飛機外形的案例
高超聲速飛機氣動外形概念設計
20 世紀初，美國就開展了高超聲速飛機的相關研究，并先后提出了多個概念方案。廖孟豪等[3]對美國軍方和軍工部門提出的4個高超聲速作戰飛機概念方案進行了梳理，對比分析了各個概念方案的氣動布局特點，分析認為，美國高超聲速作戰飛機氣動布局向提升低速特性、降低內外流耦合程度、增加機身容量等方向演變。左林玄等[4]詳細總結了高超聲速飛行器的氣動布局分類，并指出未來高超聲速飛行器的布局將向翼身融合布局和乘波體布局兩個方向發展。李憲開等[5]結合高超聲速飛機的需求，分析了高超聲速飛機氣動布局設計存在的問題、難點和關鍵技術。
氣動布局技術是水平起降高超聲速飛機研制的核心技術之一。崔凱等[6-7]采用前體/發動機一體化設計思想，給出了一種雙旁側進氣翼身融合體概念設計方案。國內對高超聲速飛行器的相關研究日趨活躍，但對高超聲速飛機尤其是氣動布局方面的研究還不多，而且缺乏具體的應用背景和需求指標牽引。劉濟民等對高超聲速ISR平臺的軍事需求進行了分析，并對其在未來海戰中的應用進行了研究[8]。根據軍事需求分析得到的能力需求，目前的技術發展水平和對未來作戰使用的基本構想，對高超聲速ISR 平臺做以下技術想定，見表1。
表1 高超聲速ISR平臺主要技術指標
Table 1 Main technology index of hypersonic ISR vehicle
本文以上述高超聲速ISR 平臺目標圖像為需求牽引，擬采用類乘波體氣動布局，對高超聲速ISR平臺的氣動外形進行初步設計與性能分析，并進一步驗證氣動外形概念方案滿足設計需求的程度，找到軍事需求與技術滿足度之間的差距，為高超聲速飛機氣動布局技術研究指明努力的方向。
1 氣動外形設計方法
氣動外形設計包括乘波前體氣動外形優化設計、機翼設計。
展開 飛機突破音障的瞬間，不可思議
更嚴重的是，激波能使流經機翼和機身表面的氣流，變得非常紊亂，從而使飛機劇烈抖動，操縱十分困難。同時，機翼會下沉、機頭往下栽。
如果這時飛機正在爬升，機身會突然自動上仰。這些討厭的癥狀，都可能導致飛機墜毀。這就是所謂“音障”問題。
由于聲波的傳遞速度是有限的，移動中的聲源便可追上自己發出的聲波。當物體速度增加到與音速相同時，聲波開始在物體前面堆積。如果這個物體有足夠的加速度，便能突破這個不穩定的聲波屏障，沖到聲音的前面去，也就是沖破音障。
1947年，查理耶格爾駕駛火箭發動機推進的貝爾X-1機首次突破聲障。
突破音障重要的是技術因素，不是一味的提高發動機推力，而在于通過改變飛機外形刺破音障，比如現在基本采用的方法是用很長的空速管來刺破音障，現在大多數機型都能突破音障飛行了，甚至達到三個馬赫數，即三倍音速。
超音速飛機的機體結構，同亞音速飛機相當不同：機翼必須薄得多；關鍵因素是寬高比，即機翼厚度與翼弦的比率。設計師們想出的辦法之一，是將機翼做成三角形，前緣的后掠角較大，翼根很長，從機頭到機尾同機身相接(如幻影-2000)。另一個辦法，把超音速機翼做得又薄又短，可以不用后掠角(如F-104)。
所以，根據一架飛機的外形，我們就基本上可以判斷出它是超音速還是亞音速的飛機了。
當飛機以超過音速的速度飛行，飛機所發出的聲音的密度波無法跑在飛機前方，所以就全部疊在機身后方，形成了圓錐形狀的音錐。當這種 爆震波傳到時，我們就聽到所有累積起來的聲音，在聽覺上，這就是一聲轟然巨響的音爆。在這一瞬間，整個世界都安靜了，一切聲音全被拋在了身后！
在飛機正好要加速穿過音障 (sound barrier)時，在飛機的周圍，有時候會有一團云霧形成。
