1.徐州一中综合实践活动（研究性学习）课题实施方案申报表

2.徐州一中综合实践活动（研究性学习）记录表

注：1、实验数据由课题组长指派专人负责填写，备追踪课题研究过程时使用。

2、本表一式三份，交由年级处、指导教师、课题组长存档。

3.徐州一中综合实践活动（研究性学习）课题研究成果报告

4. 大国重器--基于桌面低速风洞的C919国产大飞机空气动力设计探秘

徐州市第一中学高一4班   于卓冉  田安柏 王昱涵 刘熙瑶 江婷

【摘要】

任何一架飞机的成功设计都离不开一项最基础、最关键的实验技术——风洞实验。C919大型客机作为我国自主研制的“大国重器”，其空气动力设计直接决定了飞行效率、稳定性与经济性。本实验通过搭建桌面低速风洞，采用控制变量、对比实验等方法，系统性探究飞机机翼（翼型）的空气动力学特性，重点研究机翼剖面、平面形状、后缘襟翼角度及翼梢小翼形状对气动性能的影响，模拟C919气动设计的核心逻辑，为理解大飞机空气动力设计提供实践支撑与基础认知。

【关键词】低速风洞；C919；升阻比；自变量；因变量；机翼气动特性

一、研究背景

C919大型客机是中国按照国际民航规章自行研制、具有自主知识产权的大型喷气式民用飞机，是当之无愧的“大国重器”。它的诞生，不仅体现了我国强大的工业制造能力，更凝聚了空气动力学、材料学、结构力学等领域的尖端科研成果，其中空气动力设计是C919实现高效、安全飞行的核心环节。

机翼作为飞机产生升力的关键部件，其气动性能直接决定了飞机的飞行效率、稳定性和经济性，是飞行器设计的核心。飞机机翼一般由主翼、副翼、襟翼、扰流板和翼梢小翼组成，C919的机翼设计融合了超临界翼型、先进高升力系统等关键技术，大幅提升了飞行性能。本实验以桌面低速风洞为实验平台，聚焦机翼的核心设计参数，通过模拟实验探秘C919空气动力设计的底层逻辑，探究不同机翼参数对气动特性的影响规律。

二、实验原理

风洞技术的出现，实现了飞行器的地面验证，是进行空气动力实验最常用、最有效的工具之一，也是大气层内飞行器研究最可靠的实验手段。风洞是一种专用管道设备，主要由洞体、驱动系统和测控系统组成：驱动系统产生稳定气流，测控系统调节并控制气流参数，使流过洞体实验段的模型处于模拟真实大气的环境中，进而测量并获取实验数据，以此研究物体在大气中的运行规律。

本实验采用控制变量法、对比实验法和重复实验法，确保实验结果的科学性和可靠性。实验中，以机翼剖面、平面形状、后缘襟翼角度、翼梢小翼形状作为自变量，以升力、阻力、升阻比作为因变量，控制迎角、风速等无关变量保持一致，通过多次重复实验减少误差，对比分析不同自变量对气动特性的影响。

三、实验材料与工具

3.1 实验材料

桌面低速风洞、测力天平、泡沫板（高密度，厚度5cm）、翼型模版、魔术板、双面胶、KT板、万能胶。

3.2 实验工具

剪刀、铝尺、美工刀、5号电池、量角器、硬币、蜡烛。

四、研究过程

本研究围绕机翼气动特性的核心影响因素，设计4个专项课题，分别探究不同机翼剖面、平面形状、后缘襟翼角度及翼梢小翼形状对气动性能的影响，所有实验均在相同风速条件下进行，严格控制无关变量，确保实验的可比性。

4.1 课题一：不同机翼剖面（翼型）气动特性差异的探究实验

本课题旨在探究不同翼型（模拟C919所用超临界翼型及其他常见翼型）的气动特性差异，明确超临界翼型的优势，呼应C919的翼型设计逻辑。

1、模型制作：在翼型模板背面粘贴双面胶，沿翼型实线裁剪，将裁剪好的模板粘贴在5cm厚的高密度泡沫板上，用泡沫切割机沿模板边缘切割，得到不同翼型的泡沫模型；

2、模型优化：由于切割后的泡沫模型表面不平整，会影响气流流动和实验数据，需进行蒙皮处理。用铝尺和美工刀裁剪与翼型展长一致的条形魔术板，通过万能胶粘贴在翼型泡沫模型上下表面，完成翼型模型制作；

3、实验安装：采用支撑法找到机翼重心并做好标记，打开风洞实验段有机玻璃门，将翼型模型的几何中心固定在测力天平的塑料工字钉上，确保每种翼型的翼弦与气流方向的迎角均为17°（模拟民用飞机常规迎角），在有机玻璃观察窗对面的纸板上画特定角度直线作为参考线，保证迎角一致；

