飞机设计新思路----环翼机
飞机气动布局新思路----环形机翼
班号：1002201 学号：
姓名：季禹?
日本著名动画导演和动画作家新海诚在他的第二部作品《云之彼端》中，在保证叙述连贯性的基础上，最大限度地再现了一架名叫薇拉希拉的飞机的制造过程。这架仅由二人之力制造的双座轻型飞机，除去独特的推进翼&固体火箭双动力外，最为引人注目的就是它的机翼采用了环形设计，实验和实践证明，这种极具美感的设计同时也有着很高的实用价值，世界各国都有过关于这方面的研究，现代尤其在民航领域，这种新颖的设计正在逐渐成为进一步拓展飞行领域的有力武器。
云之彼端中的环翼机----薇拉希拉
简述：采用环形固定翼设计的飞机被称为环翼机，环形机翼可以看做是翼尖相连并经过圆整的双翼，升力高于双翼，并且不存在横滚稳定性问题，非常适合立式垂直起降飞机，并且环形翼还具有风阻小、结构重量轻、失速特性好、高速特性好、易于操纵以及易于安排立式飞机的起落架等优点。
研发历史：环翼机，通常指环形固定翼飞机，有记录以来最早涉及此领域研究的是二战时期的德国。
二战后期，纳粹德国转入战略防御，本土和占领区的生产设施遭到盟军飞机的狂轰滥炸，传统固定翼飞机的对起飞条件的限制较大只能进行面防空甚至区域防空，这样就造成了无法第一时间对地方轰炸机做出反应。
于是在二战后期，在研制喷气式飞机提升飞机本身性能，增大制空权优势的同时，也提出了垂直起降的点防空飞机。竞标这个项目的有著名的福克公司的“推进翼”方案，迈巴赫公司的Ba&349火箭动力飞机，以及亨舍尔公司的“黄蜂”、“云雀”方案。其中“黄蜂”和“云雀”方案就是环形机翼方案，动力为环形机翼内部的一台涡桨发动机。可惜的是，这三种方案中除Ba&349外都因为进度问题而落选，Ba&349也只是完成了样机生产而并没有投入实战。
& &左面两架分别为“黄蜂”、“云雀”
虽然二战中这两架飞机并未投产，然而冷战时期，与德国人同宗的奥地利人赫尔穆特?冯?兹波罗夫斯基却继承了这种新颖的设计思想，在铁幕下的法国展开了他的研究，并先后完成了多款立式垂直起落环翼机设计方案，最终定型的C.450“甲虫”型环翼战斗机造出了第一架原型机，不幸在第九次试飞时因设计缺陷坠毁，最终在新建德国空军的竞标中输给了F-104，第二架原型机始终未能完成。
C.450“甲虫”在建造厂房和拖车上
步入现代以后，环翼机在民航领域，尤其是在小型飞机上的价值再一次被挖掘出来，曾出现过很多个人或团体设计并制造的事例，这时因为开发目的的变更，不再强调垂直起降和紧凑外形的环翼机得以拥有更高的稳定性和易操作性，而洛克希德、波音等大型飞机制造企业将也开始将视线投向这种奇特的设计风格，可以预见环翼机在未来会有更好的发展。
环形机翼的设计分类：主要分为前、后翼，后翼前掠和前翼后掠这几种。
环形机翼的气动性能实验：按照以上分类，分别对不同几何参数的环形机翼设计方案进行模型低俗风洞测试。（注：以下因为相关资料较少，所以不加入过程分析，只总结结果）
升力特性：由绘制图像可知，环翼机的总体特征为失速性能较好，这是因为后翼处于前翼的尾流区中，减小了最大有效仰角。最大升力系数较小为0.91左右，随仰角变化的升力线斜率为0.075左右。
阻力特性：在中、小仰角时，环翼阻力比传统固定翼小，当仰角增大，环翼的阻力增长率也比传统翼型低，可见总体来说，在低速条件下，环翼机的阻力特性较之传统翼更加优秀。
力矩特性：在中、小仰角时，基本保持静稳定，而当仰角超过20°，出现静不稳定情况，这是由于出现了翼尖效应和翼根效应，使压力中心出现了前后位移。
几何参数对性能的影响：因为对于环翼机，可改变的几何参数较多，且当改变一种参数时，其他参数为了保证整体性构造也需要进行调整，这就导致了环翼机性能随几何参数的改变较为剧烈。
总结：环翼机的特性是，失速性能好，诱导阻力小，随仰角等几何参数变化，其升阻比变化较小，在大仰角时性能不稳定。
现代环翼机的研究方向：机身和机翼设计的配合；可变机翼；起飞方式的改进。
附录：第三届飞行器设计大赛中的“和谐号”环翼超音速客机
“和谐号”是继“协和号”之后的未来先进超声速客机，它采用了与传统飞机布局形式所不同的环形机翼以及尾吊式发动机布局，融合了环翼机和弓形翼飞机的气动优势，采用了激波控制技术、激波压缩升力技术、氢燃料技术、层流减阻技术、柔性蒙皮技术、音爆抑制技术等先进技术，高空巡航速度可达M3，航程达13000千米。
机头和部分机翼采用了先进的智能柔性蒙皮技术，可以根据飞行状态智能调节外形，提高整体的气动性能，如形成操纵面、自动形成层流翼型、以及通过振动增加边界层流动能量或清除边界层，这种柔性蒙皮能大大提高飞机的气动性能，使得飞机在大部分飞行状态下都能保持高的气动效率，好的操稳特性。机头整流罩采用的柔性蒙皮可以在低速飞行如起降时变形，使得机头产生脱体涡，对机翼进行有利诱导，产生涡升力，改善飞机的低速性能。在高速时，机头柔性可变形整流罩与头部激波杆组合变形，控制不同速度下的激波形状，使激波正好打在机翼前缘，产生压缩升力。
参考文献：《环翼机低速气动特性风洞实验研究》&北京航空航天大学&李蒙，邓彦敏
&&&&&&&&&《垂直起降的“甲虫”----法国斯奈克马C.450环翼机研究始末》
&&&&&&&&&《“和谐号”环形翼超音速旅客机》&&第三次飞行器设计大赛&
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