一種剛性可變形機(jī)翼的研究分析

沈一麒 潘逸飛

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

變形機(jī)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(jī)翼飛機(jī)的設(shè)想，通過改變機(jī)翼展弦比，研究其安定性、氣動(dòng)性、機(jī)動(dòng)性等方面的性能，力求充分利用飛機(jī)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(xiàn)法、仿真模型實(shí)驗(yàn)法和電腦模型實(shí)驗(yàn)法進(jìn)行研究。電腦模擬實(shí)驗(yàn)利用“坎巴拉太空計(jì)劃”進(jìn)行。

二、設(shè)計(jì)原理

1.升阻比

飛機(jī)的升阻比是評(píng)定飛機(jī)空氣動(dòng)力特性、表示飛機(jī)氣動(dòng)效率的一個(gè)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(shí)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(guān)。

升阻比曲線表示升阻比與迎角的關(guān)系。當(dāng)飛機(jī)以最大升阻比飛行時(shí)，其氣動(dòng)效率最高。升阻比最大時(shí)對(duì)應(yīng)的飛行迎角一般被稱為有利迎角。升阻比越大，飛機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)性能越好。

2.空氣動(dòng)力性能曲線

空氣動(dòng)力特性是指作用在飛行器上的空氣動(dòng)力和空氣動(dòng)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(shì)和全貌，可將空氣動(dòng)力特性做成空氣動(dòng)力性能曲線圖。

3.展弦比

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

三、設(shè)計(jì)方案和實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

1.設(shè)計(jì)構(gòu)想

設(shè)想的剛性橫向可折疊機(jī)翼飛機(jī)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(jìn)行7種類型的實(shí)驗(yàn)。全機(jī)翼的飛機(jī)展弦比最大，機(jī)翼折疊50%飛機(jī)的最小。

2.制作仿真模型飛機(jī)

網(wǎng)購仿真飛機(jī)模型，然后使用123Ddesign建模不同比例折疊的機(jī)翼形狀，采用PLA材料3D打印設(shè)計(jì)的機(jī)翼。

隨后拼裝出不同形狀機(jī)翼的飛機(jī)模型，如圖1。搭配的不同顏色是為了便于后期對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行觀察。

3.制作“風(fēng)洞”

將大型吹風(fēng)機(jī)固定在椅子上模擬風(fēng)洞，吹風(fēng)口連接喇叭形裝置，使吹出的風(fēng)速保持穩(wěn)定。為了降低外部環(huán)境的影響，實(shí)驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行。

將4根魚線的一端分別固定在機(jī)身的前、后、左、右4個(gè)位置，再將魚線的另一端固定在KT板上。隨后將模型飛機(jī)與地面平行，緩慢地垂直下移至打開的“風(fēng)洞”前的同一位置。用錄像機(jī)記錄實(shí)驗(yàn)情況，再統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

四、仿真模型實(shí)驗(yàn)分析

打開“風(fēng)洞”，將不同折疊比例的模型飛機(jī)與地面平行，緩慢垂直下移至“風(fēng)洞”前的同一個(gè)位置，觀察機(jī)身的傾斜角度，分析飛機(jī)的安定性。

飛機(jī)的安定性是指飛機(jī)反抗外界擾動(dòng)、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(jī)在“風(fēng)洞”打開的情況下機(jī)身傾斜的角度。實(shí)驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn)，機(jī)翼折疊50%飛機(jī)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(jī)在相同的風(fēng)速、不同折疊形狀下，安定性不同。其中，全機(jī)翼飛機(jī)的安定性最好，機(jī)身的最大傾斜角度為23°，而機(jī)翼折疊50%飛機(jī)的機(jī)身傾斜角度達(dá)45°。

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

基于上述實(shí)驗(yàn)，得出的結(jié)論是：當(dāng)飛機(jī)水平飛行時(shí)，全機(jī)翼飛機(jī)的穩(wěn)定性最好，最節(jié)約能源。

五、電腦模擬實(shí)驗(yàn)分析

利用“坎巴拉太空系統(tǒng)”設(shè)計(jì)各種比例折疊機(jī)翼的飛機(jī)。在系統(tǒng)中模擬真實(shí)的地球環(huán)境，將飛機(jī)飛行高度控制在3000米左右，飛行速度控制在0.7～1馬赫。計(jì)算飛機(jī)完成360°滾轉(zhuǎn)需要的時(shí)間，研究其機(jī)動(dòng)性。

