变体飞机
智能飞行器技术-邱志平
智能变体飞行器研究方法-概念设计
Telescoping-Wing concept
Swing Wing concept
Aft sweeping Wing concept
School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University
智能变体飞行ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ的概念
变体飞行器的涵义：
NASA:“变体”（Morphing）=高效、多点适应性。
• 高效（与传统飞行器相比）：结构更简单、重量效率更高、 能量效率更高、容积效率更高； • 多点：多种任务剖面； • 适应性：功能扩展及在多种飞行条件下保持最优性能。
最大的飞机-An225，载重250t
无人机，2003年
School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University
人类的飞行世纪
新一代作战飞行器——高隐身性能、高机动性
美国F-22，1990年首飞
美国F-35，2006年首飞
俄罗斯T-50，2010年首飞
School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University
多功能材料
压电材料特点：
贴片形式 小应变 快速响应 结构完整性
压电陶 瓷材料 改变机 翼形状
School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University
一种伸缩栅格结构变体翼梢小翼研究
０ 引 言
的空难 事故发生在飞机起飞和降落 阶段 ． 因此 ， 变体翼 梢小翼还具有 提高 飞行安全性 的潜力 机 翼 翼 尖弦 长 国外已开展对变体翼梢小翼 的相关探 索性研 究 ． 其中英 国 Ｂ ｒ ｉ ｓ ｔ ｏ １ 大学 的 Ｂ ｏ ｕ ｒ ｄ ｉ ｎ 等分析 了可变倾斜 角的翼梢小翼 对飞机气 动性能 的 影响 ． 结果 表明翼梢小翼倾斜角的差动式 变化可使飞机实现滚转和偏 航机动 ： Ａ ｍ ｅ ｒ ｉ 等建立 了可变倾斜 角的翼梢 小翼模型 ． 并 对其力 学 特性和气弹特性进行 了研究 ： Ｕ ｒ ｓ ａ ｃ ｈ ｅ 等针对可变倾斜角 的翼 梢小翼 在改善飞机气 动效率等方面展开研究 ． 结果表 明相对于 固定式小翼 ． 上试 图 变体翼 梢小翼 可提高 ３ ％的气 动效率 ．并制作 了用于可变倾斜 角翼梢 小翼的波纹蒙皮［ ７ １ ： 波音公 司的 Ｓ ａ ｎ ｋ ｒ ｉ ｔ ｈ ｉ Ｍｉ ｔ ｈ ｒ ａ 等提 出利用 Ｓ Ｍ Ａ可弯 图 ２ 翼梢小翼主要参数 曲板与 Ｓ Ｍ Ａ扭力管改变翼梢小翼 的倾斜 角与扭转角 的方法 ． 并 已申 请专利 。 目前 。 变体翼梢小翼在 国内还未受到足够重视 ． 相关研究还 在翼梢小翼 的所有参数 中． 倾斜 角 、 安装角 和高度 是影响减阻效 诱 导阻力 系数 与机翼 的 未见报道。本文设计 了一种伸缩式翼梢小翼结构 ， 确定 变体翼 梢小翼 果的重要因素 由经典诱导阻力表达式可知 ． 起 的参数 ． 建立了变体翼梢小翼有 限元模 型 ． 并利用 Ａ Ｖ Ｌ软件 分析了其 展弦 比成反 比 增大翼梢小翼的倾斜角能增加机翼 的有效展弦 比． 对飞机气动性能的影 响 到削弱翼尖 涡强度 、 降低诱导阻力的作 用． 但会增加翼根弯 曲力矩 ， 引 起机翼结构重量增加 ． 所 以倾斜 角取 多大 ． 完全取决 于机翼 巡航状态 １ 诱 导阻力产 生机理及减阻措施 对载荷 分布的要求 。 目前翼梢 小翼 的倾斜 角最 大为 ３ １ ｏ ３ ０ （ 如空 客 飞机飞行时 ． 由于机翼上 下表面压力差 的作 用 ． 