一種剛性可變形機翼的研究分析

沈一麒 潘逸飛

近兩年，可變形飛機的研究引起了人們廣泛的關注。目前，人們主要通過改變機翼形狀來提高飛機的飛行效率，使飛機的飛行性能達到最佳。

變形機翼研究的材質(zhì)可分為剛性和柔性，研究的變形種類有角度、翻轉(zhuǎn)、折疊及伸縮等。折疊的方向有縱向和橫向。

我們提出了一種剛性橫向可折疊機翼飛機的設想，通過改變機翼展弦比，研究其安定性、氣動性、機動性等方面的性能，力求充分利用飛機飛行中的各種有利資源，減少能源消耗。

一、研究方法

本文通過文獻法、仿真模型實驗法和電腦模型實驗法進行研究。電腦模擬實驗利用“坎巴拉太空計劃”進行。

二、設計原理

1.升阻比

飛機的升阻比是評定飛機空氣動力特性、表示飛機氣動效率的一個重要參數(shù)。它是指飛行器在飛行過程中，處于同一迎角位置時所受的升力與阻力（即升力系數(shù)與阻力系數(shù)）的比值。其比值與飛行器迎角、飛行速度等參數(shù)有關。

升阻比曲線表示升阻比與迎角的關系。當飛機以最大升阻比飛行時，其氣動效率最高。升阻比最大時對應的飛行迎角一般被稱為有利迎角。升阻比越大，飛機的空氣動力學性能越好。

2.空氣動力性能曲線

空氣動力特性是指作用在飛行器上的空氣動力和空氣動力力矩隨飛行器幾何外形、飛行姿態(tài)、飛行速度、大氣密度等參數(shù)的變化規(guī)律，是分析飛行器性能的依據(jù)。為了便于形象地觀察升力系數(shù)、阻力系數(shù)和升阻比隨迎角連續(xù)變化的趨勢和全貌，可將空氣動力特性做成空氣動力性能曲線圖。

3.展弦比

翼展是指機翼左、右翼尖之間的長度，翼弦是指機翼沿機身方向的弦長，弦長參數(shù)為平均幾何弦長。展弦比是翼展與平均幾何弦長的比值，也可以是翼展的平方與機翼面積的比值。

三、設計方案和實驗準備

1.設計構(gòu)想

設想的剛性橫向可折疊機翼飛機的折疊比例為50%、25%、12.5%，共有6種（向上、向下各3種）折疊模式，再加上不折疊的形態(tài)，一共進行7種類型的實驗。全機翼的飛機展弦比最大，機翼折疊50%飛機的最小。

2.制作仿真模型飛機

網(wǎng)購仿真飛機模型，然后使用123Ddesign建模不同比例折疊的機翼形狀，采用PLA材料3D打印設計的機翼。

隨后拼裝出不同形狀機翼的飛機模型，如圖1。搭配的不同顏色是為了便于后期對實驗進行觀察。

3.制作“風洞”

將大型吹風機固定在椅子上模擬風洞，吹風口連接喇叭形裝置，使吹出的風速保持穩(wěn)定。為了降低外部環(huán)境的影響，實驗在室內(nèi)進行。

將4根魚線的一端分別固定在機身的前、后、左、右4個位置，再將魚線的另一端固定在KT板上。隨后將模型飛機與地面平行，緩慢地垂直下移至打開的“風洞”前的同一位置。用錄像機記錄實驗情況，再統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

四、仿真模型實驗分析

打開“風洞”，將不同折疊比例的模型飛機與地面平行，緩慢垂直下移至“風洞”前的同一個位置，觀察機身的傾斜角度，分析飛機的安定性。

飛機的安定性是指飛機反抗外界擾動、保持原有飛行狀態(tài)能力的特性。圖3是不同折疊比例的飛機在“風洞”打開的情況下機身傾斜的角度。實驗中我們發(fā)現(xiàn)，機翼折疊50%飛機的傾斜角度最大，而且飛行不平穩(wěn)，易出現(xiàn)翻滾的現(xiàn)象。

我們分析數(shù)據(jù)得出，同一架模型飛機在相同的風速、不同折疊形狀下，安定性不同。其中，全機翼飛機的安定性最好，機身的最大傾斜角度為23°，而機翼折疊50%飛機的機身傾斜角度達45°。

比較傾斜角度和展弦比發(fā)現(xiàn)，展弦比大的飛機其傾斜角度最小，機身更穩(wěn)定。

基于上述實驗，得出的結(jié)論是：當飛機水平飛行時，全機翼飛機的穩(wěn)定性最好，最節(jié)約能源。

五、電腦模擬實驗分析

利用“坎巴拉太空系統(tǒng)”設計各種比例折疊機翼的飛機。在系統(tǒng)中模擬真實的地球環(huán)境，將飛機飛行高度控制在3000米左右，飛行速度控制在0.7～1馬赫。計算飛機完成360°滾轉(zhuǎn)需要的時間，研究其機動性。

