一种刚性可变形机翼的研究分析

◆上海市敬业中学 沈一麒 上海市久隆模范中学 潘逸飞

近两年，可变形飞机的研究引起了人们广泛的关注。目前，人们主要通过改变机翼形状来提高飞机的飞行效率，使飞机的飞行性能达到最佳。

变形机翼研究的材质可分为刚性和柔性，研究的变形种类有角度、翻转、折叠及伸缩等。折叠的方向有纵向和横向。

我们提出了一种刚性横向可折叠机翼飞机的设想，通过改变机翼展弦比，研究其安定性、气动性、机动性等方面的性能，力求充分利用飞机飞行中的各种有利资源，减少能源消耗。

一、研究方法

本文通过文献法、仿真模型实验法和电脑模型实验法进行研究。电脑模拟实验利用“坎巴拉太空计划”进行。

二、设计原理

1.升阻比

飞机的升阻比是评定飞机空气动力特性、表示飞机气动效率的一个重要参数。它是指飞行器在飞行过程中，处于同一迎角位置时所受的升力与阻力（即升力系数与阻力系数）的比值。其比值与飞行器迎角、飞行速度等参数有关。

升阻比曲线表示升阻比与迎角的关系。当飞机以最大升阻比飞行时，其气动效率最高。升阻比最大时对应的飞行迎角一般被称为有利迎角。升阻比越大，飞机的空气动力学性能越好。

2.空气动力性能曲线

空气动力特性是指作用在飞行器上的空气动力和空气动力力矩随飞行器几何外形、飞行姿态、飞行速度、大气密度等参数的变化规律，是分析飞行器性能的依据。为了便于形象地观察升力系数、阻力系数和升阻比随迎角连续变化的趋势和全貌，可将空气动力特性做成空气动力性能曲线图。

3.展弦比

翼展是指机翼左、右翼尖之间的长度，翼弦是指机翼沿机身方向的弦长，弦长参数为平均几何弦长。展弦比是翼展与平均几何弦长的比值，也可以是翼展的平方与机翼面积的比值。

三、设计方案和实验准备

1.设计构想

设想的刚性横向可折叠机翼飞机的折叠比例为50%、25%、12.5%，共有6种（向上、向下各3种）折叠模式，再加上不折叠的形态，一共进行7种类型的实验。全机翼的飞机展弦比最大，机翼折叠50%飞机的最小。

2.制作仿真模型飞机

网购仿真飞机模型，然后使用123Ddesign建模不同比例折叠的机翼形状，采用PLA材料3D打印设计的机翼。

图1 不同形状的飞机模型

随后拼装出不同形状机翼的飞机模型，如图1。搭配的不同颜色是为了便于后期对实验进行观察。

3.制作“风洞”

将4根鱼线的一端分别固定在机身的前、后、左、右4个位置，再将鱼线的另一端固定在KT板上。随后将模型飞机与地面平行，缓慢地垂直下移至打开的“风洞”前的同一位置。用录像机记录实验情况，再统计数据。

图2 实验准备模型

四、仿真模型实验分析

打开“风洞”，将不同折叠比例的模型飞机与地面平行，缓慢垂直下移至“风洞”前的同一个位置，观察机身的倾斜角度，分析飞机的安定性。

飞机的安定性是指飞机反抗外界扰动、保持原有飞行状态能力的特性。图3是不同折叠比例的飞机在“风洞”打开的情况下机身倾斜的角度。实验中我们发现，机翼折叠50%飞机的倾斜角度最大，而且飞行不平稳，易出现翻滚的现象。

图3 不同折叠比例的飞机在“风洞”打开时的倾斜角度

我们分析数据得出，同一架模型飞机在相同的风速、不同折叠形状下，安定性不同。其中，全机翼飞机的安定性最好，机身的最大倾斜角度为23°，而机翼折叠50%飞机的机身倾斜角度达45°。

表1 “风洞”测试中不同折叠比例的飞机的倾斜角度

比较倾斜角度和展弦比发现，展弦比大的飞机其倾斜角度最小，机身更稳定。

基于上述实验，得出的结论是：当飞机水平飞行时，全机翼飞机的稳定性最好，最节约能源。

五、电脑模拟实验分析

利用“坎巴拉太空系统”设计各种比例折叠机翼的飞机。在系统中模拟真实的地球环境，将飞机飞行高度控制在3000米左右，飞行速度控制在0.7～1马赫。计算飞机完成360°滚转需要的时间，研究其机动性。

