[科普中国]-变形飞机

特点

对于军用飞机而言，未来变体飞机采用智能变形技术，可以解决不同设计点气动布局的矛盾，改善多功能性，可在短跑道上起飞，大大增加航程，提高其经济性和作战效能。民用飞机采用变体技术可以针对飞行各阶段的不同要求改变机翼的平面形状，如在巡航阶段可增大机翼的展长或改变弯度，以达到提高飞机升阻比，增大航程的目的；或利用发动机进气道和尾喷口变形技术，在保持同样航程的情况下，达到降低噪声、节省燃油的目的。1

原理变形飞机是一种柔性的、具有结构自适应能力的新概念飞行器，它在飞行过程中可以根据需要灵活改变自身（目前主要是机翼）的气动外形以适应飞行条件的变化，从而使飞机在执行不同任务或处于不同飞行环境时的飞行性能都可以保持在最佳状态。一旦这种变形技术进入使用阶段，将会大幅提高未来飞机的性能。

变形飞机概念的提出源于鸟类飞行对人类的启示。人们在长期观察中发现，尽管人造飞行器的飞行高度和速度是鸟类等飞行动物无可比拟的，但鸟类在飞行过程中其翅膀、身体各部分甚至每一块肌肉、每一片羽毛都可本能地随气流进行微妙地、近乎实时的调整，因而能够在各种复杂环境下随意地盘旋、倒飞、悬停或侧向滑行，这种能力却是目前的人造飞行器所不可企及的。若能模拟鸟类的这种能力，在飞行过程中有目的地调整飞行器的气动外形将显著减小飞行阻力，增大升力，从而大幅提高飞机的飞行性能(加快速度、增大机动性、降低油耗)，并最大程度地满足不同任务状态(如起降、巡航、俯冲、机动飞行等)或不同飞行环境(如高度、速度、气象条件等)下对飞机飞行性能的不同要求。变形飞机就是在这种思想指导下，将新型智能材料、作动器、激励器和传感器无缝地综合应用于飞行器的一种全新设计理念。这种飞机表面遍布有灵敏的传感器(类似于鸟类的感觉神经)密切监视着整个机翼和机身表面的气压条件变化，并适时将这些变化传递给内部作动器(类似于鸟类的骨骼肌肉)，通过作动器平滑而持续地改变飞机机翼甚至部分机身的位置、形状和尺度以响应不断变化的外部环境，使飞机的气动外形始终保持在最优状态，从而像鸟类一样在空中灵活自如地飞行。2

优点经研究发现，飞行器采用变形技术后除具备优异的气动外形从而提高飞行性能外，还具有以下优点：提高飞行安全性，并改善飞机起飞着陆性能以适应在各种条件的机场(如短跑道机场)起降；在变形技术基础上可以形成新的舵面设计和流动控制方法，改善飞行器的操纵和控制品质；利用机翼变形来操纵飞机可以取代现有飞机上的全部控制翼面，减轻结构重量、减小阻力和雷达反射面积(目前飞行器的控制翼面都是较大的反射体)；在飞行器上综合应用变形技术(包括变形机翼、变形机身以至于变形进气道、变形喷管等)有助于改善发动机性能，拓宽其跨高度、跨速度稳定工作范围，提高推进效能；在战时可根据战场态势和战术需要机动灵活地改变自身隐身特性，减小或故意增强雷达散射面积。2

应用变形飞行器所固有的各种优异特性使其无论在军用还是民用领域都有广阔的应用前景。从目前国外(主要是美国)对变形飞行器潜在用途的研究来看，主要包括以下几方面：

无人机无人机采用变形技术后能从根本上改善其不同任务状态下的飞行性能，将同时兼顾长航时巡逻飞行、高速冲刺和高机动飞行能力，使无人机在担负传统的侦察监视任务的同时具备有效打击各种地(海)面甚至空中目标的能力。随着技术的成熟，变形技术未来同样可以应用到有人驾驶飞机上。

巡航导弹将智能变形技术应用到巡航导弹上，战时可针对不同的作战任务、战场环境和攻击目标，通过采用自适应变形弹翼技术等措施机动灵活地改变导弹气动外形、飞行性能和隐身特性，在大幅提高作战效能(增大导弹射程、提高命中精度、增加突防概率)的同时扩展导弹的任务领域(从单纯的一次性攻击扩展到待机巡飞、侦察监视、目标指示或弹群领航等诸多任务)。