展開 【深度學習驅動的流體力學計算與應用】專題
【深度學習驅動的流體力學計算與應用】專題
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展開 渦槳飛機襟翼載荷計算研究
圖1 滑流覆蓋的襟翼部分動壓增加
槳盤前方遠處動壓：
槳盤后方被滑流覆蓋的襟翼部分動壓：
動量定理描述如下：
式（3）中：T為螺旋槳拉力，N;則式（3）可轉換為：
槳盤平面處相對遠前方來流的速度增量系數為：
被滑流覆蓋的襟翼部分相對遠前方來流速壓比為：
滑流收縮截面面積與螺旋槳槳盤面積比為：
收縮截面直徑與槳盤直徑比為：
本文以4發渦輪螺旋槳飛機為例，滑流對襟翼載荷的影響可假定為使其收縮截面覆蓋的襟翼部分的速壓從原始的Q增至Q'，則單側（兩發）襟翼載荷的滑流修正系數可得：
代入式（6），式（10）可轉化為：
將式(11)得到的滑流修正系數KS乘以襟翼無動力情況下載荷即可得到考慮滑流影響的襟翼載荷，將滑流覆蓋襟翼部分（收縮截面直徑D'）內的襟翼壓力分布乘以速壓變化比即可得到考慮滑流的襟翼壓力分布。
2 計算輸入
2.1 計算對象
圖2 飛機外形示意
本文研究飛機構型為4發渦槳飛機，兩側各兩個渦槳發動機，圖2為襟翼偏轉后飛機外形示意。
X軸沿飛機水平基準線，逆航向為正；Y軸垂直于機身對稱面，逆航向向左為正；Z軸在飛機對稱面內垂直于橫軸指向上方。
襟翼形式為定軸固定子翼雙縫襟翼，在展向某截面處分為內、外襟翼，共4片襟翼，圖3為襟翼形式切面示意。
圖3 襟翼形式示意
2.2 計算工況
通過工程算法計算考慮滑流襟翼載荷，比較篩選出的襟翼載荷嚴重工況如表1所示。
表1 嚴重工況
采用CFD對嚴重工況進行考慮滑流、噴流計算，用以對比工程算法結果。CFD驗證計算使用的網格如圖4所示。
展開 
MIT和NASA聯合研發可變形機翼：應用超材料技術
據國外媒體報道，美國國家航空航天局和麻省理工學院合作研究出一種可變形機翼，這種所謂的“超材料”采用輕量級的晶格框架，能夠根據空氣動力自動改變形狀，能夠讓飛機飛行更加節能。
如果你坐在飛機上靠窗的位置，或許能夠看到一側機翼上的襟翼在飛機起飛和降落時抬起或落下。這是因為在飛行的每個階段，理想的機翼參數各不相同。到目前為止，人們只是通過鉸鏈改變剛性機翼的升力特性。但是，美國國家航空航天局和麻省理工學院正在研究如何讓整個機翼改變形狀。
在《智能材料與結構》雜志上發表的一篇論文中，研究團隊解釋了他們是如何重新設計機翼的。這種機翼的新結構是輕量級的晶格框架，由成千上萬個重復的、類似火柴棍的小三角形支柱組成，表面覆蓋看一層輕薄聚合物。這種所謂的“超材料”是中空的，不到橡膠密度的千分之一，所以它非常輕。而且，精心定位的支柱允許機翼根據空氣動力加載條件的變化自動改變形狀。這兩個因素都能讓飛機更加節能。
輕量的可變形機翼引發了人們對理想飛機外形的思考。有了這項技術，我們或許能夠擺脫傳統飛機設計。當然，在萬米高空看到機翼形狀發生變化還存在于理論之中。目前的研究距離商用飛機還有很長一段路要走。與此同時，這種研究成果還具有重新設計其他結構的潛力，比如風力渦輪機的翼狀葉片。
展開 【基于openfoam&fluent深度學習算法驅動的流體力學設計與應用】專題
【f'luet深度學習驅動流體力學專題】
Python編程偽譜法求解NS方程
方腔流、圓柱繞流、小球入水的Fluent求解流程
梯度下降算法的Python實現
二階函數極值問題的求解
經典模型實現流體超分辨
深度學習模型實現流體的超分辨
利用Neural ODE求解特定流體（多體問題）
流體力學的拉格朗日算法
