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变外形飞行器概述
当下常见的飞行器如民航客机，其机翼为一种折中的方案，允许其在一系列飞行条件下飞行，但每种条件下的性能都是次优的。鸟类不同的飞行形态允许其在不同的环境下进行广泛飞行，生物学家的观察表明，像猎鹰这样的鸟类能够利用气流和热量以翅膀高展长比的方式在高空盘旋，直到它们检测到它们的猎物，一旦发现猎物，这种鸟就会变成一种打击形态，扑向毫无防备的猎物[1]。设计师参考自然界生物特点，将其与飞行器设计和控制相结合，从而演变出变外形飞行器。
图1老鹰的盘旋和打击形态
变外形飞行器种类概述
变外形飞行器的变形方式目前主要以机翼变形为主。除了机翼变形外，还有如倾转桨式变形的“鱼鹰”运输机、变机身的“协和”式飞行器以及DARPA的MAS（MorphingAdaptiveStructure）项目的混合式变形等。
机翼变形的三个主要分类：1）机翼平面内变形，2）翼型变形，3）机翼平面外变形。分别对应图2中从左至右三类变形方式[1][4]。按北东地坐标系描述为飞行器的体坐标系。机翼平面内变形包括改变机翼的弦长、后掠角和展长，以及改变机翼展长方向的弯度，即描述了在X-Y平面上的任何变化；翼型变形包括改变翼型的厚度和弯度，弧度变化是翼型变形的一个子集，从这个意义上说，翼型的弧度或曲线速率发生变化，而不是弦长、厚度或其他几何形状的变化；机翼平面外变形则主要为机翼在Z方向的变化。如美国F-14战斗机的变后掠角方案如图3所示，该飞机的后掠角可以在20°至68°之间根据当前飞行环境的最佳升阻比自动变化。并且在紧急情况下，F-14可以用不对称的机翼安全地飞行和着陆。
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图2机翼变形分类及示意图
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图3F-14不同的飞行形态（变后掠角）
”鱼鹰”运输机是在类似固定翼飞机机翼的两翼尖处，各装一套可在水平位置与垂直位置之间转动的旋翼倾转系统组件，当飞机垂直起飞和着陆时，旋翼轴垂直于地面，呈横列直升机飞行状态，并可在空中悬停、前后飞行和侧飞；在倾转旋翼机起飞达到一定速度后，旋翼轴可向前倾转90°角，呈水平状态，旋翼当作拉力螺旋桨使用，此时倾转旋翼机能像固定翼飞机那样以较高的速度作远程飞行[5]。
图4“鱼鹰”运输机的不同变形模式
可下垂的机鼻头锥是协和飞机的外观特征之一，既能在飞行时保持飞机的流线外型减低阻力，又可以于滑行、起飞和着陆时改善飞行员的视界。为了减少飞行阻力，协和飞机的机头较其他民航机更长，并呈针状。三角翼飞机起飞和着陆时的迎角较大，又长又尖的机鼻会影响飞行员对跑道、滑行道的视野，因此协和飞机的机头设计成可以改变角度以迎合各种操作需要[6]。
图5“协和”式飞行器的不同变形模式
下图为LockheedMartin公司给DARPA的MAS项目提供的“折叠机翼”方案。飞行器的机翼分为内翼和外翼，两者之间通过铰链连接，在需要时内侧机翼能够完全贴合到机身上，使机翼面积和位置都发生大幅改变，这种改变能够将长途巡航飞行与快速打击目标的能力结合起来。该飞行器按照典型的高-低-高任务剖面飞行时，任务航程可增加30%-50%。由于在机翼折叠部位和折叠机构上使用了多种先进材料，使得变形带来的增重小于飞行器总重量的4%。对于该项目的相关气动测试等见文献[7]，具体设计及测试见文献[8]，具体计划见文献[9]。
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图6LockheedMartin的“折叠机翼”方案概念图及风洞试验
参考文献
[1]BarbarinoS,BilgenO,AjajRM,etal.AReviewofMorphingAircraft[J].JournalofIntelligentMaterialSystemsStructures,,22(9):-.
[2]陆宇平,何真.变外形飞行器控制系统综述[J].航空学报,,30(10):-.
[3]杨贯通.变外形飞行器建模与控制方法研究[D].北京:北京理工大学,.
[4]LaS,JoeWY,AkbarM,etal.SurveysonSkinDesignforMorphingWingAircraft:StatusandChallenges[C]//AIAAAerospaceSciencesMeeting..
[5]
