如何选择翼型

追风少年

翼型是机翼等翼面的二维截面，对于翼面乃至飞机气动性能都有着重要影响，所以选择翼型是翼面设计的基础和重点。然而在翼型库中每个翼型好像看起来都差不多，该如何选择一个合适的翼型呢?本文将对翼型的主要参数及这些参数的影响做简单讲解，并介绍两款非常有助于翼型选择的软件。
1翼型的主要参数



翼型参数的常规定义

以下参数均为常规定义，部分系列翼型的定义可能与之不同：
弦长c：前缘到后缘距离
最大厚度t：垂直于弦线，上下曲线最大距离。一般以将最大厚度除以弦长，称为最大相对厚度，比如常说某翼型厚度12%，就是说明其最大相对厚度为12%。
最大厚度位置Xt：最大厚度处的X位置，常除以弦长以百分比表示，如某翼型最大厚度位置30%
中弧线：翼型一系列内切圆的圆心连线（如下图）


最大弯度f：中弧线与弦线的最大距离。常除以弦长称为最大相对弯度，如某翼型最大弯度3%
最大弯度位置Xf：最大弯度的X位置，常除以弦长称为最大弯度位置，如某翼型最大弯度位置50%
前缘半径：前缘的曲率半径。
后缘角：翼型上下曲线在后缘的夹角。

2profili软件介绍

Profili是一款实用的翼型计算分析软件，不仅内置两千余种翼型，还可以导入和识别外部翼型，并可以进行多翼型、多雷诺数的分析和比较，满足小型飞机级别的应用绰绰有余。

打开profili，选择一个翼型，就可以清楚的看到其主要几何参数


可见EPPLER 67的最大厚度为11.62%，最大厚度位置31.9%，最大弯度3.65%，最大弯度位置53.1%，如果需要更详细的几何数据，可以点击左上角的“输出”菜单以获得翼型曲线坐标点数据。
profili有三大常用功能：

常用功能一：计算雷诺数

雷诺数是惯性力与粘性力的相对大小度量，雷诺数越小则空气粘性力影响越大。航模的雷诺数普遍在10万到100万之间，这个区域雷诺数的变化对气动力（尤其是阻力）影响很明显，适当增大雷诺数可以减小阻力系数。雷诺数计算公式如下



在一般的应用中，可使用近似公式“6.8万×飞行速度×弦长”计算该翼型处的雷诺数，也可以使用profili提供的雷诺数计算菜单：


输入当地海拔、飞行速度及弦长就可以直接计算雷诺数

常用功能二：多雷诺数分析

此功能可对单个翼型进行多雷诺数分析，以便查看雷诺数对气动性能的影响，可为飞行速度、机翼弦长等参数的选择提供参考。对EPPLER 67翼型在30万和50万雷诺数下进行分析，结果如下





极曲线

在极曲线图中，线条越靠左说明阻力系数越小，线条开口大则说明适用的迎角范围大，曲线的最左侧基本说明了此翼型的设计点，即适合于在哪一个升力系数下使用。从上图中可见，EPPLER 67的适用升力系数在0.6~0.7，这属于该翼型的设计点，且受雷诺数影响小。而阻力系数受雷诺数影响较大，低雷诺数的蓝线基本相对于高雷诺数的红线向右平移了一段距离，也就是达到同样的升力系数时，低雷诺数下翼型阻力系数更大。


相对来说，雷诺数对常用范围内的升力系数影响较小，对阻力系数影响较大。有些翼型的最大升力系数随雷诺数变化较大，如果在所使用的雷诺数范围内，翼型最大升力系数变化值超过0.1，则一般认为这种翼型不适合用在机翼翼尖，否则可能会发生翼尖失速。


翼型的力矩与其升力分布有较强联系，因为雷诺数对升力系数影响较小，所以对力矩系数影响也不会很大

常用功能三：多翼型分析

确定了主要使用的雷诺数范围后，可以使用此功能对不同翼型进行对比，最终在翼型库中选择一个合适的翼型。此菜单最多支持5个翼型在同一雷诺数下进行比较，选择EPPLER 67和ONERA OA209两个翼型在31万雷诺数下进行分析，结果如下：




可以明显看到，黑线（EPPLER 67）的适用升力系数为0.6~0.8，属于高升力翼型，适合追求升阻比和气动效率的重载荷飞机。而红线（ONERA OA209）适用升力系数为0.2左右，属于低升力翼型，适合追求高速的低载荷飞机。在升力系数0.35以上，使用EPPLER 67阻力系数更小，在升力系数0.35以下，使用ONERA OA209阻力系数更小。这张图非常清楚地告诉我们每个翼型都有其适用范围，在其适用范围内可以获得最优的性能。


从升力系数曲线来看，EPPLER 67要比ONERA OA209整体高出很多，同样都是0度迎角时，EPPLER 67升力系数为0.5，ONERA OA209升力系数为0.05。但需要注意一点，两翼型的升力系数曲线斜率基本是相同的，实际上几乎所有的翼型升力系数曲线斜率基本都是一样的，也就是增加相同的迎角，所有的翼型增加的升力系数基本相同。
从阻力系数曲线来看，ONERA OA209在其适用迎角（-1~1度）有明显的阻力改善，这是该翼型专门设计的低阻区域，一旦超过这个区域，阻力系数将会明显增大，所以迎角变化范围较大的机型不适合具有这类阻力特性的翼型。


