一种鸭式变掠翼超音速飞行器的设计

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起是十分有必要的。在理论课的学习过程中,教师可以应用先进的科学技术,让学生更加直地了解课堂内容。建筑设计类课程不免会讲到很多立体图形,这时可以利用多媒体技术或者VR 技术让学生们直观地感受到立体图形的内部结构,避免出现知识盲区。“互联网+”背景可以帮助课堂更加现代化,能够满足学生所需,帮助老师更好的教学。在学习的同时,学生可以在课堂上实践,在课堂上利用电子设备绘出自己设计的模型,加深课堂印象。同时,将理论知识与实践相结合,可以很好地改善课堂氛围,通过实践的应用,既能促进学生对于建筑设计课程有一个更加理性的认识,又能勉励自己成为专业人才。4结语

“互联网+”背景为建筑设计类课程创新带来了新的机遇,能够帮助建筑类高校有序地进行课程创新,使课程的系统性更强,让学生更多地了解相专业知识。教学模式的创新改革可以有效地吸引学生学习兴趣,为学生提供了更多的实践机会,学生们能够有立足于实际的意识,在现实生活中遇见问题时能够找到更加合适的解决方案。随着互联网+教育的模式不断地深入探索,建筑设计类课程将寻求到更加合适的教学模式,

培养出更多的专业人才。

基金项目：吉林省教育科学“十三五”规划2018年度课题“互联网+”视域下建筑设计课程教学模式创新研究(ZD18119)。

参考文献

[1]邓宁.“互联网+”背景下高校产品设计类课程模式创新与探索[J].大连民族大学学报,2017(2).

[2]白雪.“互联网+”视域下的版式设计模块课程教学创新与思考[J].美术教育研究,2017(15):166-167.

[3]汪峰,刘鸿琳,刘章军.“互联网+”翻转课堂创新桥梁工程课程教学模式研究[J].教育教学论坛,2017(19).

收稿日期：2019-3-12作者简介：张诗雅(1990-),女,吉林长春人,助教,主要研究方向为建筑设计及其理论。

腾天骥(1989-),男,吉林长春人,助理工程师,主要研究方向为房屋建筑工程。

一种鸭式变掠翼超音速飞行器的设计

李天恒（江苏省盐城中学，江苏省盐城市224000）

【摘要】如何兼顾飞行器的高低速性能一直是飞行器设计师们需要解决的重要矛盾。本研究设计了一款机翼掠角可调的鸭式布局超音速军

用多功能飞行器。在超音速飞行时，该飞行器的主翼可进行后掠操纵，

鸭翼可进行前掠操纵。并在此基础上进行了建模计算。通过CFD 计算，认为在起降时候采用小掠角构型更为适合，而在超音速飞行阶段采用大掠角构型更合适，

该飞行器可以实现低速性能与高速性能的兼顾。【关键词】鸭式；变掠翼；双滑轨；

智能控制系统【中图分类号】V221.3【文献标识码】A 【文章编号】1006-4222（2019）

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图1低速状态与超音速状态飞行器构型

1研究背景

大型的亚音速飞行器飞行的航程长、载重量大,但是有飞行时速较慢的缺点,难以满足战场上高度突防的要求。而传统的超音速飞行器拥有飞行时速快的优势,但其较小的展弦比和大后掠角设计却不利于提高亚音速模式下的巡航飞行效率,同时在起飞和降落时也要求机场的跑道长度更长以留有足够的距离进行加速和减速。相比之下,采用变掠翼思路设计的飞行器就可以很好地将亚音速飞行器和超音速飞行器的优势结合起来,使飞行器可以在亚音速模式和超音速模式之间自如切换,适用于更宽的飞行速度跨度[1-3]。

变掠翼是一种通过变体飞行器来实现多种工况下的优秀气动布局的设计理念。拥有平直翼、掠翼和三角翼工况,分别最适合亚音速、跨音速和超音速飞行状态。这就使得变前掠翼飞行器可以根据实际情况选择最优的飞行模式。这具体是指变掠翼飞机在定速巡航、起飞和降落时,机翼处于平直翼状态,可以取得最大的升阻比,获得最大的升力;而飞机在提速和高机动状态下,转变为掠翼的状态,则能拥有较好的气动特性和操纵性能;在处于高超音速飞行时,机翼掠角进一步增大变为三角翼,飞机整体的阻力系数减小,有利于加速至高超音速飞过敌军上空,完成侦查工作[4-5]。

在此基础上,本研究设计了一款机翼掠角可调的鸭式布局超音速军用多功能飞行器。在超音速飞行时,该飞行器的主翼可进行后掠操纵,鸭翼可进行前掠操纵。从而实现低速性能

与高速性能的兼顾。

2超音速飞行器整体及变掠翼结构设计

2.1飞行器外部总体构型

本研究设计的机翼掠角可调的鸭式布局超音速飞行器构型如图1所示。全长30m ,主翼翼展16.2m ,鸭翼翼展7.8m ,机身截面最大直径1.5m 。在整体构型方面,该飞行器主要以鸭式机翼,圆桶状机身和较长的鼻锥组成。较长的鼻锥有利于飞行器在高超音速状态下,减小所受的激波阻力,获得更大的升阻比,提升飞行速度。鸭式机翼可以根据不同的飞行速度进行掠角的改变,以期达到最优状态。其中(a )为飞行器的平直翼工作状态,(b )为飞行器的掠翼状态。