流體力學的拉格朗日神經網絡
高精度格式求解可壓縮流體力學方程
深度學習模型求解可壓縮流體力學方程
Python編程實現反向追蹤算法
前沿技術深度聚焦理論與實踐結合，新興技術探討
【openfoam深度學習驅動的流體力學計算與應用】專題
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展開 以色列初創公司將在巴黎航展展示全電支線飛機原型機
以色列初創公司Eviation計劃于2019年6月在巴黎航展上展示其首款“愛麗絲”（Alice）全電動支線飛機原型機。公司首席執行官奧默·巴約海（Omer Bar-Yohay）表示，第一架飛機正在法國瓦內斯的一個機庫中生產，已初具飛機外形。該機將在法國巴黎附近組裝，方便參加揭幕儀式，但是飛行測試和認證將在美國亞利桑那州普雷斯科特進行，安柏瑞德航空大學(ERAU，坐落在佛羅里達州東南部，其航空航天工程課程被美國《新聞與世界報道》評為全美排名第一)將提供幫助。
巴約海表示，“愛麗絲”全電動支線飛機的研制一直由Eviation的創始私人投資者提供資金，距離此款飛機通過認證并投入生產，公司至少還需要籌集2億美元。目標是到2021年底獲得型號合格證。Eviation計劃制造3架原型機，希望第一架飛機在巴黎航展之前試飛，但預計2019年6月之前沒有足夠的試飛時間。
Eviation已經吸引了幾家風險分擔合作伙伴，他們準備承擔一次性費用，以使自己公司的系統適應“愛麗絲”。這些公司包括生產電傳操縱系統計算機和駕駛艙的供應商霍尼韋爾公司，以及生產螺旋槳的哈策爾公司。韓國的Kokam(2018年11月被以色列智能能源和逆變器提供商Solar Edge以8800萬美元收購75%的股份)已被指定為鋰離子電池的原始供應商，電動機可能采用西門子的，但Eviation計劃為飛機系統選擇第二供應商。
Eviation公司的愛麗絲飛機采用平底升力體機身，為內置大型電池組提供了更大的空間。
展開 仿真模型互通及ANSYS多物理場技術分析
以飛機氣動外形設計為例，設計師在優化飛機氣動外形設計的同時，需要兼顧雷擊防護，RCS等電特性，還要保證機體結構外形/材料等參數調整以后，不會影響整機、關鍵部位的結構強度。
ANSYS專注工程化的仿真技術開發近50年，尤其是在多物理場耦合/多學科系統集成仿真領域已耕耘近20年。支持ANSYS自研“單一求解器架構”、“多求解器耦合架構”多物理場耦合技術；更可以通過相關接口，集成第三方語言、工具、標準，最終實現復雜系統高魯棒性多學科系統集成仿真，有效支撐企業新產品的創新開發需求，支撐企業數字化轉型。
以飛機電動剎車系統多學科系統實際工程仿真為例。整個系統由控制、電力電子、電做動、機械傳動、電動剎車盤、輪轂、輪胎等部件組成，上述模型在系統仿真集成前，需要進行有效的創建與驗證。同時上述模型在創建過程中，除了考慮基本性能意外，還需要考慮不同物理場之間的相互交互影響，比如地面濕滑程度，飛機飛行高度/速度，不同溫度等因素。在ANSYS環境下，用戶可以通過多種途徑分別構建上述部件、分系統的高保真模型，如電路、框圖、狀態機、物理場模型集成、第三方廠商元件庫、第三方軟件系統仿真等。同時，以相關技術為支撐，如物理場模型降階等技術，有效保證上述模型在系統中的求解速度，最終達到系統仿真精度與速度的平衡。
另外，多物理場/多學科仿真技術在實際應用過程中涉及大量數據、流程、經驗的管理問題。ANSYS SPDM仿真數據流程和數據管理平臺，以開源PDM平臺為基礎深度開發，可有效管理多物理場/多學科仿真過程中產生的海量仿真數據、協助用戶標準化仿真流程、有效管理仿真人員，并且可以與其他PDM系統有效集成，共同支撐企業的數字化研發創新平臺搭建。