上图显示了两翼型的升阻比对比，不过翼型升阻比曲线的参考价值不大，因为实际飞机的升阻比是要考虑机身、起落架等部件的，这些部件都会带来不小的阻力，所以单独翼型的升阻比高并不代表全机性能好。
从力矩系数曲线来看，ONERA OA209有一个非常大的优势便是力矩系数极小，基本为0，意味着使用这个翼型的飞机不用付出太大的配平阻力，或者可以直接使用ONERA OA209打造飞翼布局的飞机。相比之下EPPLER 67的力矩系数则要大很多，所有的高升力翼型都会带来不小的低头力矩系数，为了平衡力矩，可能会加长机身、增大平尾、改变平尾安装角，这都是高升力翼型带来的弊端。
3使用XFLR5构造自己的翼型

虽然profili提供有两千余种翼型，在众多翼型网站也能获得很多其他翼型，但有时还是不能完全满足我们的需要，与其在翼型库大海捞针不如根据需要“设计”或构造一款合适的翼型。XFLR5软件就为我们提供了强大的翼型自定义功能。
从profili导出EPPLER 67和ONERA OA209的dat格式数据，并使用XFLR5打开，选择“File”、“Direct Foil Design”。打开“Foil ”菜单，就可以发现丰富的翼型构造功能：


下面我们来简要介绍这些常用的功能：

“Edit Foil Coordinates”
“编辑翼型坐标”


此功能可以直接修改翼型控制点的坐标以修改翼型外形。通过翼型气动分析后可以看出改变局部形状对翼型气动性能的影响。

“Scale camber and thickness”
“编辑弯度和厚度”


如图所示，这个菜单可以修改翼型的最大弯度、最大弯度位置、最大厚度、最大厚度位置。直接找到一个与设计目标契合很好的翼型是很困难的，所以可以利用这个功能，在设计成熟的翼型基础上稍加修改，使其适用升力系数、厚度等符合我们的要求。
这四个翼型参数对翼型性能的影响如下：



“Interpolate Foils”
“翼型融合”

此菜单提供强大的翼型融合（或称为翼型插值）功能，可以选择两个不同的翼型进行融合


如使用EPPLER 67和ONERA OA209这两个截然不同的翼型进行插值融合，设定融合比例后，软件会自动计算出新翼型的弯度、厚度等数据，融合得出的新翼型的外形和性能将介于两者之间。其性能计算如下图，新翼型（绿色虚线）在中等升力系数范围内更加适用，在这个范围内，其拥有比两个原翼型更低的阻力系数和介于两者之间的力矩系数，并且改善了ONERA OA209低阻范围小的缺点。恰当的利用翼型融合可以方便地构造出更全面、更符合要求的翼型。



融合出的新翼型与原翼型极曲线对比



力矩系数曲线对比



阻力系数曲线对比

“Set T.E. Gap”
“设置后缘厚度”


在实际制造中，翼型后缘不可能是厚度为0的尖角，常常是1mm左右或其他厚度的方形后缘。使用这个功能可以构造出更接近于实际形状的翼型并分析其气动性能，该菜单可以设定后缘厚度及翼型后部有多少区域参与外形过渡。

“Set L.E. Radius”
“设置前缘半径”


适当增大前缘半径可提高最大升力系数，提高升力线斜率，有时因为制作工艺的限制，也需要对前缘半径进行修改。本功能可设置前缘半径大小及翼型前部有多少区域参与外形过渡。

“Set Flap”
“设置襟翼”


本功能可以构造具有前缘、后缘襟翼的翼型形状，可以自由设置前后缘襟翼的偏度、襟翼弦长、铰链位置。通过这个功能可以分析翼型的襟翼偏转后对飞机产生的升力、阻力和力矩上的影响。除此以外，此功能也可分析舵面偏转对飞机气动力和力矩的影响。
经过上面的介绍，我们可以总结出翼型选择的基本流程：首先在翼型库选择基础翼型，然后经过修改/构造/融合翼型和翼型气动分析这两个步骤的反复迭代，最终就能生成与我们的设计目标契合最好的翼型。（最后欢迎大家关注公众号“飞行课”）

sunflower2018

很及时[赞同][赞同]感谢感谢，不知道下次更新什么

adccarry

不出意外的话继续做教程，有兴趣了写点别的

FKUAV

飞机配平可以考虑讲一下，我有套图纸做出来一直是低头力矩的[捂脸][捂脸][捂脸]

jctc2011

这种情况有可能是图纸有问题，或者做的时候没有用型架固定平尾安装角，也可能是重心没调好

tanxiao

做了好几架都是这样

斯伯丁

如果平尾安装角还可以改的话，减小一点安装角

DMA340

行

cityboy

原来xflr5的功能这么多，一直还没自己搞过翼型，学习了，好文章！

duo2204

那相对弯度是什么呢

nczhangyun

中弧线上的点到弦线的距离除以弦长就是相对弯度，一般只关注最大相对弯度

追风少年

今天没更新？[害羞]

andyjo

最近太忙了，没来得及，下周一定[捂脸]

lhl428

嗯嗯(*≧ｍ≦*)

3Dking

想问一下x5设计的翼型只能导出dat数据，用什么办法生成cad图么[捂脸]感谢

xiaojunlfdz

直接导入cad不清楚。一般是导入catia，然后catia可以转到cad，我过几天发个文详细说明下

halalahaa11111

麻烦问一下catia是怎么导入这个数据的[好奇]

远洋航空

欧欧好的多谢

小熊爱飞翔

这两个软件在流动分离之后还算得准吗？

loveav

我记得xflr5在攻角增大的时候某一步开始就不收敛了，当时我是认为从一点开始分离