创新点说明：论文对高空长航时菱形翼布局无人机的气动特性进行了详细分析，主要对应用于传感器飞机的菱形翼布局进行研究，详细研究了前后翼之间的干扰导致的无人机气动特性的变化以及对总体参数进行调整后对气动特性的变化，深入了解了此构型的气动特性。
研究目的：
对传感器飞机计划中使用的菱形翼布局方案的气动特性进行摸底，明确其布局设计的思路，为工程应用提供依据。
研究方法：
采用数值模拟和理论分析相结合的方法，对高空长航时菱形翼布局飞机的气动特性进行了研究。主要使用求解雷诺平均N-S方程(RANS)方法进行数值模拟，对模型采用的湍流模型为 
模型求解结构网格的技术进行求解。
研究结果：
1）菱形翼布局的前后翼受布局特性的影响其与单独前后翼的气动特性有很大不同，对于前翼来说，后翼有将前翼边界层向后翼输送的能力，对前翼流动分离有抑制作用，虽然前翼同时受到后翼的阻滞作用，但在大部分情况下前翼的气动能优于单独前翼；而后翼受前翼尾流和下洗作用的影响，气动性能严重下降。菱形翼布局无人机的俯仰力矩特性曲线出现非线性特性，其在2度迎角附近的俯仰力矩出现非线性上扬的原因是由于前翼尾流直接扫掠后翼导致后翼流场结构改变而气动效率下降引起的。而在8度迎角附近的俯仰力矩非线性段形成的原因较多，但后翼分离在其中起主要的作用。而菱形翼布局无人机俯仰力矩上仰是由于前后翼分离耦合导致的。平列式菱形翼布局的横航向稳定性均较弱，同时随着迎角的增加，横向静稳定导数有一个由负转正的过程，从保证横航向稳定性的角度来说，平列式布局并不可取。
2）改变翼间距对菱形翼布局的影响具有双重作用，一方面，减少翼间距可以用减少前后翼的掠角，增加菱形翼布局的升力特性；另一方面，翼间距的减少又会导致前后翼耦合作用的加强而降低菱形翼布局的气动性能。由于后翼受前翼尾流直接扫掠影响导致后翼流场结构改变引起的俯仰力矩非线性特征无法通过改变翼间距消除，但选择合适的翼间距可以削弱尾流的强度，减小出现俯仰力矩曲线非线性的强度。改变翼间距可以有效的改善由于后翼分离导致的俯仰力矩非线性问题并将俯仰力矩'上仰'现象出现的迎角范围向后推迟，改善菱形连翼布局飞机的大迎角特性。改变翼间距会对横航向静稳定性的影响较小。
3）改变翼夹角对全机升阻力特性的影响较小，但通过改变前后翼之间的翼夹角可以控制出现俯仰力矩非线性特性出现的迎角以避开使用设计点。改善由于前翼尾流直接扫掠后翼导致的俯仰力矩非线性问题。改变翼间距可以优先改善菱形翼布局无人机的横航向稳定性，其中采用负交错布局可提高菱形翼布局无人机的航向静稳定性，而无论正交错布局还是负交错布局均能提高菱形翼布局的航向稳定性。
结论：
通过对高空长航时菱形翼布局无人机的分析可以得到以下结论，在这些结论的基础上，可以提出更加合适的设计构型。
1）首先，前后翼均具有较大的掠角，较大的后掠角虽然可有效提高临界马赫数，但也存在升力系数较小，结构重量大等问题。在研究改变翼间距对菱形翼布局气动性能的影响后可发现，在一定范围内通过改变前后翼的掠角来减少菱形翼布局的翼夹角不能较为明显的提高飞机的气动效率，但可以较为有效的提高飞机的升力特性。由于相同展弦比的机翼，后掠角越大，机翼的真实长度越长，垂直于机翼刚度轴的弦长越小，其弯曲刚度和强度性能救护越差，适当减少翼间距可以特高机翼的强度和刚度，这对采用大展弦比的高空长航时飞机具有非常重要的意义。初始构型前后翼的展弦比仅有11，远小于正常的高空长航时无人机（全球鹰可达25以上），因此如果加大前后翼的展弦比，飞机的气动效率会获得进一步的提升。
2）菱形翼布局无人机的俯仰力矩特性曲线具有非线性特征，前翼尾流对后翼的直接扫略会导致其在一定迎角范围内出现力矩曲线非线性的特征。在初始构型中出现此现象的迎角约为2°，而这一迎角位于飞机的巡航迎角使用范围，这会严重影响飞机的使用。增加翼间距能够缓解此现象，但不能完全避免。类似初始构型的平列式布局无法彻底解决这一问题。而通过改变翼夹角能消除此现象，使用正交错布局可以将菱形翼布局无人机前翼尾流直接流过后翼表面的迎角为调整为负值，而负交错布局可以将此迎角出现的区域向后延伸以避开飞机的巡航迎角，并与由于后翼分离导致的俯仰力矩‘上扬’现象合并减少其控制难度。
3）平列式布局的初始构型横航向稳定性均较弱，如采用此构型可能需要增加横航向安定面或对飞行控制提出更高的要求。当改变翼夹角后，带反角的前后翼起到了垂直安定面的作用，极大的提高了垂直投影面积，飞机呈航向静稳定特性。当采用负交错布局时，上反后掠的前翼起到横向静稳定的作用，而下反前掠的后翼起到了横向静不稳定的作用，随着迎角的增加，前翼尾流对后翼的影响增大，后翼能够提供的正的滚转力矩减小，全机横向静稳定性导数增大。而对于正交错式布局，前翼的下反起到横向静不稳定的作用，而其后掠又起到了横向静稳定的作用，这样前翼下反和后掠起到的作用相互抵消使其能够提供的滚转力矩系数较小，而后翼的特点也与之类似，当前后翼之间有翼夹角时，前后翼之间的干扰本就相对较小，随着迎角的增大，后翼逐渐远离前翼的尾流，前后翼提供的滚转力矩系数会进一步抵消，因此出现了正交错式布局横向静稳定性较差的特点。所以从保证横向稳定性的要求的前提下飞机应选择负交错布局。
4）将菱形翼布局应用于高空长航时无人机的一个重要优势在于菱形布局可以增大机翼的临界马赫数，推迟激波的产生时间，减小了高亚声速时的波阻，使采用此布局的飞机的飞行速度较采用平直翼的全球鹰无人机的飞行速度有较大的提高，从而提高菱形翼布局高空长航时无人机的战术灵活性和生存性，因此在进行优化设计研究时有必要提高此构型飞机的巡航马赫数。
关键词：菱形翼布局；高空长航时；数值模拟；气动特性；总体参数