翼身连动机构的设计方面,采取双滑轨的设计。主要是由

论述

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图2变掠翼双滑轨的结构图

于传统的单滑轨设计,拥有制作简单的优点。但是在变掠角的时候,飞行器的气动中心移动量较大,飞行不稳定,不够安全,难以保证飞行过程的安全性。相比于单滑轨的传统设计,双滑轨的设计可以使飞行器的气动中心在变掠翼途中改变较小,飞行过程更稳定,更便于两种模式之间的切换。所以采用变掠翼和双滑轨的设计方案,可以完成飞行器的优化。

2.2飞行器工作过程论述

当飞行器处于亚音速状态,一个大气压下时,如图1(a ),飞行器的鸭翼与主翼都位于平直翼状态,机翼伸展至最大长度,此时飞行器可以获得较大的升力,可以适当提高载重量。当飞行器处于战斗模式,即高超音速飞行状态下时,如图1(b ),鸭翼向前掠,以期获得较好的操纵性能和气动特性。主翼向后掠,飞行器整体的阻力特性较小,可以在短时间内完成速度的提高,使飞行器达到超高音速,从而完成侦查任务。

2.3双滑轨变掠翼机构设计

传统的变掠翼的转换机构,通常是采用固定的单滑轨转换,在此基础上,本研究设计了一种双滑轨变掠翼机构。

如图2所示,左侧为有一定倾斜角的从动滑轨,右侧为与机身平行的主动滑轨。位于从动滑轨的是从动滑轮A ,位于主动滑轮的是主动滑轮B 。两滑轨之间用高强度的钛合金材料连接,用电机进行供能。当飞行器进行变轨的过程中,主动滑轮后移,使联动杆随之后移,由于两滑轮之间的距离固定不变,为连动杆的长度,所以从动滑轮相应后移,机翼在两滑轮带动下,完成变前掠翼的全过程。在此转换机构下,可以获得较灵活的前掠角,提升操纵性能。与此同时,变前掠翼使得飞行器的阻力特性减小,可以进一步提升速度。

变后掠翼双滑轨的结构与变前掠翼双滑轨的结构相似。如图2所示,左侧为有一定倾斜角的从动滑轨,右侧为与机身平行的主动滑轨。位于从动滑轨的是从动滑轮A ,位于主动滑轮的是主动滑轮B 。当飞行器进行变轨的过程中,主动滑轮前移,使联动杆随之前移,由于两滑轮之间的距离固定不变,为连动杆的长度,所以从动滑轮相应前移,主翼在两滑轮带动下,完成变前掠翼的全过程。主翼采用变后掠翼可以极大程度上减小阻力,以期获得更高的飞行马赫数。

将鸭翼变前掠翼与主翼变后掠翼结合,可以使飞行器在变掠翼的过程中气动中心不发生大的变化,从而提升飞机的操纵性能,切实保障飞行员的生命安全。同时,变掠翼的结构设计与较长的鼻锥可以减小超高音速飞行下的激波阻力,在速度上取得较大突破。

该飞行器在机身外部涂抹增强型热防护涂层,同时采用新型隔热陶瓷覆盖机身,减小了温度过高对飞机部件性能的影响。

3变掠翼飞行器气动性能分析

针对上述构型,分别计算不同马赫数下飞行器的气动力

特性。计算采用Fluent 商用软件进行,计算流域为远场压力边界条件,网格采用四面体网格,总网格量大约在300万左右。计算选取的飞行马赫数分别为0.3Ma 、0.6Ma 和3Ma ,分别对应飞行器起飞、亚音速爬升及超音速飞行状态。计算结果如表1所示。

通过对比上述计算结果可以看出,当飞行速度为0.3Ma 时,飞行器采用构型a (小掠角状态)升力更大,升阻比更大,因此该构型更适合于飞行器起飞;当飞行速度为0.6Ma 时,此时a 、b 两状态的升阻比一致,均为9.4,此时飞行器总体气动力基本稳定,可以完成爬升动作和掠角调整;当飞行速度为3Ma 时,此时a 构型升力小于b 构型,而阻力又略大于b 构型,总的升阻比a 构型(0.7)也小于b 构型的(1.0),因此此飞行速度下飞行器更适于采用大掠角的b 构型。

4结论

本研究设计的机翼掠角可调的鸭式布局超音速飞行器,该鸭式机翼可以根据不同的飞行速度进行掠角的改变,以期达到最优状态。并在此基础上对飞行器进行了建模计算,通过CFD 计算,认为在起降时候采用小掠角构型更为适合,而在超音速飞行阶段采用大掠角构型更合适。

参考文献

[1]叶露.变掠翼无尾飞机气动布局设计研究[J].飞行力学:1-6.

[2]马一鸣,宋啸中.新型变体翼展开和控制机构设计[J].科技创新导报,2016,13(32):18-20.

[3]王旭,苏新兵,冯浩洋.变体飞机可变翼型非定常气动特性仿真研究[J].计算机仿真,2015,32(10):54-58.

[4]吴章沅,胡孟权,张冬,王旭.双直滑轨式变前掠翼机构设计方案与仿真[J].计算机仿真,2015,32(09):104-108.

[5]张冬,胡孟权,王旭,吴章沅.机翼前掠过程气动中心变化规律[J].空军工程大学学报(自然科学版),2015,16(04):1-4.

收稿日期：2019-3-16

飞行马赫数迎角(毅)构型升力(N )阻力(N )升阻比0.3Ma 0a

9505.7

1104.68.6b 8590.81023.38.40.6Ma 0a 41991.44467.29.4b 37477.13979.1

9.43Ma

2

a 37846.857667.20.7

b 53958.3

54535.9

1.0

表1不同马赫数下两种构型飞行器气动性能对比

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