孫愷，楊旭東，趙博偉，宋文萍，張華

（1.西北工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院，西安 710072）

（2.中國航空工業(yè)集團(tuán)有限公司特種飛行器研究所，荊門 448000）

0 引言

大型重載飛艇具備優(yōu)良的安全性、較大的有效載荷、超長航時(shí)與超遠(yuǎn)航程、垂直起降功能等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，民用領(lǐng)域可應(yīng)用于貨物運(yùn)輸、起重吊裝、搶險(xiǎn)救災(zāi)、旅游觀光、資源勘探、氣象預(yù)報(bào)、環(huán)境監(jiān)察等用途，軍事領(lǐng)域可應(yīng)用于執(zhí)行遠(yuǎn)程預(yù)警、長期監(jiān)視與戰(zhàn)場(chǎng)偵察、后勤保障與空中運(yùn)輸?shù)热蝿?wù)?，F(xiàn)代重載飛艇廣泛采用浮升一體化設(shè)計(jì)，結(jié)合一系列固定翼飛機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)，充分利用艇身產(chǎn)生的氣動(dòng)升力，以改善飛艇的控制特性。

浮升一體化飛艇是一種將浮力與氣動(dòng)升力結(jié)合的新型浮空器，浮升氣體產(chǎn)生的浮力提供總升力的60%～70%，其余部分由飛艇升力體在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的氣動(dòng)升力提供。浮升一體化飛艇相比傳統(tǒng)旋成體艇身飛艇具有更高的升阻比特征，采用此類布局能夠改善飛艇操縱性、穩(wěn)定性，減小飛艇體積和長寬尺寸，使飛艇具備優(yōu)秀的長航時(shí)飛行能力和升力控制能力。隨著飛艇應(yīng)用場(chǎng)景及任務(wù)要求的多元化與復(fù)雜化，進(jìn)一步提升傳統(tǒng)飛艇綜合性能的需求日益增強(qiáng)，浮升一體化飛艇布局研究也得到了廣泛重視，其關(guān)鍵難題是綜合考慮艇身體積、幾何尺寸、艇身結(jié)構(gòu)布置等復(fù)雜多約束要求的浮升一體化飛艇外形高升阻比氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

針對(duì)飛艇增升減阻、新型布局設(shè)計(jì)等關(guān)鍵氣動(dòng)問題，國內(nèi)外開展了系統(tǒng)性的研究工作。例如，T.Lutz等進(jìn)行了LOTTE飛艇模型的風(fēng)洞試驗(yàn)，得到了不同攻角工況下LOTTE飛艇氣動(dòng)特性的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；V.Nejati等以阻力系數(shù)最小為目標(biāo)，通過遺傳算法在不同雷諾數(shù)范圍內(nèi)對(duì)飛艇艇身 外 形 進(jìn) 行 了 優(yōu) 化 計(jì) 算；T.Kanikdale等針 對(duì)GNVR艇型，對(duì)其艇身外形的阻力系數(shù)、飛艇體積和飛艇表面積開展了多學(xué)科優(yōu)化，并給出了相應(yīng)結(jié)果；B.Buerge設(shè)計(jì)了一套數(shù)值模型，比較了浮升一體化飛艇與傳統(tǒng)旋成體艇身飛艇在常規(guī)持續(xù)性留空監(jiān)視任務(wù)中的優(yōu)缺點(diǎn)；A.D.Andan等利用CFD數(shù)值模擬方法和風(fēng)洞試驗(yàn)方法初步評(píng)估了帶翼飛艇與傳統(tǒng)飛艇的升阻力特性和操縱穩(wěn)定性，同時(shí)研究了飛艇各翼面幾何參數(shù)對(duì)帶翼飛艇氣動(dòng)特性的影響；D.O.Shaw參考翼傘設(shè)計(jì)了一款火星翼傘飛艇，兼具了飛艇長時(shí)間留空特點(diǎn)和翼傘操縱穩(wěn)定性特點(diǎn)，預(yù)期未來能夠成為高效執(zhí)行火星探索任務(wù)的必要設(shè)備；J.K.Bock等論證了凸透鏡形艇身布局在重心控制、載荷布置、側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性等方面的優(yōu)勢(shì)；M.Muregaiah等建立代理模型對(duì)三體飛艇的阻力系數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)合粒子群算法與遺傳算法以阻力最小為目標(biāo)對(duì)三體飛艇進(jìn)行外形優(yōu)化。