機翼在折疊的過程中會導致質(zhì)量、剛度重新分配，因此空氣動力會發(fā)生很大的變化。利用“坎巴拉太空系統(tǒng)”軟件FAR空氣動力系統(tǒng)，研究不同比例折疊機翼飛機的有利迎角和升阻比，并將升阻比與展弦比交叉分析。

1.機動性分析

實驗結(jié)果顯示，機翼向上折疊50%飛機的滾轉(zhuǎn)速度最快，全機翼飛機的滾轉(zhuǎn)速度最慢。

大展弦比飛機完成360°滾轉(zhuǎn)需要的時間多，小展弦比飛機的用時少，因此，小展弦比飛機的機動性強。

飛機完成360°滾轉(zhuǎn)用時最少的是機翼向上折疊50%飛機。

2.氣動性分析

使用FAR空氣動力系統(tǒng)比較不同比例折疊機翼飛機的分析圖，模擬飛機起飛時的狀態(tài)（馬赫數(shù)設定為0.2）。

展開全機翼飛機與機翼折疊50%飛機的有利迎角都為5°，但全機翼飛機的最大升阻比接近1.8，機翼折疊50%飛機的最大升阻比為1.5。在有利迎角為5°時，全機翼飛機的最大升力系數(shù)為4，機翼折疊50%飛機的升力系數(shù)為3，兩種飛機所受阻力幾乎相同，因此全機翼飛機的升阻比較大。

由實驗可得：當飛機起飛時或低速飛行時，應完全展開機翼，以獲得最佳氣動狀態(tài)。

模擬飛機高速飛行狀態(tài)（馬赫數(shù)設定為2，相當于兩倍音速）。全機翼飛機的最大升阻比為0.5，而機翼折疊50%飛機的最大升阻比為0.4，差異較小。

全機翼飛機低速飛行時，有利迎角為5°，升阻比大，為1.5，氣動效率較高。機翼折疊50%飛機低速飛行時，升阻比大，氣動效率較高。

由此可得：飛機的飛行速度越慢，升阻比越大，氣動效率越高;飛機的飛行速度越快，升阻比越小，氣動效率越低。

因此，飛機在低速飛行時可完全展開機翼，充分利用氣動效率，節(jié)約能源。在高速且直線平穩(wěn)飛行時，也可考慮全機翼。如需高速且高機動飛行時，建議采用機翼向上折疊50%的模式，減少能耗使用，達到節(jié)能目的。

六、實驗結(jié)論與展望

1.通過仿真模型實驗發(fā)現(xiàn)：在低速飛行時，全機翼飛機的展弦比大，安定性強;反之，機翼折疊50%飛機的展弦比小，安定性相對弱。

2.通過電腦模擬實驗發(fā)現(xiàn)：在發(fā)動機功率相同的情況下，全機翼飛機的展弦比大，滾轉(zhuǎn)最慢;機翼向上折疊50%飛機的展弦比最小，滾轉(zhuǎn)最快，機動性最好。

飛機的飛行速度越慢，升阻比越大，氣動效率越高;反之，飛機的飛行速度越快，升阻比越小，氣動效率越低。

根據(jù)上述實驗結(jié)果，我們設計了一種剛性可變形機翼，它能在變形后改變展弦比，并利用飛機飛行中的各種有利資源。

這種可變形機翼可以實現(xiàn)全機翼和向上折疊50%功能。當飛機低速直線飛行時，采用全機翼的形態(tài)，充分利用氣動效率，節(jié)約能源。在高速且直線平穩(wěn)飛行時，也可考慮全機翼的形態(tài)。如需高速且高機動飛行時，建議采用機翼向上折疊50%的模式，減少阻力，節(jié)約能耗，減少碳排放，達到環(huán)保的目的。

未來可對機翼的材質(zhì)、智能機翼及機翼的形狀方面進行進一步的研究。（指導老師：周智敏）

專家點評

作者首先對飛行原理進行了全面細致的研究，對飛行理論與相關工作有較好的認識，整體的理論研究與設計方案明確。實驗部分能通過模擬游戲“坎巴拉太空計劃”開展大量模擬實驗，減少了不必要的準備工作，提升了工作效率，確保了相關實驗的可行性，實驗驗證思路別出心裁，行之有效。在實際的模型驗證中進行了大量驗證工作，實驗方案全面，驗證效果良好。

建議：應著重體現(xiàn)科學原理在飛行中的作用、重要性以及意義，以便讀者能認同作者之后的研究內(nèi)容;在設計方案中闡明總體目標是什么，每一步設計方案期望完成何種目標，達到何種目的，等等;可先進行模擬實驗再進行實際實驗，并分別給出相應的實驗結(jié)果與分析。

（欄目編輯? 秦銀銀）

張永強? 中學高級教師，湖南省十佳科技教師?？破罩袊?021年十大科普人物獎獲得者，全國校園發(fā)明創(chuàng)意大賽、湖南省青少年科技創(chuàng)新大賽、湖南省創(chuàng)新編程與智能設計大賽、湖南省科學調(diào)查體驗活動評審專家組成員。