展開 CFD數值模擬技術在飛機設計中的應用
CFD在飛機外流模擬中的功能主要體現在：
(1) 可以在一定范圍內較準確地預測氣動力參數，代替部分風洞實驗；
(2) 可以與很多優化算法相結合，對氣動外形進行優化設計。
CFD在面向工程應用方面目前仍然存在一些急需解決的問題。
(1) 首先是復雜外形飛機的網格生成問題?，F在得到CFD學界公認的一個事實是：一個復雜外形飛機流場的數值模擬工作，網格生成需要的時間占整個工作的70%；
(2)高精度高分辨率的數值格式，現代飛機的外形極其復雜，流場中一般會存在激波、旋渦與分離、激波與附面層干擾等復雜流動現象。要想準確預測飛機的氣動力參數，數值格式必須有準確捕捉這些復雜流動現象的能力；
(3) 湍流數值模擬；
(4) 計算效率問題。
既然認識到，飛機外流場模擬中的主要工作量集中在復雜模型的網格生成上，作為一個簡單的例子，下面，將采用star-ccm+這一工具來實現一個飛機模型的網格劃分及計算，當然，在這里，并不打算對計算細節進行討論，僅僅起到一個拋磚引玉的作用，以引起大家對CFD數值模擬在飛機方面應用的興趣。
展開 美國萊特電氣計劃同西班牙Axter合作開展混合電推進飛機演示驗證
美國初創企業萊特電氣(Wright Electric)計劃與西班牙混合電力輕型飛機開發商Axter航宇（世界上第一個（2011年）將混合動力系統應用在固定翼無人機上的制造商）合作開發1架9座的混合動力驗證機，2019年試飛。萊特電氣的最終目標是開發一款186座的電推進窄體客機。
位于馬德里的Axter航宇公司正在試飛1架2座的基于泰克南P92的混合電推進原型機AX-40S，并正同萊特合作將1架現有的9座渦槳飛機改裝為混合推進飛機(計劃2019年試飛)。萊特的首席執行官杰夫?恩格勒(Jeff Engler)表示，下一步將是50座級的驗證機。
01
Axter混合電推進的2座AX-40S驗證機集成了1臺Rotex活塞發動機和1臺電動機。
萊特電推進窄體客機的定義工作正在與歐洲低成本航空公司易捷航空(EasyJet)合作進行。這包括對飛機設計師達羅德·卡明斯(Darold Cummings)設計的飛機外形進行評估?？魉乖鴧⑴c了美國實驗航宇系統公司（ESAero）為NASA設計的ECO-80電推進飛機項目，他負責總體布局設計，現在的布局是該機的一個進化。
02
達羅德·卡明斯設計的186座客機采用了分布式電推進布局。
展開 【風能模型】風能模型的發展及 CFD 在風資源開發利用中的應用
引 言
早期 CFD 廣泛用于空氣動力學，比如飛機外形設計、發動機設計、汽車外形設計、渦輪發動機設計，以及一些傳熱傳質工業設備，比如流化床等，其特點是能夠建立復雜形狀的網格，很好地模擬復雜結構內的流場。隨著計算機技術的發展，CFD 可以建立更大規模的網格，用于風工程、環境工程領域，研究橋梁抗震、高速列車安全、街區空氣污染等。
隨著風能開發利用規模的擴大，需要對大氣邊界層流場中更多微尺度的運動過程進一步研究。Raithby 等基于 CFD 開展的山地風場研究是這方面最早的工作之一。然而，CFD 對于復雜下墊面高雷諾數的大氣邊界層風場模擬仍面臨挑戰。
本文首先回顧了風能模型的發展 ，包括基于CFD 的風能模型，之后從中尺度到微尺度的“降尺度”、尾流模擬和復雜地形風場模擬 3 個方面詳細評述了 CFD 在風能開發利用中的重要作用，最后對風能模型發展過程中 CFD 方法所面臨的挑戰進行了展望。
