[科普中国]-变形机翼

发展沿革

机翼是飞行器在飞行中可重新构型的主要部件。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。其中，改变翼展和机翼面积的效果最为突出。比如，飞机在巡航时通常要求机翼具有高展弦比和大机翼面积，而要想高速飞行，就要求低展弦比和小机翼面积。变形机翼使机翼面积能够在50%～150%之间变化，分别适应巡航和高速飞行时的需要。为飞机提供更多的升力。但是这种机械运动的襟翼和缝翼笨重、复杂、效率低下，因此，有必要寻找一种无需机械动作就能让机翼外形在飞行中发生有效改变的方法，使飞机在各种速度下都具有理想的性能。其实，变形机翼结构并非新概念，最早的变形机翼可追溯到1916年的一项专利——可改变几何形状的机翼。机翼变形结构经历了从表面到实质的变化过程。

首先是“调整机翼形状”。现有的一些飞机具备调整机翼形状的能力，如美国的F－14“雄猫”战斗机、V－22“鱼鹰”倾转旋翼机及F-117隐身战斗机等。这些飞机的机翼均为刚性结构，用大型枢轴装置与机身连接。所谓“调整机翼形状”，实际上就是将机翼的某一部分移动一定角度或位置，与真正的“变形机翼”概念不是一回事。

其次是“主动气动弹性机翼”(AAW)。美国航空航天局和空军研究实验室正在验证主动气动弹性机翼。其开发的“机翼翘面”控制系统类似，是采用副翼和前缘襟翼等传统控制面从气动上诱导轻质“柔性机翼”发生扭曲，以改善高性能军用喷气飞机的机动能力。

上述两种机翼的变化都不是实质性的变化。真正的变形机翼概念是将新型智能材料、作动器、激励器、传感器无缝地综合应用于飞行器的一种新的设计概念。变形机翼通过应用灵敏的传感器和作动器，光滑而持续地改变机翼的形状，对不断改变的飞行条件做出响应，从而使飞机能像鸟一样随意地在空中进行盘旋、倒飞和侧向滑行。也就是说，变形机翼可从根本上改善飞机的巡航和冲刺能力，以及飞行机动能力。

种类“变形飞机结构”项目首先集中研究机翼的变形技术，设计、制造和试验能够确保变形机翼在低速和跨声速飞行中伸缩150%的部件及配件(例如作动器、连接件、子系统等)。该项目第一阶段由三家主承包商承担，分别从不同的角度，以不同的概念进行研究：
(1)洛克希德·马丁公司的折叠机翼概念。这种变形机翼概念是在不同飞行需求下变化机翼形状。机翼既可以全部展开以利起飞或巡航，也可以全部收缩以利高速或机动飞行。为了测试变形机翼的气动性能，洛·马公司专门制造了一架小型无人验证机。该机由一个推力20千克力的喷气发动机驱动，机翼设计成折叠式，内段机翼可以对着机身折叠，机翼展开后有效面积增加2．8倍。该机未装配形状记忆蒙皮和热聚合激励器，而是采用压电作动器折叠机翼。从
某种意义上讲，这种技术代表了后掠机翼的一种先进应用，但也将带来不利影响——在内段翼倚着机身折叠时，将会引起局部非定常流动现象。
(2)新一代航空技术公司提出的“滑动蒙皮”机翼概念。办法是使机翼在飞行中逐渐变大，通过改变机翼的面积和平面外形来优化飞机性能。该公司使用的是自己开发、取得专利的微型结构技术，它在改变机翼外形的同时，能够经受不同的应力。计划用海军的“火蜂”无人机机体作为验证平台。DARPA认为这是三个合同商中最有创意的设计。
(3)雷声公司的压缩机翼概念。该公司计划采用美军的“战斧”巡航导弹作为试验平台。这种设计的最大挑战是，在这类武器的弹翼上承受的载荷很高，而巡航导弹的弹翼又相对较薄，所以用来安装使弹翼展开和收回的作动器的空间就很有限。
2004年5月，MAS项目进入历时18个月的第二阶段，任务是设计和制造原型变形机翼，于2005年年中在美国航空航天局兰利研究中心的跨声速风洞中进行试验。如果试验成功，DARPA将选定一家主承包商设计、建造和飞行试验一个50%缩比尺寸的无人技术验证机，称之为MASX飞机。第二阶段的合同总计1900万美元，洛克希德·马丁公司和新一代航空技术公司各占一半，雷声公司未能获得第二阶段的合同项目。