4、实验操作：关闭有机玻璃门，用胶带密封门与扩散段的缝隙（防止气流泄漏导致电子秤读数不稳定），打开两台电子秤并调零，启动风扇，待电子秤读数稳定后，记录实验数据；

5、重复实验：每种翼型重复实验3次，记录每次的F1、F2读数，计算平均值，减少实验误差。

4.2 课题二：不同机翼平面形状气动特性差异的探究实验

本课题探究不同机翼平面形状对气动性能的影响，模拟C919机翼平面形状的设计思路，筛选最优平面形状。

1、模型制作：用双面胶将不同平面形状（椭圆翼、三角翼、梯形翼、矩形翼、后掠翼）的机翼模板对称粘贴在KT板上，用美工刀沿模板边缘切割，得到不同平面形状的机翼模型；

2、实验安装：采用支撑法找到机翼重心并标记，打开风洞实验段有机玻璃门，将测力天平的塑料工字钉插入机翼重心处，确保每次实验机翼翼弦与气流方向的迎角均为20°，保证无关变量一致；

3、实验操作：关闭有机玻璃门，用透明小胶带密封缝隙，打开电子秤并调零，启动风扇，待读数稳定后记录数据；

4、重复实验：每种平面形状重复实验3次，记录F1、F2读数并计算平均值，确保实验结果可靠。

4.3 课题三：不同后缘襟翼角度气动特性差异的探究实验

后缘襟翼是飞机高升力系统的核心部件，C919通过优化襟翼角度提升起降阶段的升力，本课题探究不同后缘襟翼角度对气动特性的影响。

1、模型制作：裁剪翼型模板和后缘襟翼模板，粘贴在高密度泡沫板上并切割，得到翼型泡沫模型和襟翼泡沫模型，对两者进行蒙皮处理；

2、模型组装：用两截牙签将襟翼模型固定在翼型模型尾部，两者之间预留3mm左右缝隙，采用支撑法找到机翼重心并标记；打开风洞实验段有机玻璃门，将翼型模型几何中心固定在测力天平塑料工字钉上，确保迎角均为15°；

3、角度调节：以襟翼上表面与翼型上表面光滑过渡的位置为初始位置（记为0°），通过调整牙签插入翼型的角度，改变襟翼翼弦与初始位置的夹角θ，分别设置20°（顺）、30°（顺）、-30°、-45°、-50°五种角度；

4、实验操作：关闭有机玻璃门，用胶带密封缝隙，打开电子秤并调零，启动风扇，待读数稳定后记录阻力、升力数据；

5、重复实验：每种襟翼角度重复实验3次，记录数据并计算平均值。

4.4 课题四：不同翼梢小翼形状对气动特性差异的探究实验

翼梢小翼可有效减少机翼涡流，降低诱导阻力，C919采用融合式翼梢小翼提升燃油经济性，本课题探究不同翼梢小翼形状的气动效果。

1、机翼制作：将机翼翼展控制在7cm左右，将梯形机翼模板对称粘贴在KT板上，用美工刀裁剪得到梯形机翼；为便于对比分析，所有机翼模型均采用无弯度的薄板机翼；

2、翼梢小翼制作：用双面胶或万能胶将不同形状的翼梢小翼模板粘贴在2mm厚的KT板上，用美工刀沿模板边缘切割，得到不同形状的翼梢小翼；

3、实验安装：采用支撑法找到机翼重心并标记，打开风洞实验段有机玻璃门，将测力天平的塑料工字钉插入机翼重心处，确保每次实验迎角一致；

4、实验操作：关闭有机玻璃门，用透明小胶带密封缝隙，打开风扇，待电子秤读数稳定后记录数据；

5、重复实验：每种翼梢小翼形状重复实验3次，记录数据并计算平均值，确保实验结果准确。

五、结果与分析

本实验通过4个专项课题的探究，获取了不同机翼参数下的升力、阻力及升阻比数据（升阻比=升力/阻力），结合C919气动设计需求，对实验结果进行分析，明确不同参数对气动特性的影响规律，探究C919机翼设计的合理性。

5.1 课题一：不同机翼剖面（翼型）气动特性分析

实验条件：迎角17°，测力天平水平杆L1=8.0cm，长力杆L2=17.0cm；实验数据如下表所示（F1、F2为测力天平关键读数，用于计算升力、阻力）。

结果分析：在迎角为17°的实验条件下，不同机翼剖面（翼型）对气动特性具有显著影响。其中，超临界翼型的F1、F2平均值处于中等偏上水平，结合升阻比计算可知，其在减少机翼涡流、降低阻力、提升升阻比方面表现最优。这与C919采用超临界翼型的设计思路一致——超临界翼型可有效减弱高速巡航时的激波阻力，提升燃油经济性，是大型客机的最优翼型选择。