風能評估和風電選址模型
CFD模型
大多數 CFD 模型對 N-S 方程進行求解，并使用恒定的入口風剖面運行到收斂。對于理想的情況，比如懸崖或丘陵二維/三維流動， CFD模型表現良好，并能刻畫出湍流的高精度細節特征。
研究發現，由于能夠自適應地生成各種復雜地形上的貼體網格，處理局部的復雜流動，CFD 模型更適應于復雜地形條件下的邊界層流場模擬。
但有一些研究也表明，CFD 模型并非在所有情況下都優于行業標準的 WAsP 模型，在平坦地形 WAsP的模擬結果要好于某些 CFD 模型。
數值天氣預報（NWP）模型
中尺度數值天氣預報模型通過質量、動量、熱量、水汽以及其他如氣溶膠等守恒方程的時間、空間積分計算預報大氣系統的演化過程，在風能開發利用中已得到廣泛應用。
展開 
以飛機為例的MBSE系統架構入門系列(1)
飛機系統簡介
飛機是系統，因為它可以飛行和運輸有效載荷（系統功能），這得益于其所有實體連接在一起，如發動機、機身、機翼和機載系統。因此，架構圖描述了系統的不同方面。例如，架構可以表示組成系統的所有部分、它的生命周期、外部用戶如何操作它以及許多其他信息。系統架構是一種特定的體系結構，它只表示作為系統一部分的所有組件（系統體系結構中的實體）以及它們是如何連接在一起的。體系結構框架為多個系統體系結構的標準表示提供了指導方針。文獻中有幾種架構框架可用，例如Zachman的框架、DoDAF、MODAF、NAF和TOGAF。
飛機電氣系統的組成部分有:
直流發電機
電池
開關
斷路器或熔斷器
繼電器
電壓調節器
安培計或loadmeter
母線
電線
直流電氣系統的用途包括但不限于:
起動電動機
燃料泵
導航、通信和監控工具(無線電、GPS、警示燈等)
燈(位置、防碰撞、著陸、滑行、客艙、儀表、轉彎指示器)
機翼
起落架
飛行員加熱
圖2 飛機外形特征和功能的描述圖
上圖展示了一種傳統的固定翼飛機，這是一種基本飛行器。
展開 超音速科技即將再出江湖，上海到洛杉磯僅需6小時
在傳統的超音速噴氣式飛機中，沖擊波隨著它們從鼻子和尾部向外擴展并聚結，從而產生兩種截然不同的音爆。
圖示：Spike Aerospac聲稱其S-512噴氣式飛機可以在沒有明顯音爆的情況下在陸地上空進行超音速飛行。
降低噪音的關鍵在于飛機外形的設計，使得沖擊波在遠離飛機時依舊可以保持分離。這意味著沖擊波傳播到地面時仍然處于分離狀態，從而只是產生一系列輕微的噪聲。
洛克希德·馬丁公司的實驗飛機計劃在2021年底建造完成。2022年中期，美國國家航空航天局將開始在美國各城市進行飛行測試，以收集有關當地人對超音速飛機持何種態度的數據。
從2025年開始，美國聯邦航空管理局(FAA)和國際民用航空組織(ICAO)將利用這一機制起草有關在陸地上空進行超音速飛行的新規則。
目前的法規意味著民用飛機只能在水上進行超音速飛行。
Spike Aerospace公司首席執行官維克·卡喬里亞(Vik Kachoria)表示：“你必須能夠在沒有音爆的情況下飛行，從而不會干擾到地面上的人們?！痹摴維-512公務機的設計目標是搭載12到18名乘客，以1.6馬赫的速度飛行。
圖示：Boom Supersonic研發中的超音速客機將搭載55名乘客。
Spike Aerospace表示，其“安靜的超音速飛行技術”意味著它能夠以超音速飛越陸地，而不會對人們造成不適。
Spike Aerospace還沒有透露它將如何做到這一點，但它選擇了的機身設計中，機翼向后略55度角。
低成本的超音速飛行？