國內(nèi)也對(duì)飛艇氣動(dòng)特性和外形優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。解亞軍等在NF-3低速風(fēng)洞對(duì)一組不同長細(xì)比飛艇進(jìn)行了測(cè)力實(shí)驗(yàn)，分析并給出了不同飛艇在十字形尾翼和X形尾翼下的氣動(dòng)特性；張丹等對(duì)雙軸橢球體飛艇進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了不同攻角下艇身表面摩擦阻力系數(shù)、壓力分布以及分離流動(dòng)規(guī)律；WANG Xiaoliang等對(duì)致遠(yuǎn)1號(hào)飛艇的氣動(dòng)特性進(jìn)行了風(fēng)洞模型測(cè)力實(shí)驗(yàn)，分析了不同布局、不同流動(dòng)條件下飛艇的氣動(dòng)特性并給出了減小阻力的外形改進(jìn)建議；曹鵬鈞等基于CFD技術(shù)采用試驗(yàn)設(shè)計(jì)和響應(yīng)面法相結(jié)合的方法對(duì)某雙體飛艇艇身進(jìn)行了氣動(dòng)外形優(yōu)化設(shè)計(jì)；馬東立等利用CFD方法計(jì)算分析了帶翼飛艇全艇、機(jī)翼等各部件的動(dòng)導(dǎo)數(shù)，并與常規(guī)飛艇進(jìn)行了比較；孟軍輝等提出了一種基于高升力翼型的組合艇身浮升一體化飛艇氣動(dòng)布局，并利用CFD方法評(píng)估其氣動(dòng)性能，表明該布局具有優(yōu)良的氣動(dòng)性能和總體性能；楊躍能等設(shè)計(jì)了一種以僧帽水母為仿生對(duì)象的飛艇艇囊氣動(dòng)外形，經(jīng)過評(píng)估，其與常規(guī)氣動(dòng)外形相比升阻比大幅提升；韓慶等提出了一種在兩個(gè)常規(guī)流線型艇囊中間加一段機(jī)翼的聯(lián)翼式布局設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)、氣動(dòng)分析、參數(shù)敏感性分析，初步驗(yàn)證了該方案的可行性；周萌等對(duì)雙囊體飛艇布局方式進(jìn)行氣動(dòng)特性分析，證明雙囊體飛艇升阻比比單囊體飛艇大，并進(jìn)一步研究了囊體距離和攻角對(duì)飛艇氣動(dòng)特性的影響。

重載浮升一體化飛艇概念雖已驗(yàn)證多年，各國機(jī)構(gòu)也都推出了眾多驗(yàn)證機(jī)，但至今仍沒有一款該類型飛艇投入實(shí)際運(yùn)營?？v觀國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，浮升一體化飛艇研究的重點(diǎn)逐漸由流動(dòng)機(jī)理、流場(chǎng)結(jié)構(gòu)研究轉(zhuǎn)向多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)、高升阻比布局設(shè)計(jì)研究。建立新概念高升阻比艇身布局帶來的收益顯著，可以有效提高飛艇的運(yùn)載能力和續(xù)航時(shí)間，必將成為未來飛艇進(jìn)入航運(yùn)市場(chǎng)的重要突破口。

綜上所述，針對(duì)飛艇高升阻比布局設(shè)計(jì)的難度及復(fù)雜約束性要求，通過艇身參數(shù)優(yōu)化、流動(dòng)控制及新概念艇身布局構(gòu)建的角度，本文嘗試開展浮升一體化飛艇艇身外形高升阻比布局氣動(dòng)設(shè)計(jì)研究，通過提出中央翼、邊條增升與端板式中央翼身等多種艇身布局形式，探討關(guān)鍵幾何參數(shù)表征與升阻比特性的影響關(guān)系，提出滿足工程實(shí)用要求的浮升一體化飛艇艇身高升阻比布局形式，以期為新概念大型重載浮升一體化飛艇研發(fā)提供技術(shù)支持和研究思路。

