[科普中国]-可折叠机翼

简介

飞翼布局飞行器拥有很高的气动效率，但飞冀布局飞行器不能像常规飞行器一样在机冀后缘安装巨大的增升装置，为了保证气动效率，把翼面积做小，这使得飞冀布局飞行器起降品质降低。要保证起降品质，把翼面积做大，但气动效率有会大打折扣。

变体飞行器分为多种形式。主要有主动气动弹性机翼(AAW)，滑动蒙皮机冀、压缩机翼、折叠机翼。

国内外所研究的可折叠的变体飞行器都是以机翼向上折叠，在飞机起飞的时候基干打开，飞机巡航的时候机翼向上折叠减阻，机翼向下折叠，冀面积变化大，带来的效果更明显，但其难度系数更大。

背景传统的飞行器设计通常采用改变机翼外形的方法，如采用前缘缝翼、后缘襟翼、变后掠角、变翼型弯度、变展长等方法，以适应起降、巡航和高速飞行等不同的时示状态，力求获得比较理想的性能。但这种方法机构复杂、功能受限、效率较低，难以适应较广范围飞行条件的变化。新一代空天飞行器从地面或运载平台上起飞、穿越大气层飞行、执行各种使命，其飞行环境、条件和状态变化范围很大;而采用固定外形与传统机械机构操纵的飞行器很难适应如此广泛的变化，从而无法始终保持优良的使用性能。

自然界给人们许多启示:鸟类可以随着时示速度变化不断白适应地调整翅膀的面积，保持最佳翼载值，并以优异的性能白如地翱翔。鸟类或昆虫之所以能够在强风和复杂环境下悬停或稳定时示，主要原因是它们的翅膀以及身体可根据外界条件改变完成白动变形。发展新型智能变形飞行器，不仅是白然界给予我们的启示，也是现代飞行器研究所提出的必然需求。

“变形机翼”概念的提出，可以追溯到上个世纪。早在1916年，美国已有人提出“变形机翼”的专利申请，至今已有90多年的历史。航空技术发展至今已有100多年，时示器设计技术不断进步。可收放起落架、襟翼、变后掠机翼等，实际上可以看作是“智能变形时示器”发展的初始阶段。1979年，美国NASA与波音签订合同，发展了柔性复合材料“自适应机翼; 可连续变化外形，获得最大气动效应，并于1987年进行时示试验。1985一1992年，NASA与Rockwell合作，开展“主动柔性机翼(AFW)”计划，1996年以后将其扩展为“主动柔性机翼（AAW）”计划。与此同时，美国国防预研局（DARPA）、NASA、美国空军等机构联合开展“智能翼（Smart Wing）”，研究计划，展示了形状记忆合金等智能材料的应用潜力。美国NASA制定的“21世纪航空发展展望”中已对这种飞行器有过设想，并期望在2030年左右将其变为现实。1

发展近年来，美国已经开始试验真正意义上的“变形飞机”。目前，洛克希德·马丁公司和Hypercomp / NexGen公司正在分别开展研制的“变形机翼”项目，该项目是美国DARPA“变形飞机结构（Morphing Aircraft Structure），缩写为MAS”研制计划的一部分。MAS研制计划的目的是为军用飞机开发新一代技术，使之通过变形部件大大提高军用飞机的多用途能力。DARPA的MAS研制计划利用了近10年来在先进材料和控制技术领域的技术进步和研究成果，使机翼的外形得到彻底的改变，据称这些新技术甚至具有可以使机翼表面积扩大到300%以上的潜在能力。DARPA现阶段MAS研制计划的研制重点是亚音速和跨音速变形机翼技术。目前已有3种方案:1)洛克希德·马丁公司的“折叠机翼”方案，该方案采用压电作动器，可将机翼全部或部分打开，以适应不同时示条件，保持良好时示性能。打开后的机翼面积较完全折叠状态可增加近3倍。从某种意义上讲，这种机翼代表了后掠机翼的一种先进应用，但也将带来不利影响，即内段机翼倚着机身折叠时将引起局部非定常流动现象。2)新一代航空技术公司的“滑动蒙皮”方案，可在时示过程中逐步仲展或收起机翼，改变其外形和面积，满足起飞、低速巡航和高速机动时示等不同要求。3)雷声公司的“压缩机翼”方案，在机翼内安放展开和收缩机翼的作动机构，可按照需要改变机翼的外形。

2006年8月，新一代航空公司成功地进行了机翼在时示中改变外形的演示验证试飞。该机采用柔性蒙皮变形机翼，在185~220千米/小时的速度下成功地将翼展改变了30%，翼面积改变了40%，后掠角从15度改变到35度。和新一代航空公司不同，洛克希德·马丁公司提出的“折叠机翼”可变形飞行器概念，可在不同时示环境下变化机翼形状来完成特定的飞行任务。

此外，欧洲也启动了多个单位合作的3AS(Active Aeroelastic AircraftStructures)计划，旨在变传统的消极抑制气动弹性问题的状态为主动利用气动弹性来提高飞行效能。

可折叠机翼结构模型

可折叠机翼几何外形和尺寸如上图的左图所示。可折叠机翼由两个翼段组成，均可以独立旋转。上图的中间图为机翼折叠时外形变化示意图，从图中可看出内、外翼，内、外翼铰链线和折盛角。采用NACA63006翼型，材料选用2mm厚的铝。

利用MSC.NASTRAN软件作为分析工具，建立精确的高保真有限元模型。将机翼结构中主要传力零部件转换为相应的弹性元、杆、梁或板单元，并赋予其相对应的材料属性，使模型具备质最特性(质量、质心、惯量)，再确定连接间的约束类型.机翼折叠过程中，铰链可简化为扭转弹赞单元。采用刚性单元将内翼和机身，以及内翼和外翼连接点相连接，再用弹簧元连接它们方向的自由度，以模拟铰链的刚度，如上图的右图所示。2