上下表面 的气 流 会在机翼翼 尖卷起一个逆时针旋转的翼尖涡 ． 与机翼后缘拖 出的尾 涡 相互诱 导 ， 形成一个下洗流 ｗ． 该下洗流与来 自无穷远处 的自由流 畸变的三元流场。翼 剖面上产生一个垂直于局部流向的合力 ． 它在垂 直于 自由流 方 向的投影即为升力 Ｌ ： 而沿 方向的投影定义为诱 导阻力 Ｄ ｉ ， 如图 １ 所示 。诱 导阻力 与机翼的展向载荷分布有关 ． 研 究 表明诱导阻力在巡 航阶段 占飞机总阻力 的 ４ ０ ％． 而在起降和爬升阶段 占总阻力的 ５ ０ ％ ～ ７ ０ ％。因此减小诱导阻力 ． 对改善 飞机 气动效 率 、 节
机翼的介绍
平直机翼是最原始的机翼，其优点是升力大，气动构型最简单，控制方便，相应的内部结构少，重量轻，载油系数大，缺点就是因为过于原始，只能低速飞行，无法适应高速状态的复杂气动。
其后开发的是后掠翼，后掠翼是平直翼简易降阻的构型，通过后掠角在尽量保证升力面积的情况下减小阻力，最初级的提速方案。
缺点是初期设计后缘气动性能差，升力小，现代改良的梯形翼则是目前性能最好的常规机翼，主要应用在重型机上。
基于早期后掠翼的问题，采用的解决方案就是三角翼，三角翼优点是在保证了和后掠翼同样的低阻性能的前提下增加了升力面积，并且由于三角形几何特点的先天优势以及先天不用处理翼尖气流分离的问题，三角翼的技术要求和控制难度可谓是和平直翼一样的低，这也是为何大多数中期二代机和二流三代机都使用三角翼的原因。
但是，三角翼由于失速角低，低速性能极差，于是出现了两种变体机翼，一种是前缘双角度的双三角翼，另一种就是能够在近平直后掠翼和类三角翼之间变换的变后掠翼（其本质就是为了获取两种机翼的优点，后来被梯形翼取代，技术难度大，可靠性低，结构死重，难维护，载油系数低，不能挂载武器是变后掠翼的独特缺点），由于三角翼前缘气动过于简单，表面气流速度大（也是其低阻的原因），翼根面积过大，导致其迎角稍大就会出现表面气流分离而失速，为了一定程度上补足这一点，引用二战后期的前置控制面设计出现了“鸭式布局”，其本质就是带涡流辅助面的无尾三角翼布局。
60年代末气动设计水准取得重大突破，其代表是计算机辅助设计和超音速风洞的成功，使得复杂气动和超音速模拟成为可行，在此基础上，前后缘优化角度的梯形翼被设计出来，由于通过精确推算，可以随意确定符合设计性能指标的前缘最佳角度和后缘最佳角度，并且翼尖气流分离的现象也通过计算消除，不需要依靠三角翼的翼尖短距离来原理回避。
梯形翼的优势包线范围被大幅扩大，低阻、大升力、各种空速高度的强适应性使之成为高配三代机的主流机翼，例如F-15的变弯度梯形翼、F-16、F-18、Su-27、MiG-29的常规梯形翼等。
滑动伸缩机翼刚柔耦合动力学仿真分析
第３ ３期
２ １ 年 １ 月 ０１ １
科
学
技
术
与
工
程
Ｖｏ ． １ Ｎｏ ３３ ＮＯ ． ２ １１ ． Ｖ ０１１
１７ — １ １ ２ １ ） ３８ ７ —５ ６１ ８ ５（ ０ １ ３ — ３ ４ ０
Ｓ ｉｎｃ ｃ ｏｏ ｙ ａ ｄ Ｅｎ ｉ ｅ ｒｎ ｃ ｅ ｅＴｅ ｈｎ ｌｇ ｎ ｇ ｎ ｅ ｉｇ
１ １ 基 于 Ｃ Ｔ Ａ 的数 字样机 模型 的建 立 ． Ａ Ｉ
１ 滑动伸缩机构 刚柔耦合模型的建立
利 件 ＡＩ 简化 模 型 ， 在装配 完 成 后进 行 运 动仿 真 和 干 涉检 并 查， 虚拟 样机模 型如 图 １ 所示 。
动力 学仿 真分析 。
机 的着 陆 性 能 ， 机 翼 收 缩 可 提 高 飞 机 的 机 动 性 而 能 ； 单翼 布 局 可 保 护 引 擎 ， 上 中单 翼 或 下 单 翼 布局 可提高 地效 飞行性 能 。 根 据 变体 飞机 总体 设 计 方 案 的要 求 ， 翼 由纵 机