1 數(shù)值方法

1.1 控制方程和湍流模型

流場(chǎng)控制方程為雷諾平均N-S方程（RANS），RANS方程在結(jié)構(gòu)網(wǎng)格上進(jìn)行離散，保證物面第一層網(wǎng)格無量綱高度y＜1，以正確模擬附面層流動(dòng)?？臻g離散方法采用基于有限體積法的格點(diǎn)格式。為減少計(jì)算量，對(duì)于對(duì)稱流動(dòng)，采用對(duì)稱邊界條件。物面采用無滑移絕熱邊界條件。

湍流模型采用k-ω SST湍流模型，該模型是在標(biāo)準(zhǔn)k-ω湍流模型的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，對(duì)k-ω模型的渦黏模式進(jìn)行了修正，考慮了湍流剪切應(yīng)力輸運(yùn)的影響。該模型由于對(duì)分離流動(dòng)的良好預(yù)測(cè)能力，在工程領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。

1.2 數(shù)值方法驗(yàn)證

選用德國斯圖加特大學(xué)的LOTTE飛艇（如圖1所示）進(jìn)行數(shù)值方法驗(yàn)證，LOTTE飛艇氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)完備，是各國進(jìn)行飛艇氣動(dòng)力數(shù)值模擬研究驗(yàn)證的標(biāo)模之一，體積109 m3，長16 m，最大直徑4 m，文獻(xiàn)［22］中給出了艇身母線方程。

圖1 LOTTE飛艇［3］Fig.1 LOTTE airship［3］

為了分析不同網(wǎng)格量下的網(wǎng)格敏感性，生成4組網(wǎng)格，網(wǎng)格量由低到高，計(jì)算LOTTE飛艇在迎角為4°時(shí)的升阻力特性。飛艇為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為減小計(jì)算量，僅對(duì)1/2飛艇進(jìn)行建模計(jì)算，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，如圖2所示，飛艇幾何參數(shù)和計(jì)算狀態(tài)如表1所示，計(jì)算結(jié)果如表2和圖3所示。

圖2 LOTTE飛艇結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格Fig.2 The structured grid of LOTTE airship

表1 LOTTE飛艇幾何參數(shù)和計(jì)算狀態(tài)Table 1 Geometric parameters and calculation status of LOTTE airship

圖3 阻力系數(shù)隨網(wǎng)格量變化曲線Fig.3 The drag coefficient varies with mesh size

從表2和圖3可以看出：阻力系數(shù)的數(shù)值隨網(wǎng)格量的增大先迅速下降，而后趨向平緩，網(wǎng)格3與網(wǎng)格4下阻力系數(shù)的偏差量為0.06%，可見計(jì)算結(jié)果已經(jīng)不再隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加而發(fā)生變化，故可以認(rèn)為，在網(wǎng)格量達(dá)到網(wǎng)格3的269萬時(shí)，已經(jīng)足以正確模擬LOTTE飛艇的氣動(dòng)特性。

采用網(wǎng)格量為269萬的網(wǎng)格3對(duì)LOTTE飛艇在0°～30°迎角下的流動(dòng)情況進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，計(jì)算狀態(tài)與表1中條件相同。將所得氣動(dòng)特性系數(shù)與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖4所示，可以看出：計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好，計(jì)算方法合理可行。

圖4 計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比Fig.4 Contrast between calculated results and experimental data

2 原始艇身構(gòu)型氣動(dòng)特性研究

2.1 原始艇身構(gòu)型模型

某型浮升一體化飛艇數(shù)模如圖5所示，艇身呈扁水滴形，上下對(duì)稱，左右對(duì)稱，縱向剖面外形輪廓為對(duì)稱翼型。將其去除尾翼后的艇身作為浮升一體化飛艇新概念布局研究的原始艇身構(gòu)型，艇身尺寸參數(shù)如表3所示，其力矩參考點(diǎn)位于氣囊形心。原始艇身具備浮升一體化飛艇特征，但最大升阻比僅有2左右，動(dòng)升力占總升力占比較小，氣動(dòng)特性接近傳統(tǒng)飛艇，有較大的提升空間。