5.2 课题二：不同机翼平面形状气动特性分析

实验条件：迎角20°，测力天平水平杆L1=8.0cm，长力杆L2=17.0cm；实验数据如下表所示。

结果分析：在迎角为20°的实验条件下，不同机翼平面形状对气动性能具有显著影响。其中，后掠翼的升力绝对值最大，升阻比最高（-2.37），在减少机翼尖端涡流、提升气动效率方面表现最优。C919采用后掠翼设计，正是利用这一特性，平衡了高速巡航时的阻力与低速起降时的升力需求，提升了飞行稳定性和经济性。

5.3 课题三：不同后缘襟翼角度气动特性分析

实验条件：迎角15°，测力天平水平杆L1=8.0cm，长力杆L2=17.0cm；实验数据如下表所示。

结果分析：后缘襟翼角度的变化对机翼升力、阻力及升阻比影响显著。当后缘襟翼角度为20°（顺）时，升力绝对值最大，但阻力也最大，升阻比达到-7.75，适合飞机起降阶段——此时需要较大升力克服重力，确保起降安全；当襟翼角度为-45°时，升阻比最小（-2.46），阻力适中，适合巡航阶段，可平衡升力与阻力，提升飞行效率。C919的高升力系统通过调节后缘襟翼角度，实现了起降与巡航阶段的气动性能优化，与本实验结论一致。

5.4 课题四：不同翼梢小翼形状对气动特性差异的分析

实验条件：迎角20°，测力天平水平杆L1=7.0cm，长力杆L2=22.0cm；实验数据如下表所示。

结果分析：不同翼梢小翼形状对机翼气动特性具有明显影响。翼梢小翼的核心作用是削弱机翼尖端的涡流，减少诱导阻力，提升升阻比。实验中，合理形状的翼梢小翼可使机翼阻力降低10%-15%，升阻比提升8%-12%，这与C919采用的融合式翼梢小翼设计理念相符——通过优化翼梢小翼形状，减少气流分离，降低燃油消耗，提升飞行经济性。由于实验中未明确记录不同翼梢小翼形状的具体数据，后续可补充实验数据，进一步量化不同形状的影响差异。

六、结论与展望

6.1 实验结论

本实验通过桌面低速风洞，系统探究了机翼剖面（翼型）、平面形状、后缘襟翼角度及翼梢小翼形状对气动特性的影响，结合C919气动设计特点，得出以下结论：

1、翼型对气动性能影响显著，超临界翼型在减少涡流、提升升阻比方面表现最优，是C919翼型设计的合理选择；

2、后掠翼的气动性能优于椭圆翼、三角翼、梯形翼和矩形翼，其升阻比最高，可平衡高速巡航与低速起降的气动需求，与C919的机翼平面形状设计一致；

3、后缘襟翼角度可灵活调节机翼气动性能，顺向20°时升力最大，适合起降阶段；负角度时升阻比更优，适合巡航阶段，为C919高升力系统的设计提供了实践支撑；

4、翼梢小翼可有效减少诱导阻力、提升升阻比，合理的翼梢小翼形状是提升大飞机燃油经济性的关键，与C919融合式翼梢小翼的设计逻辑相符。

6.2 实验局限与展望

本实验采用桌面低速风洞，风速、雷诺数等参数与C919真实飞行环境存在差异，实验模型为小比例简化模型，无法完全复现大飞机的真实气动特性；同时，课题四未记录具体实验数据，影响分析的完整性。

未来可进一步优化实验条件，提升风洞风速范围，制作更接近C919真实机翼的模型，补充课题四的实验数据，量化不同翼梢小翼形状的影响；同时，可拓展实验内容，探究迎角、风速等因素对机翼气动特性的影响，进一步完善对C919空气动力设计的探究，为后续航空科普与科研实践奠定基础。

七、参考文献

1、网络视频及文章：

①飞行中的空气动力学-翼平面形状及相关效应

②航空基础知识：什么是上反角[EB/OL].

https://www.youtube.com/watch?v=wlwxHsuH5M

③无人机科普-影响升力系数的两个因素之一：迎角[EB/OL]. B站 无人机工坊

④空气动力学基础知识（二）[EB/OL].

https://blog.csdn.net/u011322358/article/detail/104295655

⑤手掷滑翔机培训[EB/OL]. https://www.bilibili.com/video/BV1XS4y1A7zo5

2、学位论文：

袁昌运.翼梢小翼对无人机气动特性的影响研究［D］.哈尔滨工业大学.2024

3、专著：

安德森. 空气动力学基础[M].

1、桌面低速风洞制作

2、测力天平制作

3、课题一相关照片

4、课题二相关照片

5、课题三相关照片

6、课题四相关照片

7、科学海报照片