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

1.機(jī)動(dòng)性分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，機(jī)翼向上折疊50%飛機(jī)的滾轉(zhuǎn)速度最快，全機(jī)翼飛機(jī)的滾轉(zhuǎn)速度最慢。

大展弦比飛機(jī)完成360°滾轉(zhuǎn)需要的時(shí)間多，小展弦比飛機(jī)的用時(shí)少，因此，小展弦比飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性強(qiáng)。

飛機(jī)完成360°滾轉(zhuǎn)用時(shí)最少的是機(jī)翼向上折疊50%飛機(jī)。

2.氣動(dòng)性分析

使用FAR空氣動(dòng)力系統(tǒng)比較不同比例折疊機(jī)翼飛機(jī)的分析圖，模擬飛機(jī)起飛時(shí)的狀態(tài)（馬赫數(shù)設(shè)定為0.2）。

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

由實(shí)驗(yàn)可得：當(dāng)飛機(jī)起飛時(shí)或低速飛行時(shí)，應(yīng)完全展開機(jī)翼，以獲得最佳氣動(dòng)狀態(tài)。

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

全機(jī)翼飛機(jī)低速飛行時(shí)，有利迎角為5°，升阻比大，為1.5，氣動(dòng)效率較高。機(jī)翼折疊50%飛機(jī)低速飛行時(shí)，升阻比大，氣動(dòng)效率較高。

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

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

六、實(shí)驗(yàn)結(jié)論與展望

1.通過仿真模型實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在低速飛行時(shí)，全機(jī)翼飛機(jī)的展弦比大，安定性強(qiáng);反之，機(jī)翼折疊50%飛機(jī)的展弦比小，安定性相對(duì)弱。

2.通過電腦模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在發(fā)動(dòng)機(jī)功率相同的情況下，全機(jī)翼飛機(jī)的展弦比大，滾轉(zhuǎn)最慢;機(jī)翼向上折疊50%飛機(jī)的展弦比最小，滾轉(zhuǎn)最快，機(jī)動(dòng)性最好。

飛機(jī)的飛行速度越慢，升阻比越大，氣動(dòng)效率越高;反之，飛機(jī)的飛行速度越快，升阻比越小，氣動(dòng)效率越低。

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種剛性可變形機(jī)翼，它能在變形后改變展弦比，并利用飛機(jī)飛行中的各種有利資源。

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

未來可對(duì)機(jī)翼的材質(zhì)、智能機(jī)翼及機(jī)翼的形狀方面進(jìn)行進(jìn)一步的研究。（指導(dǎo)老師：周智敏）

專家點(diǎn)評(píng)

作者首先對(duì)飛行原理進(jìn)行了全面細(xì)致的研究，對(duì)飛行理論與相關(guān)工作有較好的認(rèn)識(shí)，整體的理論研究與設(shè)計(jì)方案明確。實(shí)驗(yàn)部分能通過模擬游戲“坎巴拉太空計(jì)劃”開展大量模擬實(shí)驗(yàn)，減少了不必要的準(zhǔn)備工作，提升了工作效率，確保了相關(guān)實(shí)驗(yàn)的可行性，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證思路別出心裁，行之有效。在實(shí)際的模型驗(yàn)證中進(jìn)行了大量驗(yàn)證工作，實(shí)驗(yàn)方案全面，驗(yàn)證效果良好。

建議：應(yīng)著重體現(xiàn)科學(xué)原理在飛行中的作用、重要性以及意義，以便讀者能認(rèn)同作者之后的研究?jī)?nèi)容;在設(shè)計(jì)方案中闡明總體目標(biāo)是什么，每一步設(shè)計(jì)方案期望完成何種目標(biāo)，達(dá)到何種目的，等等;可先進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)再進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)，并分別給出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析。

（欄目編輯? 秦銀銀）

張永強(qiáng)? 中學(xué)高級(jí)教師，湖南省十佳科技教師。科普中國(guó)2021年十大科普人物獎(jiǎng)獲得者，全國(guó)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(shè)計(jì)大賽、湖南省科學(xué)調(diào)查體驗(yàn)活動(dòng)評(píng)審專家組成員。