圖5 原始飛艇模型Fig.5 The original airship model

表3 原始艇身構(gòu)型尺寸參數(shù)Table 3 Geometric parameters of the original airship hull

2.2 原始艇身構(gòu)型氣動(dòng)特性計(jì)算與分析

由于飛艇為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為減小計(jì)算量，對(duì)1/2艇身進(jìn)行建模計(jì)算。飛艇氣動(dòng)特性計(jì)算采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格量約332萬，飛艇表面網(wǎng)格及對(duì)稱面網(wǎng)格如圖6所示。迎角范圍0～16°，采用k-ω SST湍流模型。飛艇飛行高度3 000 m，飛行速度20 m/s。

圖6 原始艇身構(gòu)型結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格Fig.6 The structured grid of the original airship hull

計(jì)算結(jié)果如圖7所示，可以看出：由于原始艇身外形上下對(duì)稱，艇身的升力系數(shù)在0°迎角時(shí)為0，之后隨迎角增大近似線性增加；零升阻力系數(shù)約為0.017，且阻力系數(shù)在小迎角時(shí)增速較慢，在8°之后開始迅速增大；艇身的升阻比隨迎角增大而上升，在8°左右增速開始趨緩，在迎角為16°時(shí)，原始艇身的最大升阻比達(dá)到2.126。

圖7 原始艇身構(gòu)型升阻力特性Fig.7 Lift and drag efficiency of the original airship hull

3 新構(gòu)型艇身構(gòu)型研究

3.1 艇身翼型改進(jìn)設(shè)計(jì)

原始艇身的縱向剖面輪廓為對(duì)稱翼型，通過對(duì)剖面翼型的優(yōu)化，以期提高最大升阻比。優(yōu)化過程要求保持艇身外形構(gòu)造方式不變，艇身長度、寬度不變，體積、參考面積基本不變，艇身表面積與厚度變化范圍均不超過10%。原始艇身的最大相對(duì)厚度約為28.6%，在常規(guī)翼型之中，NACA4428翼型與之厚度接近，且氣動(dòng)性能較為優(yōu)良，故以此翼型為基礎(chǔ)，進(jìn)行剖面形狀對(duì)飛艇氣動(dòng)性能的影響研究。

在滿足上述艇身長度、寬度、厚度、體積、參考面積等約束條件的前提下，將原模型縱向剖面輪廓曲線置換為NACA4428翼型，再通過調(diào)整每組翼型的控制點(diǎn)改變其上下表面外形，各得到4種模型（將其命名為N1～N4），如圖8所示。

圖8 縱向剖面翼型NACA4428系列艇身模型Fig.8 The NACA4428 airship hull model

以上外形設(shè)計(jì)方案的氣動(dòng)特性計(jì)算均采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格量約360～370萬，飛艇表面網(wǎng)格及對(duì)稱面網(wǎng)格如圖9所示。計(jì)算迎角范圍-6°～12°，采用k-ω SST湍流模型。飛艇飛行高度3 000 m，飛行速度20 m/s。

圖9 NACA4428系列艇身結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格Fig.9 The structured grid of the NACA4428 airship hull

計(jì)算結(jié)果如圖10所示，可以看出：NACA4428系列艇身的氣動(dòng)特性相當(dāng)接近，升力系數(shù)線性增大，均略高于原始艇身，其中N3構(gòu)型的升力系數(shù)最高；4種艇身的阻力系數(shù)與原始艇身相近，零升阻力系數(shù)約為0.017 5。其中N3構(gòu)型的升阻特性最優(yōu)，在迎角10°最大升阻比為2.37，相較原始艇身提升了約11.5%。

圖10 NACA4428系列艇身升阻力特性對(duì)比Fig.10 Lift and drag efficiency of the NACA4428 airship hull

由此可知，在控制艇身各外形關(guān)鍵參數(shù)基本不變的前提下優(yōu)化縱向剖面翼型，艇身升阻性能有所提升，但提升有限，進(jìn)一步提升需放寬尺寸限制及采用新概念布局形式。

3.2 邊條增升艇身構(gòu)型

（1）邊條長度對(duì)艇身氣動(dòng)特性的影響

對(duì)艇身構(gòu)型A（艇身中央翼型由NACA4428調(diào)整控制點(diǎn)得到，最大相對(duì)厚度28%于0.45弦長處）增加邊條，邊條位于艇身兩側(cè)上下表面交界處，邊條前后緣與艇身光滑過渡。將得到的艇身命 名 為Strake-1和Strake-2，Strake-1的邊條長 度為62 m，Strake-2的邊條長度為88 m，二者邊條寬度均為4.7 m，厚度0.65 m，尺寸參數(shù)如表4所示，力矩參考點(diǎn)位于氣囊形心，布局如圖11～圖12所示。

