张桂夫
摘 要
系留气球的球体一般由球身和尾翼组成，尾翼可以增加系留气球在有风情况下的稳定性，进而保证其安全系留。针对尾翼翼型对系留气球的影响，对四种不同尾翼翼型的系留气球进行仿真分析，讨论了翼型厚度和翼型弯度对系留气球升力、阻力和俯仰力矩的影响，进而为系留气球尾翼翼型的选取提供参考。
关键词
系留气球;尾翼翼型;升阻力;俯仰力矩
中图分类号： V273 文献标识码： A
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.15.028
Abstract
The tethered balloon is generally composed of the ball body and the tail. The tail can increase the stability of the tethered balloon under windy conditions，and then ensure its safe tethering.In view of the influence of tail airfoils on tethered balloons，four kinds of tethered balloons with different tail airfoils are simulated and analyzed，and the effects of airfoil thickness and airfoil curvature on lift，resistance and pitching moment of tethered balloons are discussed.This analysis provides a reference for the selection of tail airfoils of tethered balloons.
Key Words
Tethered balloon;Tail airfoil;Lift and drag;Pitching moment
0 引言
系留气球依靠其内部浮升气体升空，可以实现长时间空中驻留。作为一种高性价比的浮空平台，系留气球通过搭载不同种任务载荷广泛应用于预警探测、侦察监视、通信中继、环境观测等领域[1-3]。系留气球的尾翼可以增加系留气球在有风情况下的稳定性，对安全性起着至关重要的作用[4]。为研究尾翼翼型对系留气球的影响，本文应用Ansys Fluent对四种不同尾翼翼型的系留气球进行仿真分析，进而分析翼型厚度和翼型弯度对系留气球升力，阻力和俯仰力矩的影响。
1 仿真分析过程
1.1 模型建立和仿真设置
系留气球在实际使用中通常选用对称翼型，因此本文选用NACA-0014、NACA- 0018、NACA-0022三种不同厚度的对称翼型和NACA-6414非对称翼型作为系留气球的尾翼进行对比仿真。由于在实际应用中系留气球的尾翼为软式结构充气膨胀成型，为方便加工，通常对尾翼翼型末端进行修圆处理，本文模拟中采用在翼型弦长90%处进行修圆，翼型如图1（a）所示。模型建立过程中，左右尾翼分别为上尾翼向两侧旋转120度形成，如图1（b）所示。由于NACA-6414为非对称翼型，在实际模拟中仅作为左右尾翼使用，上尾翼使用NACA-0014翼型代替。
应用Ansys Fluent 软件进行对模型三维流场仿真，采用定常模拟，湍流模型选用k-ε模型[5]，来流速度选取V=20m/s，来流攻角从-8～16度，每2度计算一个工况，采用SIMPLE求解器进行求解。同一种翼型模拟中的来流攻角采用Ansys参数化设置，可一次性模拟多个工况。
1.2 结果分析
以尾翼翼型NACA0018，来流迎角10度工况为例，提取流场压力分布和速度分布如图2所示。
可以看出系留气球尾翼对系留气球表面压力分布和流场速度分布都有很大影响，为明确尾翼翼型的具体影响情况，提取不同翼型情况下的升力系数、阻力系数和升阻比曲线如图3所示。
从图3中可以看出，在所选择的迎角范围内，所有翼型的升力系数均随迎角增加成线性递增趋势，对于所选取的三种翼型对称翼型，在不同迎角下的升力系数差距均较小，在4%以内，而选用NACA-6414翼型的升力系数则明显大于三种对称翼型。对于三种不同厚度的对称翼型，阻力系数则有明显的差距，随着翼型逐渐变厚，阻力系数逐渐增加，尾翼翼型为NACA-0014的阻力系数与尾翼翼型为NACA-0022翼型的阻力系数最大差距可达20%。选用NACA-6414翼型的阻力系数在来流迎角小于0度时小于三种对称翼型，但是随着来流迎角逐渐增加，阻力系数迅速增大。这种升力和阻力的影响规律也导致升阻比的不同，对于对称翼型，随着翼型变厚，系留气球升阻比的绝对值逐渐变小，而选用NACA-6414翼型的升阻比在角度较小时远大于三种对称翼型，但当迎角大于5度左右时逐渐变小。
气动力的俯仰力矩体对系留气球在有风情况下的俯仰稳定性有很大影响，提取作用在系留气球上的气动力相对于原点（系留气球头部）的俯仰力矩系数如图4所示，其中正值代表低头力矩，负值代表抬头力矩。
从图4中可以看出，四种翼型的尾翼所产生的俯仰力矩均随着来流攻角增加成线性递增趋势，即均有使系留气球保持静稳定的趋势。其中三种对称翼型对俯仰力矩的影响差距较小，而当尾翼选用NACA-6414翼型时，所产生的俯仰力矩系数明显大于三种对称翼型尾翼。
2 结论
经以上分析表明：
a）系留气球的尾翼采用不同厚度的对称翼型时，对系留气球的升力系数影响较小，但对阻力系数影响较明显，随着翼型厚度增加，阻力系数有明显增加趋势。
b）NACA-6414非对称翼型相对于对称翼型可以使系留气球的升力系数明显增加，但随着攻角增加，也使阻力系数相应增加。
c）四种翼型的尾翼所产生的俯仰力矩均随着来流攻角增加成线性递增趋势，均可使系留气球保持静稳定。其中三种对称翼型对俯仰力矩的影响差距较小，而当尾翼选用NACA-6414翼型时，所产生的俯仰力矩系数明显大于三种对称翼型尾翼。
系留气球的尾翼对系留气球的安全性具有至关重要的影响，本文仅对尾翼翼型的厚度和弯度对系留气球的升力、阻力和俯仰力矩進行分析，在实际使用中还需进一步结合稳定性分析等来判断翼型对系留气球实际使用的影响。
参考文献
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