变形机翼技术如何让天空变得更“洁净”

出品：科普中国

作者：兰顺正

策划：宋雅娟

监制：光明网科普事业部

近日外媒发布消息称，由莱昂纳多公司牵头开展的“洁净天空”“支线飞机变形机翼”项目已进入与翼尖、机翼前缘和后缘相关的变形概念的高级设计阶段。

鸟类翅膀航空应用潜力巨大

鸟类一直是人类模仿的飞行对象

在过去，“像鸟儿一样飞翔”是无数古人的梦想，但即使在航空技术高度发达的今天，“像鸟一样飞翔”仍然有其先进之处。众所周知，机翼是飞行器赖以飞行的主要部件，而在飞行中有目的地改变机翼外形(如机翼后掠、改变翼展和弯度等)，可以有效地增加机翼的效率。这其中最常见的就是，在飞机起飞和降落时，机翼需要在副翼、襟翼、扰流器和其他控制舵面的辅助下改变形状，以达到最理想的机翼参数，但是目前此类调整方法笨重、复杂、效率低下，而在自然界，鸟类的翅膀就可以轻易做到这一点。

其实早在20世纪80年代，各国就开始致力于像鸟类翅膀一样灵活摆动的可变形飞机机翼研究。当年美国空军曾在F-111型战斗轰炸机上测试“任务自适应机翼”。这种机翼融合了可变掠角和无缝变弯度技术，可根据飞行情况自动改变机翼的几何参数，进而使飞行阻力减少20%以上。但是由于当时技术尚不成熟，这种机翼反而增加了飞机的重量和功率需求。

麻省理工团队用结构片搭接的变形机翼

而在近年来，随着柔性结构技术的进步，以及商用飞机的增加而带来的增加飞行效率并减少排放的需求，变形机翼技术再次获得发展。如2016年美国麻省理工学院研究团队设计了一种全新的变形机翼概念，由许多像鳞片或羽毛一样的细小的、轻量化的结构片搭接而成。这种结构片采用碳纤维增强聚合物之类高比模量材料制成，可以像积木一样组合成各种形状，结构片间也可像鳞片或羽毛一样相互运动，通过小型驱动电机在翼尖施加一个扭转力矩即可使机翼沿翼展方向产生一致的变形。通过仔细选择结构片尺寸、材料以及组装方式，可以精确地控制最终机翼的形状和弹性。

变形机翼让天空变得更“洁净”

而此次由莱昂纳多公司牵头开展的“洁净天空”“支线飞机变形机翼”项目是人类在模仿鸟类飞行中的又一次突破，其基本原理是，通过调整机翼的形状和弧度，以适应相应飞行阶段所需的配置，特别是在飞行的上升和下降阶段，优化机翼的气动性能。目前，研究人员正在考虑引进先进的前缘变形设备，同时结合变形后缘，通过使用两个或三个铰链，使机翼更像鸟的翅膀，可连续旋转或移动，更自由地改变机翼形状，在控制系统的帮助下，无需飞行员直接干预，将空气动力阻力可能带来的影响降到最低。

鸟类翅膀堪称最先进的“机翼”

目前，“支线飞机变形机翼”项目已进入与翼尖、机翼前缘和后缘相关的变形概念的高级设计阶段。相关风洞试验项目计划将分几个阶段两年内展开。第一阶段将侧重于与起降条件相关的低速飞机性能评估。第二阶段将着重于阵风影响衰减系统。第三阶段将使用1:3比例模型评估高速柔性机翼，研究变形装置的气动性能和减载能力。所有这些实验步骤都是为最后的验证步骤做准备，与结构主动减载系统相连的主动翼尖变形装置将安装在现有飞机上，并做相应修改。

预计未来支线航空运输将以年均6%的速度增长三倍，而这将产生约9000架新支线飞机的市场需求，因此将大大增加了全球航空排放负担。而“支线飞机变形机翼”技术一旦成功，能带来显著的节能和环境效益，其作用将不可估量。

军事小词典

变形机翼技术：指的是通过模仿鸟类的翅膀，可以在飞行中有目的地改变机翼外形，从而有效地增加机翼效率的技术。