关键技术对于可变形机构来说，传统的结构、激励器、蒙皮、引擎、控制技术已经不再适用了。因为它们不可能使各种可变翼机构同时拥有结构稳定、重量轻、容易控制、气动性能好。1

外形的优化设计与传统飞机不同，可变形飞机通常有几种不同的飞行状态和飞行特性。因此，设计者必须根据各种条件和作动机构可以达到的各种情况来优化设计出可行的方案。设计者还要考虑到由于变形带来的气动中心的改变和重心的改变给飞机带来的影响。1

结构传统的飞机机翼的可动部件要比可变形飞机的少很多，其主要体现在可变形飞机机翼的翼梁、翼肋的连接对结构整体性的影响上。由于机翼内部结构的运动，蒙皮也应该做相应的运动或滑移，这样使得不该承受力的蒙皮也相应地受到应力的作用，进而使整体结构的刚度下降。在设计可变形机翼的同时也同样需要考虑由于机翼的反复运动而导致的结构疲劳和运动滞后的影响。上述这些因素要求我们想出可以有效改变结构大小形状的方法。对蒙皮来说，其材料需要选择那些抗大应变和有良好的结构特性的材料(比如：没有塑性变形、较低疲劳损伤和环境效应)并且驱动方便。1

激励器飞机在飞行中外形的改变需要激励器克服气动力和摩擦力做功，同时需要有更大更强的可以创造空间分配问题的激励器，因此需要有更好的激励器。例如：利用气动力来增强激励器的功能，这样就可以减小空间、减小重量、减小功率。1

空气动力学蒙皮的选择也是非常重要的，因为它决定了飞机的气动性能。蒙皮不仅使机翼表面连续，还可以让机翼的横截面光滑。滑动蒙皮主要是让机翼内部的缝隙最小，柔性蒙皮的设计就是使机翼在延伸和收缩时其上均有最小的压痕，更具挑战性的是可变翼需要其在任何时候均有最佳的翼型。1

控制在控制方面可变形飞机有两个挑战是传统飞机碰不到的。第一个挑战是可变形飞机需要适应传统的控制面，由于可变翼飞机机翼表面是变动的，因此实现这一步并不简单。另外，为了适应传统的控制面，我们必须注意飞机在不同姿态下的飞行特性。这个问题可以通过利用机翼在飞机飞行中变形的不对称性来改进必要的控制结构和运算法则的办法来解决。因此，机械装置必须被设计成即使在超高频率的控制下依然可以用比较少的功率就可以使整个机翼变形。第二个挑战是运动机构与激励器的协调以便使人工控制的难度减小到最小。如果并行或分布的激励器被用于增加稳定性或降低控制难度上的话，控制者就可以以编程的方式对飞机进行控制。1

引擎如果同一架飞机需要执行截然不同类型的任务的话，传统飞机的发动机设计只要求对单任务进行优化设计就可以了。然而对可变形飞机来说，同一个发动机需要在低速和高速下均有良好的性能才可以，因此发动机的可变进气口和喷嘴就成了必要的设计选择了。1

子系统的整合即使蒙皮、结构、激励器、控制等方面的技术均已成熟，将它们和其他辅助设备很好地放人一个小的容器内也是一个挑战。并且还要保证在飞机变形的过程中，各个系统均不会受到不良影响，并且容易护理和维修。由于可变形飞机可能会比一般的飞机重，因此需要采用新型材料来减轻飞机重量。否则所有的可变形技术均不会成为现实。1