向滑 动段 、 级 横 向滑 动 段 及 二 级 横 向滑 动 段 ， 一 通 过改 变飞 机 机 翼 面 积 及 机 翼 高 度 的方 式 以 达 到 预 期 的气 动 性 能 。 实 现 滑 动 伸 缩 二 维 联 合 驱 动 的 方 式有很 多种 ， 是用 于 飞 机 机翼 的滑 动 伸缩 变 体 的 但
的地 效 飞 行 器 采 用 中单 翼 或 下 单 翼 布 局 形 式 。滑
滑块 ， 通过纵 置液 压缸 驱 动 纵 向滑 块 在 滑槽 内带 动 滑动 机翼作 纵 向滑动 ， 而 实 现机 翼 的滑动 伸 缩 功 从
能 。根据机 构 运 动 机 理 ， 模 型 进 行 简 化 ， 对 机 对 并
基于乘波体布局的空天飞机方案
形状来改变其 飞行时的气动性能 ， 以满足不 同的飞行环境 ， 因此 已成为飞行器设计领域 的研究热点 。 在此背景下 ， 提 出具有分段 式后缘翼肋的变体机翼设计 ， 具有一定的工程实际意义 ， 为新型
变体机翼的设 计提供有价值的启发思路 。
参 考 文 献
［ １ ］ 乐挺 ， 王立新 ， 艾 俊强． 变体 飞机 设计 的主要关键技术 ［ Ｊ ］ ． 飞行力
济效益高等特点 。 ２ 气 动布 局
同时大 幅降 低高 超
声 速 飞 行 器 的 阻
力 。 由于 上表 面几 乎 与 自 由流 平 行 ， 上表 面 的流场 没有
大， 见图 ３ ｃ 。
３ 结语
理论 和试 验都 已经证 明， 飞行器 的飞行马赫数升高时 ， 阻力 会相应的增加 。而且 阻力 的增加速率会随着飞行速度的提高而
现 ３ Ｍａ以上的高速巡航 ， 也无法 到达 亚轨道 ， 只能在大气层 内
顶三角作 为飞行器的外形（ 锥 形体 ） ， 使所有前缘都伴有 附体激
波， 利用附属的激波来提供飞行器升力。如图 １ 。 乘波 体 的 特殊 外形 能够 有效 提 升
飞行器 的升阻 比，
运输 。 而空天飞机可以较好 的克服火箭与飞机 的缺陷 ， 具有极高 的使用价值 ， 可以维修 或回收在轨道上运行 的卫星等飞行器 ， 在 军事上可 以破坏甚至将敌国卫星控制在 己方手中 ，可以执行位 于亚 空间的拦截 、 侦察 、 轰炸等军事任务 。 相较于航天飞机 ， 其地 面设施 和单次 飞行后的维护工作 比较简单 ， 具有飞行频率高 、 经
偏转 ， 偏 转角 为 ， 见图 ３ ｂ ； 当Ｓ ＭＡ驱动器 １ 和 ２均 工作 时 ， 后缘翼肋 Ｉ 和 ２均发生偏 转 ， 偏 转角 为 嘞， 此 时后缘 的变形最
【国家自然科学基金】_体色_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140731
推荐指数 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37
推荐指数 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
"粉玉" "全红"
1 1
53 54 55 56 57
传粉 1 仿刺参(apostichopus japonicus 1 selenka) 两栖动物 1 issr标记 1 coi 1
53 54
2011年 科研热词 新种 麦长管蚜 繁殖 毛序 检索表 弹尾纲 中国 鳄蜥 鱼类行为 面内变形 长角虫兆科 长角(虫兆)科 金线鱼属 计算机视觉 裴氏金线鱼 行为监测 蛹 草地螟 腹部 结构设计 繁殖压力 突颜蝗属 种群增长指数 直翅目 癞蝗科 生长发育 生长 生殖孔 生命表 瓯江彩鲤 温度 横斑金线鱼 柔性蜂窝 柔性机翼 性选择 幼虫密度 幼虫 小菜蛾 同物异名 变体飞机 发育 力学性能 刺齿虫兆属 刺齿(虫兆)属 农药胁迫 内禀增长率 体色生物型 体色 中国海域 两性异形 srap标记 scar标记 推荐指数 3 2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