表4 Strake-1和Strake-2艇身構(gòu)型尺寸參數(shù)Table 4 Geometric parameters of Strake-1 and Strake-2

圖11 Strake-1艇身模型Fig.11 The Strake-1 hull

圖12 Strake-2艇身模型Fig.12 The Strake-2 hull

Strake-1、Strake-2艇身構(gòu)型氣動(dòng)特性計(jì)算采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格量約390萬，表面網(wǎng)格如圖13所示。計(jì)算迎角范圍-6°～12°，飛艇飛行高度為3 000 m，飛行速度為20 m/s。

圖13 Strake-1和Strake-2邊條艇身構(gòu)型結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格Fig.13 The structured grid of Strake-1 and Strake-2 hull

計(jì)算得到的升阻力特性曲線如圖14所示，可以看出：在負(fù)迎角狀態(tài)下，邊條增升構(gòu)型的升力特性較差，升阻比小于無邊條艇身A；在0°迎角之后，Strake-1與Strake-2艇身的升力系數(shù)迅速超過無邊條艇身A；而在迎角為-6°～6°區(qū)間內(nèi)，二者的阻力系數(shù)與無邊條艇身A接近，零升阻力系數(shù)約為0.018 8；Strake-1的最大升阻比在迎角為8°時(shí)達(dá)到3.78，Strake-2的最大升阻比在迎角為6°時(shí)達(dá)到4.40，均明顯超過無邊條艇身A的最大升阻比2.37；而Strake-1與Strake-2的對(duì)比，也說明在一定范圍內(nèi)，邊條越長，增升效果越好。

圖14 Strake-1和Strake-2艇身構(gòu)型升阻力特性對(duì)比Fig.14 Contrast between the lift and drag efficiency of Strake-1 and Strake-2

（2）邊條寬度對(duì)艇身氣動(dòng)特性的影響

對(duì)艇身構(gòu)型A進(jìn)行加寬處理并作修形，得到艇身構(gòu)型B，在艇身構(gòu)型B兩側(cè)增加邊條，將得到的艇身命名 為Strake-3和Strake-4，Strake-3邊條寬度4 m，Strake-4邊條寬度2.5 m，二者邊條長度均為80 m，厚度0.65 m，布局如圖15～圖16所示。尺寸參數(shù)如表5所示，力矩參考點(diǎn)位于氣囊形心。Strake-3和Strake-4邊條艇身構(gòu)型結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格如圖17所示。

圖15 Strake-3艇身模型Fig.15 The Strake-3 hull

圖16 Strake-4艇身模型Fig.16 The Strake-4 hull

表5 Strake-3和Strake-4艇身構(gòu)型尺寸參數(shù)Table 5 Geometric parameters of Strake-3 and Strake-4

圖17 Strake-3和Strake-4邊條艇身構(gòu)型結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格Fig.17 The structured grid of Strake-3 and Strake-4 hull

計(jì)算得到的升阻力特性曲線如圖18所示，可以看出：Strake-3與Strake-4的升阻特性在負(fù)迎角狀態(tài)下與無邊條艇身B相近；在0°迎角之后，二者的升力系數(shù)迅速超過無邊條艇身B，而阻力系數(shù)直到6°迎角之后才明顯超過無邊條艇身B，零升阻力系數(shù)約為0.021；Strake-3的最大升阻比在迎角為4°時(shí)達(dá)到4.71，Strake-4的最大升阻比在迎角為6°時(shí)達(dá)到4.36，均遠(yuǎn)超無邊條艇身B的最大升阻比3.53；Strake-3與Strake-4的升阻特性對(duì)比，也說明在一定范圍內(nèi)，邊條越寬，增升效果越好。

圖18 Strake-3和Strake-4艇身構(gòu)型升阻力特性對(duì)比Fig.18 Contrast between the lift and drag efficiency of Strake-3 and Strake-4

