坐标系的原点。局部坐标系的X轴向后为正，Y轴向上为正，Z轴向左为正。
　　 为了计算平尾铰链力矩，需建立计算模型。以左平尾为例，沿平尾弦向划分为m块，沿展向划分为n列，将平尾共划分为m×n个面元块（见图2）。严格说来，面元块划分越多则计算的铰链力矩越准确，实际上面元块的划分数量与模型测压点分布有很大关系，划分时要根据具体情况而定。
　　2 计算状态及方法
　　2.1 计算状态
　　 飞行马赫数：M=0.6， 1.15，1.5。
　　 飞行迎角：
　　 α=-4°，0°，4°，6°，8°，10°，12°，16°， 20°（M=0.6）;
　　 α=-4°，0°，4°，8°，10°，12° （M=1.15）;
　　 α=0°，4°，8° （M=1.5）。
　　 平尾偏度：= -5°， -10°，-20°。
　　 平尾转轴后掠角：χ=56°，54°， 53°， 52°，51°， 50°。
　　2.2 计算方法
　　 根据风洞测压实验数据，采用插值、积分方法进行计算，计算采用的基本公式如下：
　　
　　
　　
　　 其中为铰链力矩系数， 为压力系数，为各小块的面积，为各小块形心位置到转轴的距离，为参考面积，为 参考长度，为弦向压心坐标，为展向压心坐标。
　　3 计算结果分析
　　3.1 转轴后掠角影响
　　 图3给出了M=0.6、1.15和1.5，平尾偏度= -10°时平尾转轴后掠角χ对平尾铰链力矩mj的影响曲线。从图（a）可以看出，铰链力矩mj随转轴后掠角χ增大而不断增大，χ=50°时，铰链力矩mj最小;图（b）中，铰链力矩mj随转轴后掠角χ增大而增大，χ<51°以后，压心逐渐向转轴后移动，mj向负方向增大，最小铰链力矩mj介于χ=50°～51°之间。图（c）表明，χ<51°，压心位置几乎位于转轴后，mj绝对值随转轴后掠角χ减小，最小铰链力矩mj介于χ=53°～54°之间。
　　3.2 平尾偏度影响
　　（a） M=0.6，= -10°
　　（b） M=1.15，= -10°
　　（c） M=1.5，= -10°
　　 图4给出了M=0.6、1.15和1.5，平尾转轴后掠角χ=50°时，平尾偏度对铰链力矩mj的影响曲线。从图（a）可以看出，在= -5°～-10°范围，铰链力矩mj随转轴后掠角χ增大而不断增大，当= -20°、α<10°时，压力中心急剧移向平尾转轴后，铰链力矩mj反向。从图 （b）、（c）看出，铰链力矩mj随平尾偏角 增大而向负方向增大。
　　3.3 飞行马赫数影响
　　 图5给出了χ=50°、= -5°、-10°、-20°时，M对铰链力矩mj的影响曲线。从图看出，= -5°时，铰链力矩mj随M增大而减小，压力中心逐渐靠近转轴，当> -5°时，铰链力矩mj随M增大而向负方向增大，压力中心移至转轴后。
　　3.4 飞行迎角影响
　　 从图3可见，在一定平尾偏度下，在亚声速时，各后掠角χ下的铰链力矩mj随α增大而减小。跨声速时，χ≥56°，除α=-4°外，铰链力矩mj随α增大而下降。χ<56°，在α=0°～-4°，铰链力矩mj随α而增大，0°<α≤8°，铰链力矩mj随α增大而下降。当α>8°、χ<53°，铰链力矩mj随α增大而逐步回升。超声速时，α<4°、χ<53°，铰链力矩mj随α增大而负值增大，α>4°，铰链力矩mj随α增大而减小。
　　（a） M=0.6，χ=50°
　　（b） M=1.15，χ=50°
　　（c） M=1.5，χ=50°
　　
　　（a） χ=50°，= -5°
　　
　　（b） χ=50°，= -10°
　　
　　（c） χ=50°，= -20°
　　4 结论
　　 本文根据风洞测压实验结果，对同一平面外形不同后掠角转轴的全动水平尾翼，在不同飞行迎角、马赫数和平尾偏度下的铰链力矩进行了计算，分析研究了转轴后掠角χ、平尾偏度δz、飞行迎角α和M数等对平尾铰链力矩的影响，为平尾转轴位置的选定提供了参考依据。结果表明，后掠角对铰链力矩影响较大，该平尾转轴位置适宜在后掠角χ=53°～54°范围，此时产生的平尾铰链力矩为最小。
　　参考文献
　　[1] 《航空气动力手册》编写组.航空气动力手册：第一册[M].北京：国防工业出版社，1983.6.
　　[2] 《航空气动力手册》编写组.航空气动力手册：第二册[M].北京：国防工业出版社，1983.6.
　　[3] 孔德永，吳桂馥.舵面铰力矩的估算[J].空气动力学学报，2005，23（2）：263-266.
　　收稿日期：2019-11-28
　　作者简介：唐小波（1979—），男，四川绵阳人，硕士，高级工程师，研究方向：飞机总体设计。
　　图已经改到最清楚了，作者回复先这样排
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