机翼在折叠的过程中会导致质量、刚度重新分配，因此空气动力会发生很大的变化。利用“坎巴拉太空系统”软件FAR空气动力系统，研究不同比例折叠机翼飞机的有利迎角和升阻比，并将升阻比与展弦比交叉分析。

Origin of ground collapse at the Xuchang iron mine WANG Jun-qiang HU Ji-hua WANG Ling-min(12)

图4 飞机旋转360°示例图

1.机动性分析

实验结果显示，机翼向上折叠50%飞机的滚转速度最快，全机翼飞机的滚转速度最慢。

表2 不同形状机翼的飞机完成360°滚转需要的时间

大展弦比飞机完成360°滚转需要的时间多，小展弦比飞机的用时少，因此，小展弦比飞机的机动性强。

飞机完成360°滚转用时最少的是机翼向上折叠50%飞机。

2.气动性分析

使用FAR空气动力系统比较不同比例折叠机翼飞机的分析图，模拟飞机起飞时的状态（马赫数设定为0.2）。

展开全机翼飞机与机翼折叠50%飞机的有利迎角都为5°，但全机翼飞机的最大升阻比接近1.8，机翼折叠50%飞机的最大升阻比为1.5。在有利迎角为5°时，全机翼飞机的最大升力系数为4，机翼折叠50%飞机的升力系数为3，两种飞机所受阻力几乎相同，因此全机翼飞机的升阻比较大。

由实验可得：当飞机起飞时或低速飞行时，应完全展开机翼，以获得最佳气动状态。

模拟飞机高速飞行状态（马赫数设定为2，相当于两倍音速）。全机翼飞机的最大升阻比为0.5，而机翼折叠50%飞机的最大升阻比为0.4，差异较小。

全机翼飞机低速飞行时，有利迎角为5°，升阻比大，为1.5，气动效率较高。机翼折叠50%飞机低速飞行时，升阻比大，气动效率较高。

由此可得：飞机的飞行速度越慢，升阻比越大，气动效率越高；飞机的飞行速度越快，升阻比越小，气动效率越低。

因此，飞机在低速飞行时可完全展开机翼，充分利用气动效率，节约能源。在高速且直线平稳飞行时，也可考虑全机翼。如需高速且高机动飞行时，建议采用机翼向上折叠50%的模式，减少能耗使用，达到节能目的。

六、实验结论与展望

1.通过仿真模型实验发现：在低速飞行时，全机翼飞机的展弦比大，安定性强；反之，机翼折叠50%飞机的展弦比小，安定性相对弱。

2.通过电脑模拟实验发现：在发动机功率相同的情况下，全机翼飞机的展弦比大，滚转最慢；机翼向上折叠50%飞机的展弦比最小，滚转最快，机动性最好。

飞机的飞行速度越慢，升阻比越大，气动效率越高；反之，飞机的飞行速度越快，升阻比越小，气动效率越低。

根据上述实验结果，我们设计了一种刚性可变形机翼，它能在变形后改变展弦比，并利用飞机飞行中的各种有利资源。

这种可变形机翼可以实现全机翼和向上折叠50%功能。当飞机低速直线飞行时，采用全机翼的形态，充分利用气动效率，节约能源。在高速且直线平稳飞行时，也可考虑全机翼的形态。如需高速且高机动飞行时，建议采用机翼向上折叠50%的模式，减少阻力，节约能耗，减少碳排放，达到环保的目的。

未来可对机翼的材质、智能机翼及机翼的形状方面进行进一步的研究。

专家点评

作者首先对飞行原理进行了全面细致的研究，对飞行理论与相关工作有较好的认识，整体的理论研究与设计方案明确。实验部分能通过模拟游戏“坎巴拉太空计划”开展大量模拟实验，减少了不必要的准备工作，提升了工作效率，确保了相关实验的可行性，实验验证思路别出心裁，行之有效。在实际的模型验证中进行了大量验证工作，实验方案全面，验证效果良好。

建议：应着重体现科学原理在飞行中的作用、重要性以及意义，以便读者能认同作者之后的研究内容；在设计方案中阐明总体目标是什么，每一步设计方案期望完成何种目标，达到何种目的，等等；可先进行模拟实验再进行实际实验，并分别给出相应的实验结果与分析。