直升机变形技术的应用将会促进直升机用的智能变形旋翼(如美国正在研制的“任务自适应旋翼”)的研制。这种旋翼可以自动感受旋翼自身或者机体的振动、噪声等特性，并适时对旋翼有关参数进行相应调整，从而使直升机的飞行性能、操控特性、振动噪声以及旋翼本身的结构、重量和疲劳性能都得到极大的改善。

空天飞行器新一代空天飞行器将跨大气层飞行执行各种使命，在飞行过程中其速度、高度和环境将在大范围内急剧变化，传统的固定外形或通过机械操纵局部调整气动外形的飞行器很难适应，采用变形技术则可解决这一难题。

微型仿生飞行器微型仿生飞行器采用变形技术将有助于改善抗风稳定飞行能力，降低能耗，增加航程和续航时间。

民用飞机变形技术用于民用飞机可降低油耗、增大航程、减小噪音、提高乘坐舒适性。目前德国宇航中心(DLR)实验室正在进行这方面的研究，希望通过采用变形结构(包括可变形后缘)来改变“空客”A340等飞机在飞行过程中的机翼形状，以提高其升阻比。
由上述用途可以看出，变形飞行器作为一种具有“智能”功能的、按需应变的新概念飞行器，在各种飞行环境和各种任务状态下都具备良好的飞行性能，能做到性能与效能、成本与效益的兼顾，大大扩展了传统飞行器的任务领域，对未来高技术飞行器的发展将产生巨大影响，甚至有望成为新一代飞行器性能取得突破性进展的重要源泉，因此无论在军用还是民用方面都有着有广阔的应用前景。尤其是在军事上，一旦变形技术成熟并大量采用将大幅提高军用飞机的综合作战效能和效费比，为军用飞机的设计思想带来革命性的变化，并在军队战术思想、作战模式和组织编制等方面引发一系列重大变革。2

型号举例“海鹞”战斗机英国的变形飞机——“海鹞”战斗机是舰载式的战斗机。它起飞时像直升机一样，利用背上的螺旋桨腾空而起，飞到一定高度后，突然从两侧伸出“翅膀”，背上的螺旋桨则停止转动，直升机立刻就变成了战斗机。3

英国宇航公司生产的“海鹞”战斗机是世界上第一种实用的可以垂直起落、快速平飞、空中悬停和倒退飞行的战斗机。该机由英国霍克·西德尼航空公司研制，经长时间研制后，于1966年8月31日首飞。在1982年4月的英阿马岛战争中，英国的“海鹞”曾发挥过重要的作用，使用AIM-9“响尾蛇”近距空空导弹击落了多架阿根廷幻影Ⅲ战斗机和其他攻击飞机。“鹞”式各型都可装备各种空对空、空对地(舰)导弹、各种炸弹及火箭发射器等武器装备。4

F-14“雄猫”可变形飞机F-14“雄猫”(Tomcat)是最初由美国海军研制，后来被伊朗国王购得，因为它是当时能获得的最复杂的战斗机。这种飞机装备了空对空导弹，特别是拥有一个能在60英里范围内同时跟踪八个目标的雷达装置，远比伊拉克的任何武器都更先进。5

F-14战斗机是冷战时期美国为对付苏联远程轰炸机而设计的，是美国海军航空队配备的超音速、远程截击舰载战斗机，其最大特点是速度快，并且是美国第三代战斗机中火力最强的机种，也是最早具备打击能力、多目标跟踪能力的第三代战斗机。6

我国发展“中国人要不要研制智能可变形飞行器？怎样研制？同样的问题，恐怕是政治家、军事家持一种观点，科学家、工程师可能会持另外一种观点，甚至在科学家和工程师之间也有很大分歧。”在中国科学院院士、北京理工大学校长胡海岩看来，虽然大家看待智能可变形飞行器技术的角度不同，但可以取得基本共识，这就是要立足长远，从现在就开始谋划“路线图”并积极展开研究。

