[科普中国]-任务自适应机翼

概况

随着现代飞机飞行速度的不断提高，飞机结构重量及刚度的不断降低，舒适性、燃油经济性要求的不断提高，飞机的气动弹性问题在飞机设计中的地位也就越来越突出。在高性能控制系统的支持下，如果能充分利用柔性飞机的气动弹性效应，就可能使飞机具有很好的飞行性能，更好地满足现代飞机性能的要求。随着主动控制技术在航空技术领域的不断进步，人们逐步意识到结构的柔性在主动控制技术的支持下，可以发挥更大的潜力。作为飞机主要结构部件，机翼的柔性变形对飞机气动载荷分布的影响最为显著和重要。

在机翼设计中将飞行性能、推进技术、结构、材料、气动力和飞行控制系统等多种学科集成起来，综合考虑飞机的飞行控制系统、结构柔性、空气动力的相互耦合因素，这种设计思想就是最近二十多年，国际上航空技术专家们致力发展的一种全新的飞机设计思想即自适应机翼技术。这种新概念机翼能随马赫数、迎角、大气扰动以及机动飞行等飞行条件的改变而自动改变机翼的形状，从而达到提高飞机飞行性能、燃油经济性等综合性能的要求。各国航空专家们均认为此技术的成功必将引起未来飞机设计工作的彻底改变。2

任务自适应机翼产生背景传统机翼的设计方法是在某一特定的飞行状态(比如巡航状态)下首先优化出机翼的形状，然后再找到可以达到这一形状要求的机构，从而进行机翼的设计工作。这种两步设计方法只能确保几个重要的设计点的性能，其他设计点的性能只能进行折中处理。这种折中方法设计的机翼只能在某一特定的飞行状态(比如，巡航状态、起飞状态、着陆状态等)下性能最优，而飞机的飞行状态是不断变化的，这必然使得飞机的性能不能很好地发挥出来。但由于技术的限制，这种机翼设计方法仍然是现在机翼设计的主要方法。

随着人们对飞机的机动性、乘坐舒适性、燃油经济性要求的提高，传统设计方法的缺点越来越明显，特别是对于一些特殊用途的飞机(譬如，战斗机、巡逻机)其缺点更加突出。尽管使用传动机构控制襟翼的角度变化也能达到提高升力的作用，但是这种变化仅存在于局部范围内，而且机翼的形状变化是不连续的，从而造成了机翼表面气流的提前分离，严重影响了飞机的表面气流特性。此外，复杂的链杆机构使得飞机产生设计质量增加、操纵性和机动性不很理想以及升阻比小等一系列问题，而且铰链结构还易疲劳、寿命相对较短。在这种情况下，迫切要求一种可以不使用舵面，直接依靠机翼变形来改变空气动力特性，在各种飞行状态下均能使飞机最优飞行的机翼设计方法，任务自适应机翼就是在这一要求的推动下提出的。

任务自适应机翼是飞行中采用偏转操纵面原理的继续发展，能随马赫数、迎角、大气扰动和机动飞行等飞行条件的改变而自动通过机翼内部的联动装置连续偏转其可动构件从而改变机翼形状，并采用智能蒙皮组件以保持翼面变化的光滑连续性。

众所周知，飞机亚音速飞行时需要带弯度的机翼中弧面以提高升阻比；而超音速飞行时，则需要非弯中弧面使阻力下降。使用传统设计方法根本无法满足这一矛盾的要求，而自适应机翼可以很好地解决这一矛盾，并且还能够通过同步非对称偏转外翼前段和后段的活动组件改善大迎角横向操纵性，同步操纵机翼弯度和水平尾翼的偏度直接控制升力，增大内端机翼弯度降低大过载飞行时的弯矩，随外界扰动变化偏转分段襟翼降低在不平静大气中飞行时的载荷。连续变化的机翼表面及操纵面大大降低了雷达反射面，全面提高了飞机的各项性能。

基本原理任务自适应机翼的核心，是设计一个可以随各种飞行任务的变化，自动变换其挠曲度的机翼。这种机翼用数字式计算机和高速动作筒进行控制和操纵，能完美地响应飞行控制指令。任务自适应机翼一般是在跨音速飞机机翼的基础上制造的。前缘沿全翼展为一体，后缘分为大小相同的3段；上板随机翼曲度的变化而弯曲，下板则彼此重叠滑动。挠性前缘和后缘有一套包括拉杆、枢轴和摇臂的联杆结构。动作筒通过联杆机构，使内外侧后缘分别以30°/秒和40°/秒的速率进行转动。前缘偏转相当慢，大致为15°/秒。整个机翼用玻璃纤维复合材料制成，使之具有良好的挠性，疲劳寿命比钢大6倍，裂纹扩展也较低，具有较好的可修理性。此外，整个机翼是密封的，可防止内部机构受到污染，减少维修工作量。

任务自适应机翼在计算机控制下，能根据任务的要求，自动对机翼的各个曲度状态进行旋转。使机翼始终处于最佳工作状态。如巡航时，机翼的巡航曲度使阻力减小到最小；机动时，机翼的机动曲度使升阻比达到最大；最大载荷时，最大载荷曲度使升力达到最大；滚转时，滚转曲度使两翼升力出现差异，产生滚转力矩等。所有的这些曲度状态的选择和转化，都是由计算机根据预先设计好的程序和对情况作出判断后进行的，无须飞行员过问。因此，它不仅减轻了飞行员的工作负担，更主要是能够最佳地发挥飞机的飞行性能，去完成各种飞行任务。3