以上兩組邊條增升艇身構(gòu)型的計(jì)算結(jié)果表明，邊條對(duì)于艇身模型具有顯著的增升作用。邊條的長度、寬度越大，增升效果越好，且邊條長度的影響程度比寬度更大。但是邊條在增升的同時(shí)也顯著增加了艇身的最大寬度，Strake-3的最大寬度由原始艇身的71.54 m增加到79.54 m，相較原始模型艇身尺寸的差別較大。過長的邊條會(huì)帶來額外的附加重量和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難題，因此將邊條增升艇身布局應(yīng)用于工程實(shí)際時(shí)，應(yīng)結(jié)合飛艇總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)權(quán)衡設(shè)計(jì)邊條的長度和寬度。

3.3 端板式中央翼型艇身構(gòu)型

考慮到艇身寬度尺寸不宜過大，綜合國外幾種重載飛艇新概念布局設(shè)計(jì)，將中央升力體構(gòu)型、扁平式構(gòu)型、中央翼型式構(gòu)型的優(yōu)點(diǎn)互相融合，設(shè)計(jì)端板式中央翼型構(gòu)型，如圖19所示。

圖19 端板式中央翼型艇身構(gòu)型Fig.19 Center airfoil body hull with end-plates

端板式中央翼型構(gòu)型的中部為機(jī)翼段，利用翼型的良好氣動(dòng)特性提供升力。兩側(cè)艇身凸出構(gòu)成端板，使得氣流在流過中部機(jī)翼段時(shí)受到聚攏壓縮，形成中央升力體，多方面因素共同作用，從而獲得更好的升阻特性。

（1）艇身布局設(shè)計(jì)

放寬剖面翼型厚度限制，選定中央翼型段的基本翼型為NACA4420，翼型相對(duì)厚度小于NACA4428，升阻力特性均優(yōu)于NACA4428。控制艇身最大寬度，調(diào)整中央翼型段寬度和相對(duì)厚度，優(yōu)化改善端板位置和高度等多方面因素，獲得四種不同的端板式中央翼型構(gòu)型：上下端板艇身構(gòu)型M1、中央翼型式艇身構(gòu)型M2、下端板艇身構(gòu)型M3和下端板艇身構(gòu)型M4。對(duì)這四種構(gòu)型的氣動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值模擬和對(duì)比分析。

①上下端板艇身構(gòu)型M1的端板沿翼型曲線凸出1.2～2.2 m，后緣凸出部分大于前緣，下表面凸出部分厚于上表面，端板內(nèi)側(cè)垂直于中央翼型段，外側(cè)為近似紡錘體曲面；端板上下邊線以及與翼型段交接位置均作圓滑處理以降低阻力，如圖20（a）所示。

②中央翼型式艇身構(gòu)型M2的整體尺寸相較M1構(gòu)型縮小，取消兩側(cè)端板，在控制總寬度的同時(shí)增大中央翼型段寬度至56 m，兩側(cè)艇身從翼型上下表面光滑過渡為近似紡錘體曲面，如圖20（b）所示。

③下端板艇身構(gòu)型M3的主要尺寸參數(shù)與M2構(gòu)型相同。中央翼型段寬度為56 m，保留下表面端板，并在翼型段前中部相對(duì)厚度較大的區(qū)域增大端板凸出部分高度，使得端板從前緣開始先逐漸加高，再從中段收攏至后緣與翼型段平齊，加強(qiáng)對(duì)下表面氣流的聚攏壓縮作用，以實(shí)現(xiàn)更好的增升減阻效果，如圖20（c）所示。

④下端板艇身構(gòu)型M4相較M3構(gòu)型進(jìn)一步壓縮端板部分的最大厚度至3 m，在控制艇身總體寬度的同時(shí)保證中央翼型段寬度達(dá)到54 m，下表面端板凸出部分的變化趨勢(shì)與M3構(gòu)型相同，先逐步增高至翼型段相對(duì)厚度最大位置，在逐步收攏至與后緣平齊，如圖20（d）所示。

圖20 4種端板式中央翼型艇身構(gòu)型模型Fig.20 Center airfoil body hulls with 4 kinds of end-plates

4種端板式中央翼型艇身構(gòu)型尺寸參數(shù)如表6所示，力矩參考點(diǎn)位于氣囊形心。

表6 端板式中央翼型艇身構(gòu)型尺寸參數(shù)Table 6 Geometric parameters of center airfoil body hulls with end-plates