胡海岩说，智能可变形飞行器研究将给技术科学和工程实现带来巨大挑战，从而推动相关科学技术的巨大进步。人们在朝着一个远大科技目标努力的过程中，会产生很多科学发现和技术创新的副产品，有时副产品的价值甚至会超过原来的主攻目标。在科学技术发展史上，有很多这样的例子。

“就开展智能可变形飞行器研究而言，它将会对飞行器总体技术、空气动力学、功能材料、智能结构、自动控制等研究产生直接推动，还会促进仿生结构、流固耦合、机电驱动等新兴交叉技术的发展，甚至带来飞行器设计、载运工具设计的革命性变化。”胡海岩说，“从这些方面看，智能可变形飞行器研究对我们有很大的吸引力。”

航天科工集团科技委研究员花禄森也认为，开展智能可变形飞行器的研究会对中国科学技术产生很大的带动作用。“不能因为智能可变形飞行器是前沿技术，需要基础研究和技术集成的时间长，我们就放弃。如果等着一切都成熟了再去做，那就已经晚了。”

“智能可变形飞行器可以提高我国航空航天的综合设计水平，牵引相关技术的发展。”沈阳飞机设计研究所研究员邱涛表示，通过开展变体飞机技术的研制，将极大促进相关学科的发展和交叉、融合。它涉及力学、材料学、控制科学、仿生学、电子学、计算数学信息科学等学科。如计算力学和材料科学的交叉导致多尺度、跨层次计算；空气动力学与仿生学的交叉产生新流型以及气动弹性分析技术的发展；空气动力学、结构力学、气动弹性力学、数学与材料科学的交叉，形成飞机外形、结构和材料的多种综合优化设计的发展；智能材料、控制理论和信息科学的交叉促进智能结构及其主动控制的发展，形成飞机多学科优化设计和总体设计集成的理论与方法。

在沙龙上，与会专家对于是否要搞智能可变形飞行器这个问题，基本达成一致意见：中国人应该搞，而且要搞好。

在沙龙上，邱涛介绍了中国变体飞行器的研究现状：从20世纪90年代起，许多科研院所和高校开展了变体智能材料领域的研究。尽管中国多家单位在变体飞机相关的基础技术研究方面做了一定的工作，但如何将单项技术集成起来研究发展新一代飞行器，还没有总体牵头单位。邱涛说：“仅靠单项技术的突破不可能研制出创新的飞行器。”

在谈到中国开展变体飞行器的研究目标时，邱涛认为，以变形机翼为牵引，开展先期综合集成研究，经过15年左右的时间突破各专业的关键技术，经地面试验和试飞验证之后，推广应用到军用飞机、民用飞机以及航天工程上。 在中国目前的国情下，怎么来思考智能可变形飞行器技术发展的未来？对此，胡海岩表示，决不能仅仅是跟踪国外技术。对于智能可变形飞行器这样一个具有远景的研究来看，由于没有直接的型号需求或者背景需求，应该立足国情，准确把握国内已有的技术优势，把这些优势综合起来，制订适当的中长期奋斗目标，分阶段实施。

参加沙龙的中国科学院院士周恒表示，对于智能可变形飞行器研究而言，应该提出一个很明确的目标，包括技术上的近期、远期的可行性，表明想要达到什么效果。

中国科学院院士、中国科学院研究生院教授童秉纲提出，智能可变形飞行器研究可以从自然界生物的飞行和游动得到重要启示，因此要高度重视仿生学等基础性研究，包括昆虫和鸟类的飞行原理，抗风稳定飞行的能力，乃至生物材料和结构等。有些问题虽然很难，但不能因为难就放弃，要从实际需求出发，用系统工程的观点加以安排。

对于如何确定中国研制智能可变形飞行器的路线图，花禄森表示，从中国航空航天的研究现状看，要想不增加飞行器的重量就实现智能可变形，目前还不太可能，因为目前的材料水平、驱动器水平等等都差距很大。从实际情况看，飞行器的全面变形，目前还难以实现；而局部变形，在可承受的范围内，实现飞行器性能的提高并不是不可能的。

花禄森说，循序渐进可能比较好，技术成熟一点用一点，同时加大基础研究，这需要耐心、毅力和韧劲。