科研热词 麦长管蚜 形态学 分类 黑腹滨鹬 鱼体色 金鱼 遗传 进展 计算机视觉 蝌蚪 花背蟾蜍 腹毛目 背景颜色 罗非鱼 紫外辐射 紫外胁迫 突变 社会应激 生物学特征 瓯江彩鲤 海水纤毛虫 抑制性差减杂交 性别决定 形态 差异表达基因 家蚕 团头鲂 六盘水 体色黑化 体色型 体色 伪角毛虫属 人工雌核发育 亚种 乌蒙山系 中华大蟾蜍 东方蜜蜂 aflp
CATIA装配变体设计
CATIA装配变体设计CATIA是一款著名的三维建模软件，广泛应用于机械设计和工程领域。
在CATIA中，装配是将各个零件组合在一起形成整体的过程。
而装配的变体设计，是指在不改变主装配结构的前提下，通过调整参数或者替换零件，生成不同的装配变体。
本文将介绍CATIA中的装配变体设计的具体操作方法和应用。
一、装配变体设计的概念装配变体设计是为了满足不同的设计需求和客户要求，通过调整零件参数或者替换零件，生成不同的装配变体。
这些装配变体可以是尺寸、材料、零件数量或者形状的差异，可以是不同功能模块的组合，也可以是不同配置的装配。
装配变体设计在产品设计和工艺设计中起到了重要的作用，能够提高设计的灵活性和适应性。
二、装配变体设计的步骤1. 创建主装配首先，需要创建主装配。
一个主装配是由多个零件组成的整体，在主装配中可以定义零件的位置、约束关系和参数。
主装配是装配变体设计的基础，通过调整主装配的参数或者替换零件，可以生成不同的装配变体。
2. 定义参数和公式在主装配中，需要定义参数和公式。
参数是主装配中的可调整的数值，可以用来控制零件的尺寸、位置和形状。
公式是参数之间的数学关系，可以用来描述零件之间的约束关系。
通过定义参数和公式，可以实现主装配的灵活性和可调节性。
3. 创建装配变体在主装配中，可以通过调整参数或者替换零件来创建装配变体。
调整参数可以改变零件的尺寸、位置和形状，实现不同配置的装配变体。
替换零件可以将一个零件替换为另一个具有相同功能的零件，实现不同材料或者不同供应商的装配变体。
通过创建装配变体，可以满足不同的设计需求和客户要求。
4. 分析装配变体在创建装配变体之后，需要对装配变体进行分析。
分析可以包括装配的结构分析、运动分析、碰撞分析和材料分析等。
通过分析装配变体，可以评估装配的性能、可靠性和成本，为设计优化提供依据。
5. 生成装配变体图纸最后，需要根据装配变体生成图纸。
图纸是产品设计的重要输出，可以用于工艺制造和装配检验。
柔性后缘可变形机翼的气动特性分析
图1 NACA 0014及其后缘变弯度翼型2 有限元计算方法
有限元方法（FEM）是一种将研究对象离散化，将研究区域按一
·63·中国高新科技2019年第49期
图2 二维翼型的有限元模型
本文选择ANSYS Fluent作为计算工具，对翼型所在流场进行气动力的数值计算，采用SIMPLE的二阶迎风格式求解，湍流模型采用S-A（Spalart-Allmaras）模型。
流
场气体为空气，密度1.22kg/m3；边界条件为速度入口边界（Velocity-inlet）与压力出口边界（Pressure-图 3 不同巡航速度条件下升阻特性随后院下偏角度的变化情况
在0.1Ma的飞行速度下，NACA
·64·中国高新科技 2019年第49期
阻比最大，达到最优的油耗与飞行效率。
5 结论
（1）可变弯度后缘的变形机翼可利用后缘下偏获得更大的升力，但同时也会增大阻力；后缘下对应最优下偏角度。
参考文献
[1]马洪忠，徐征，崔秀敏，等．智能变形飞行器技术发展与挑战[C]//第五届中国航空学会青年科技论坛，南昌，2012．
[2] Lim S，Lee S，Park H，et al。
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研究背景：变体飞行器结构计划将创造能够使空中飞行器在飞行中改变形状(“变体”)的自适应航空结构系统，这种“变体”与鸟类改变其身体外形以适应其飞形姿态极其类似。