（2）升阻力特性對(duì)比

計(jì)算狀態(tài)為：迎角范圍-6°～12°，飛艇飛行高度3 000 m，飛行速度20 m/s。4種端板式中央翼型構(gòu)型艇身升阻特性對(duì)比如圖21所示，可以看出：4種構(gòu)型的升阻力系數(shù)曲線的趨勢(shì)基本一致，相同迎角下，上下端板艇身構(gòu)型M1的升力系數(shù)最高，下端板構(gòu)型M4的阻力系數(shù)最大，四者零升阻力系數(shù)均小于0.035。M1構(gòu)型的最大升阻比在0°迎角時(shí)達(dá)到5.44；其次是M3構(gòu)型，最大升阻比在2°迎角時(shí)達(dá)到4.74；M2構(gòu)型的最大升阻比為2°迎角的3.99；而M1構(gòu)型的最大升阻比在4°迎角時(shí)達(dá)到3.95。

圖21 端板式中央翼型構(gòu)型升阻力特性對(duì)比Fig.21 The lift and drag efficiency of center airfoil body hulls with end-plates

上述研究結(jié)果表明：在布局相似，艇身體積（參考面積）、參考長度基本一致的前提下，艇身的寬度和厚度對(duì)最大升阻比有著直接影響。M1的最大寬度為70 m，相對(duì)厚度最小，最大升阻比也最高。同樣是下端板構(gòu)型，67.2 m寬的M3最大升阻比明顯高于60 m寬的M4。同時(shí)，端板也起到了顯著的增升作用，相同寬度下，下端板構(gòu)型M3的最大升阻比明顯超過無端板的M2；而比M2窄了7.2 m的M4，能達(dá)到與M2接近的最大升阻比，也證實(shí)了端板布局具有顯著的增升作用。

3.4 邊條增升艇身和端板式中央翼型艇身性能綜合分析

各艇身構(gòu)型的氣動(dòng)特性（最大升阻比，達(dá)到最大升阻比時(shí)的升阻力）對(duì)比如表7所示，可以看出：在艇身體積（參考面積）、參考長度基本一致的前提下，艇身的寬度與厚度對(duì)最大升阻比有較大影響。同時(shí)最大升阻比的高低并不意味著工程實(shí)用性一定好。例如下端板艇身構(gòu)型M3的最大升阻比高出M4構(gòu)型20%，但M4構(gòu)型此時(shí)的升力卻超過M3構(gòu)型30%，多出的29 kN升力意味著可以裝載更多的人員、貨物與燃油，獲得更強(qiáng)的使用性與經(jīng)濟(jì)性。通過對(duì)比可見，綜合了中央升力體構(gòu)型、扁平式構(gòu)型、中央翼型式構(gòu)型三者優(yōu)點(diǎn)的端板式中央翼型艇身構(gòu)型，以較小的寬度實(shí)現(xiàn)了較高的升阻比。

表7 各艇身構(gòu)型最大升阻比特性對(duì)比Table 7 Comparison of maximum lift to drag ratio among different airship hulls

4 結(jié)論

（1）通過在飛艇艇身兩側(cè)增加邊條，發(fā)現(xiàn)帶邊條艇身增升減阻較明顯，邊條長度和寬度對(duì)增升影響較明顯；與原始艇身構(gòu)型相比，在保證艇身體積不變的約束條件下，所構(gòu)建的四種典型帶邊條艇身構(gòu)型最大升阻比提高近77%～121%。

（2）在保證飛艇艇身體積不變和艇身寬度適當(dāng)控制的總約束條件下，通過構(gòu)建融合式艇身端板，引入艇身高升力體氣動(dòng)布局的設(shè)計(jì)理念，本文提出的端板式中央翼型艇身新氣動(dòng)布局形式，具有較顯著的增升減阻效果。與原始艇身構(gòu)型相比，艇身最大升阻比值從2.13提高到3.95以上，相對(duì)提高了85.4%。

（3）通過艇身精細(xì)化氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)、流動(dòng)控制和升力體理念等多種技術(shù)手段的有效結(jié)合，浮升一體化飛艇艇身高升阻比設(shè)計(jì)是合理可行的。