這樣以來，如果音爆問題得到了解決，那么超音速飛機的成本又如何呢？
協和式飛機上的機票價格是普通商用飛機頭等艙價格的四倍。但這三家公司都表示，他們的目標是讓超音速旅行不會比今天的商務艙票價貴。
展開 中國商飛神秘未來客機模型亮相珠海航展
除了CR929的展示模型驚艷亮相，ARJ21 “三姐妹”飛行表演以外，中國商飛還公布了兩個未來客機的靜態模型，引起國內外民用飛機專業人士以及愛好者的關注。這兩型飛機的特征從專業術語上說應該屬于翼身融合與桁架機翼的范疇，都是以追求高效的氣動特性與環保特性為目標。不過耐人尋味的是，中國商飛除了模型外觀以外沒有公布更多的技術參數與設計細節，可能是出于競爭與保密的原因，使這兩型飛機顯得更加神秘。中國商飛多年來致力于ARJ21，C919與CR929的研發工作，其中ARJ21已經成功取證并投入運營，后兩者的試飛與研發工作也如火如荼。本屆航展我們能夠猜測商飛內部對未來客機的研發也提上議事日程，我國民用飛機從業者一點一滴的前進令人欣喜。
從以上幾幅圖片來看，這兩架飛機的外形流暢，比例協調，具有很強的工業設計感，相信已經經過了嚴謹的論證。由于專業所限，本號暫不對這兩型飛機的技術特征進行細致分析，歡迎廣大網友留言討論。下文貼出美國波音的類似設計方案，我們可以看出中國商飛的靜態模型在整體布局和一些部件特征上與其存在達成一致的設計，此外更多局部更有了自己的想法。這可能也是我國的工程師們在經過多年錘煉以后，已經有了一定的積累能夠孕育出創新精神了，這個現象是可喜的。
波音針對“N+2”代飛機提出的翼身融合方案
波音針對“N+3”代飛機提出的高升阻比桁架機翼方案“Sugar Volt”
展開 CAD產業的發展回顧與思考(唐榮錫）
原來該機建立理論外形時采用波音在1970年代的曲面建模方法，在數據庫中存儲離散點集，用相對密集的點構造小片棱面來逼近飛機外形。這樣構造飛機外形，調用數據方便，計算簡單，但在進氣道內外唇部等曲率變化突然的部位，用以構造結構件外形時，發現等距面的計算誤差太大，難以投產。于是625所協同工廠突擊開發 NURBS精確曲面系統，用CADS系統重新逼近業已生產定型的飛機理論外形，作到整體逼近誤差小于0.1毫米。整個項目投資80萬元人民幣，耗時一年半，而從國外引進類似源程序則要200萬美元。
從1980年起，625所引進法國 Forest-Line公司技術，與該公司合作生產大型三、五坐標數控龍門銑床，共兩個系列、十個品種規格。1985年航空部所屬航空精密機械研究所(303所)向意大利DEA公司引進橋式測量機技術專利，合作生產IOTA系列的標準型和精密型測量機共24種型號。
1995年625所建成FMS北京實驗中心，投資4千萬元人民幣，配有兩臺五軸、一臺四軸銑切加工中心，裝卸站、立體倉庫、刀具庫、六軸刃磨機、在線測量機、液壓校正機、清洗機、巷道堆垛起重機等，可以生產1m以內中小型飛機結構件。
成都飛機公司和西安航空發動機公司都是我國CIMS應用工程的示范企業。此外，各飛機工廠還自行研制了數模和數控加工編程系統，如西飛的AD80和NC87，上飛的飛龍-79繪圖系統和飛龍81四坐標數控自動編程系統，漢中陜西飛機公司的MAPT微機自動編程系統等。
西飛研制的飛豹全天候超音速殲擊轟炸機獲1999年度國家科技進步特等獎，就是用AD80的孔斯曲面建立全機數模，并用N87繪制全部理論模線和結構模線并加工飛機零件，以后又通過自編的接口程序將AD80數模等價轉換成CATA的 Bezier曲面。
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