这些自适应结构能够使单一自主的军事飞行器执行众多多种多样且相互冲突的任务，如长时间停留在某一目标的上空，然后变形为可机动的高速攻击形态，以摧毁那些够识别或正在攻击各种空中威胁以达到自我保护的地面目标。
研究成果：变体飞机是一种在飞行中能够充分地改变其外部形状，以适应不断变化的任务环境的多任务飞机。
同不具备改变外形结构的飞机相比，此类变体飞机具有更为出色的系统性能。
美国国防预先研究计划局（DARPA）的变体飞行器结构项目，其目的是论证与传统飞机相比，具有可改变形状机翼的飞机在不同的飞行环境中获得改进性能的价值。
2003年1月，国防预先研究计划局开始实施一项为期两年半的项目计划，其目的是设计和制造起作用的可变形状的机翼结构，该结构具有充分改变机翼外形和机翼面积的能力。
其主要技术目标是研制起作用的机翼结构，以改变机翼形状从而提供良好的空气动力学性能和飞行控制，而这些都是传统机翼不可能做到的。
2006年8月1日，美国国防先期研究计划局(DARPA)成功地进行了MFX-1验证机的飞行试验，该机是一架喷气动力的摇控无人飞机，装有可改变形状的变体机翼。
MFX-1的机翼具有几项广受关注的技术特征，包括独特的可折叠机翼蒙皮面板（该面板在机翼改变形状时能够充分伸展）和一个轻型运动学可移动机翼子结构（该子结构依靠电动装置能够从一种形状变成另一种形状）。
MFX-1验证机的这些机翼特性，能够使飞行中的机翼面积改变40%，同时翼展改变30%，且机翼后掠角从15度变成35度。
此次试飞由下一代航空学（NextGen Aeronautics）公司及其合作方波音公司的“鬼怪工厂”部门一起实施，地点是位于加利福尼亚州罗伯茨营的军事试飞场。
试飞的主要目的是演示变体机翼设计在飞行中的操作、稳定性和控制，以及检验新的试飞程序，包括通信和下一代变体飞机的飞行员技能。
该设计之前已经在国家航空和宇航局的跨音速动力风洞中进行了试验。
此次试飞成功地进行了变体测试，其试飞高度为400至600英尺，速度为100至120节，试飞方式为赛马场式飞行。
飞行中的数据，包括全球定位系统测定的位置和高度，都在机上记录下来。
在验证机的双尾翼和机头处安装有三部摄像机，飞机着陆后能够提供飞行图像以供下载。
在变体飞行器结构的第三阶段，该项目将重点论证变体结构潜在的作战价值，其方式是通过比较具有变体结构的飞机和不变体的飞机在完成受控机动时的性能。
这一为期12个月的项目计划，其目的是论证飞机在飞行中从根本上改变形状并保持完全的飞行控制的能力，以及展示由外形改变所产生的机动飞行性能的价值所在。
机动飞行性能将按照低速飞行改变50%爬升率的能力，以及当以恒定推力和垂直轴‘g’水平低速飞行时至少以2倍方式减小转弯半径的能力来进行评估。
采用不同的机翼形状改变方式的两个承包商小组，将于2007年3月至6月底间进行试飞。
位于加利福尼亚州Palmdale的洛克希德·马丁公司先进发展项目组将对一种机外机翼变体结构进行测试，而下一代航空学公司则将对一种机内机翼变体设计进行测试。
马丁公司的验证机采用无尾翼的构造，装有可收回的起落架，刚性机翼蒙皮面板和twinknuckle状可折叠式机翼。
而下一代航空学公司的飞机则是一种传统的机翼－机身－尾翼样式，装有固定式起落架，双自由度控制机翼面积和后掠翼，机翼采用与一个伞形铰接子结构相连接的柔性蒙皮面板。
成功的论证将为变体自适应多点式设计飞机的未来考虑事项铺平道路，此种设计飞机能够在广泛的任务中获得最佳的性能，并且在飞行中可能具有其独特的机动性。
译自：美国国防预先研究计划局(DARPA)网站
编译：知远/程刚
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延伸阅读：
电子周刊《环球防务报道》：。