[科普中国]-自适应翼型

简介

由于飞行器的舵面如机翼上的舵面副翼、襟翼与主机翼之间存在缝隙，影响舵面的效率，因此产生一种自适应机翼的概念，它是通过在飞行中改变飞机机翼的几何构型或用流动控制方法来调整翼面上的流动和气动力载荷，使气动力在整个飞行包线中每个飞行状态都接近最佳状态，从而达到提高飞行性能和减轻结构重量的目的。它不再是传统意义上的舵面，因而也没有缝隙，没有铰链力矩，是今后发展的方向。2

国外研究情况改变机翼几何外形的技术包括改变机翼后掠角和翼剖面弯度，通过柔性机翼来实现，主要目的是为满足第四代战斗机在亚声速和超声速飞行状态下均具有高机动能力的需求，综合可变后掠角和变弯度技术形成了任务适应性机翼概念。数字式飞控系统可根据不同的飞行状态和飞行任务连续地改变机翼后掠角和弯度，以产生不同飞行状态下的最小阻力和最佳升阻比，这种机翼不仅具有优良的巡航性能，还能承受更高的机动载荷和减轻阵风引起的振动，美国从1985年到1988年进行了59次飞行，试飞数据显示飞行阻力减少7%~20%。

NASA目前正在开展主动气动弹性机翼(AAW)的研究，这种机翼的副翼和前缘襟翼不像传统的舵面，它的弯曲变形是靠机翼波连续变形引起，因而不产生缝隙影响，也就没有传统的舵面、舵轴。它的控制面由数字式飞控系统操纵，从气动上诱导机翼发生扭曲，以进行跨声速和超声速滚转控制。2003年5月一架经过改装的F/A-18A完成了AAW的第一阶段共计50次飞行，并将继续进行飞行试验。2

控制结构自适应机翼的结构控制是将探测元件、驱动元件和微处理控制系统与基体材料相融合，形成具有识别、分析、判断、动作等功能的一种结构。用智能材料结构制成的自适应机翼，能实时感知外界环境的变化，并能驱动机翼弯曲、扭转，从而改变翼型和迎角，以获得最佳气动特性，降低机翼阻力系数，延长机翼的疲劳寿命。美国国防部和NASA也在研究形状自适应结构和空气动力载荷控制，内容包括弯曲翼片、弯曲造型、控制面造型和可变刚性结构。该计划的最终目标是掌握如何利用机翼扭转进行跨声速和超声速滚转控制，将整个机翼作为一个控制面来使用，如果计划成功，未来高速飞机有可能无需飞机尾部的水平控制面。

AAW在概念上与莱特兄弟开发的“机翼翘面”控制系统相似，但AAW采用了副翼和前缘襟翼等传统控制面，从气动上诱导机翼发生扭曲，机翼采用了一种用来提高滚动控制和跨超声速飞行能力的柔性机翼，在机翼上增装了作动器、开裂前缘襟翼和可使机翼外段上翘5°的薄壁蒙皮。NASA认为主动气动弹性机翼计划是其“变形”飞机计划的第一步，柔性机翼所应用的灵敏材料技术、主动流动控制技术和其他新兴技术都是21世纪航空航天飞行器的关键技术。2

主要功能自适应机翼的主要功能有：

直接升力控制。自适应机翼通过改变机翼表面弯度而不需改变机翼迎角，就能使飞机的升力发生变化，因此，可使飞机在不改变姿态的情况下，改变飞行高度。

巡航弯度控制。通过精确地调整翼型，使飞机获得最大升阻比，从而提高航程。

机动载荷控制。机动飞行时，通过机翼内外段弯度控制，使机翼内段弯度大于外侧弯度，从而降低机翼弯矩。这样，一定强度的机翼结构，就可承受更大过载，使歼击机具有良好的机动性能，而相对于一定的机动过载而言，则可以减轻机翼的结构重量。

减缓阵风载荷。在遇到向上阵风时，变弯度机翼外侧翼段弯度自动减小，从而减小阵风引起的附加升力，减小低空飞行时的颠簸，同时亦可提高飞机的疲劳寿命。

横滚控制。通过左右机翼弯度控制，代替左右副翼偏转造成左右升力不同而进行横滚控制。例如，左翼弯度比右翼大，则左翼升力大于右翼，飞机右滚。1

前期技术自适应机翼将在下一代先进技术战斗机上得到应用。有的资料指出，应用自适应机翼可使飞机总重下降10%，航程增大15%，升限提高25%，可用过载提高20%。自适应机翼的前期技术为空战襟翼，或称机动襟翼，该技术目前已在战斗机上得到应用。机动襟翼通常由前缘机动襟翼和后缘襟翼两部分组成：该襟翼与普通襟翼最大的区别在于，它不仅仅是在飞机起飞着陆时使用，还能根据飞行状态(飞行Ma和迎角)自动偏转，以F-5E为例，在起飞和降落时，前襟下偏24°，后襟下偏20°；中速机动时，前襟下偏24°，后襟下偏8°；超声速时前后襟都处于0°状态(右图)。随着主动控制技术的提高，F-14和F-16等飞机上的机动襟翼，已做到可根据Ma和迎角自动连续调节。

机动襟翼的基本原理同变弯度技术相同，亦即利用机动襟翼，改变机翼的弯度，改善机翼表面的气流特性，延缓气流分离，从而提高升阻比，增大最大升力系数，因而可提高可用过载，增大航程和升限。1