高空长航时无人机作战半径大、留空时间长,具有较高精度的情报获取能力以及较高的生存能力,同时具有使用灵活、成本较低等特点,因此可以情报侦察应用领域中发挥重要作用,具有广阔的应用前景。

图41飞翼布局内翼段翼型气动/隐身综合优化设计后翼型散射电场强度对比

图42 B-2轰炸机中央体外形

高空长航时无人机多采用大展弦比直机翼,机翼气动效率对全机的气动性能和飞行品质具有决定性影响,因此作为机翼剖面的翼型就显得尤为重要。由于飞行高度较高、空气密度小,高空无人机绕流呈现典型的低雷诺数流动特征。例如长航时太阳能无人机（如图43）飞行速度较低,雷诺数在10万量级；美国的“RQ-4全球鹰”（如图31）飞行速度达到马赫数0.6,雷诺数在50万～100万量级。低雷诺数下的层流分离效应是机翼气动特性恶化的主要原因。

图43“太阳神”高空低速无人机

早在20世纪80年代末,美国麻省理工学院（MIT）的M.Drela就发展了XFOIL程序来设计低雷诺数翼型。1995年至今,美国伊利诺伊大学研究发展了一系列的低速低雷诺数翼型（如图44）,并通过试验给出了这些翼型在雷诺数为3万～50万时的气动特性。近几十年来,包括美国、欧盟、俄罗斯、日本、韩国等国家和地区的多家研究机构在低雷诺数翼型气动性能和翼型气动设计方面开展了大量研究,有力支撑了高空无人机的研究与发展。

图44伊利诺伊大学测试的34个低速低雷诺数翼型

尽管现在发展了一系列的低雷诺数翼型,但大多数高空无人机并没有直接选用现有公开翼型,而是采用针对具体型号专门设计的翼型。例如“RQ-4全球鹰”,其配置的翼型为专门设计过的低雷诺数层流翼型LRN-1 015,具有高的升阻比和良好的综合性能。

随着高空无人机的发展,国内针对低雷诺数翼型流动机理与优化设计开展了大量研究。王科雷等针对所设计的某高空低速太阳能无人机的翼型,分析了不同雷诺数对翼型气动性能的影响机理,为低雷诺数翼型设计提供了理论参考；后来以NACA0012翼型为研究对象,认为上表面的边界层形态是影响翼型在低雷诺数条件下气动性能的关键,并根据该设计思想,开展了低雷诺数翼型优化设计。司江涛等分析了低雷诺数流动的特点,结合理论分析和工程设计经验,从压力分布出发,重点放在边界层转捩点位置的控制上,提出了高亚声速低雷诺数翼型的设计思想,并以此为指导对C07翼型进行了初步设计。王皓田等研究了S1223翼型在不同雷诺数、不同迎角下的流场变化情况,分析了翼型流动机理及翼型表面分离泡的演化规律。张亚锋等采用遗传算法对低雷诺数翼型进行了优化设计,并且优化结果得到风洞试验验证。陈耀慧等研究了翼型在极低雷诺数下施加电磁控制的效果,发现当电磁力与翼型表面流向一致时,翼型的流动分离被抑制,可以起到增升减阻的效果。陈学孔等开展了单点和多点优化设计,提高了低雷诺数翼型在不同速度下的整体性能。李杰等将遗传算法与反设计的余量修正方法有机结合,进行了低雷诺数高升力和大厚度的翼型设计。高正红等在分析总结稳健性优化设计方法特点的基础上,以混沌多项式展开方法为基础,发展了高效不确定性分析方法,建立了考虑马赫数、雷诺数和升力系数等多参数不确定性的设计模型,开展了高升力自然层流翼型的稳健优化设计。

综上所述,针对高空无人机翼型的设计,早期主要采用基于风洞试验的半经验方法,后来更多采用数值模拟与优化设计技术,主要关注翼型在低雷诺数时边界层分离点和转捩点的控制。此外,低雷诺数条件下,转捩位置的准确预测对低雷诺数翼型设计具有重要影响,发展较精确的转捩预测方法至关重要。

本文节选自：韩忠华, 高正红, 宋文萍, 等. 翼型研究的历史、现状与未来发展[J]. 空气动力学学报, 2021, 39(6): 1−36