变形飞机技术发展现状及应用前景分析 中国航空工业发展研究中心 陈黎 本文由作者授权转载
现代飞机经过上百年的发展，其技术已经相当成熟，然而与鸟类等飞行动物相比仍有不及之处，其中最主要的就是：同样用于产生升力的飞机机翼却不能像鸟类翅膀那样自由地伸展和挥动，因此飞机也无法像鸟类那样灵活自如地适应各种飞行状态，这使其飞行性能和应用场合都受到很大限制。随着科学技术的发展，变形飞机的出现将会使这种状况逐渐有所改变。 1 变形飞机概念及原理 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实用阶段，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。 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： （1）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； （2）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； （3）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)； （4）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； （5）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 变形飞机的主要用途 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，变形飞行器今后可以用于以下领域：（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） （1）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。 （2）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)。 （3）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。 （4）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。 （5）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。 （6）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。 3 国外研究现状 “变形飞机”其实并非一种全新的概念。早在莱特兄弟发明世界第一架飞机时就采用了可变形机翼，通过缆索和滑轮来调整两侧机翼升力以控制飞机翻滚。但随着后来飞机尺寸的增大和速度的提高，机翼必须保持足够的刚性才能承受巨大的气动应力，因此这种早期的变形机翼技术没能进一步发展，产生控制滚转的升力差的任务交给了副翼。尽管这样，人们也并没有完全放弃对局部调整机翼外形的追求，并为此采用了前缘缝翼、后缘襟翼、可变后掠翼、改变翼型弯度等措施。但由于目前的飞机机翼均为刚性结构，通过上述措施调整机翼形状需要机械装置驱动，这导致整个机构复杂笨重、功能受限、效率低下，难以适应较广范围内飞行条件的变化，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，于是变形技术再次引起了人们的注意。 目前世界上开展变形飞行器研究的国家主要有美国、英国、德国等国，其中美国处于领先地位。自1979年以来，美国航空航天局（NASA）、国防预先研究计划局（DARPA）、空军研究实验室（AFRL）、波音、洛克威尔等机构（公司）曾先后开展了柔性复合材料“自适应机翼”（Adaptive Wing）、“主动柔性机翼”(AFW)、“主动气动弹性机翼”(AAW)、“智能机翼”(Smart Wing)等一系列研究，对利用变形技术提高飞行器气动性能进行了探讨。近年来美国开始研制真正意义上的“变形飞机”，DARPA从2003年开始和AFRL合作实施一项名为“变形飞机结构”(MAS)的研究计划。该计划旨在为军用飞机开发新一代技术，使之通过采用变形部件而大大提高自身的多用途能力，其最终目标是研制出一种既能快速抵达目标，又能长时间滞留在目标上空，续航能力比“全球鹰”无人机更强，机动性比F-22战斗机（美国空军现役最先进的战斗机）更好，可用于执行多种作战任务的新一代军用飞机。MAS计划将充分利用近年来先进材料和控制技术领域的技术进步和研究成果，使飞机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。 在MAS计划的第一阶段，DARPA要求相关承包商致力于变形机翼的技术研究。当时各承包商共提出了3种变形机翼方案： 3.1洛克希德·马丁公司的“折叠机翼”方案 这种变形机翼概念是在不同飞行需求下变化机翼形状。如上图所示：机翼既可全部展开（最左边）以利于起飞或巡航飞行，也可以全部收缩（最右边）以利于高速或机动飞行。为了测试这种机翼的气动性能，洛·马公司专门研制了一架小型无人验证机。该机翼展2.74米，由一台推力20千克的喷气发动机提供动力，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将增加2.8倍。该机没装形状记忆蒙皮或热聚合激励器，而是采用了压电作动器，可反复收缩或展开机翼。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，但同时也将带来不利影响：内段翼倚着机身折叠时将会引起局部非定常流动现象。 
图1 折叠机翼变形示意图
3.2 Hypercomp公司/ NexGen公司的“滑动蒙皮”方案 “滑动蒙皮”机翼与蝙蝠翅膀类似，具有很好的伸缩性，在飞行中可逐渐变大或变小，通过改变机翼面积及外形来满足飞机在起飞、低速巡航或高速机动飞行等条件下的不同要求。这种技术的主要挑战是，应使机翼表面不论张开还是收起都能随时保持绷紧和平顺，机翼“变大”后引起的刚度降低不应影响机翼结构的完整性。NexGen公司目前使用的是由自己开发并已取得专利的微型结构技术，它使机冀在改变外形的同时能够经受住不同的应力。“滑动蒙皮”被DARPA认为是三个方案中最有创意的设计，其试验平台是美国海军的“火蜂”无人机。 
图2 “滑动蒙皮”可以改变机翼面积形状，从高速飞行攻击布局（左）到低速远程巡航布局（右） 3.3雷声公司的“压缩机翼”方案 “压缩机翼”概念是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。这种设计的变形动作相对直接和简单一些，但面临的最大挑战是：由于机翼承受的载荷很大因而作动机构不可能做得太小，导致在空间有限的机翼中难于安装。“战斧”巡航导弹被雷声公司选作这一方案的试验平台。 
图3 NexGen公司研制的MFX-1验证机
从2004年5月开始，MAS计划进入历时18个月的第二阶段。此阶段的任务是设计制造原型变形机翼，并从2005年中期开始在NASA兰利研究中心的跨声速风洞中进行测试，由DARPA根据测试结果选定主承包商试制50%缩比尺寸的无人技术验证机。此阶段的合同总金额为1900万美元，洛·马公司和新一代航空技术公司各占一半，雷声公司则没能获得第二阶段的合同项目。风洞试验结果表明，洛·马和NexGen公司的设计均能满足要求，这两种变形机翼均能在不牺牲气动特性的情况下按需要改变形状，因此均获准制造验证机参加下一步试飞。2006年8月，NexGen公司研制的MFX-1验证机（无线电遥控，重45千克，喷气推进）首次成功地进行了机翼在飞行中改变外形的低速演示验证试飞，试验中该机在185～220千米/时的速度下成功地将翼展改变了30%，机翼面积改变了40%，后掠角从15°改变到35°。随后NexGen公司研制了更大型的MFX-2验证机（半自主式，重90千克，装两台推力225牛的喷气发动机）并从2007年起开始试飞。洛·马公司在验证机研制过程中则遇到了挫折，该公司制造的两架验证机在试飞过程中由于机载自主式飞行控制软件出现故障相继坠毁，被迫暂时中止了变形机翼验证机试飞计划，并为此加大了在飞机稳定性和控制等方面的投入。 4 目前面临的主要技术难题和挑战 变形飞行器的研制将涉及到变形体空气动力学、微流体力学、智能流动控制等问题，同时在动力装置、新材料、新结构、新工艺、控制技术、测量技术、电子设备、新型高效能源技术等方面均提出了更高的要求和新的挑战。其中主要的关键技术问题有： （1）变形过程中的飞行稳定性与操纵性问题 变形飞机在飞行中收放或折叠机翼时会引起重心和气动中心迅速而大幅度地变化，极易造成尾旋或失控。为解决这个问题，美国弗吉尼亚理工大学目前正用计算机模拟变形机翼对飞机稳定的影响，研究如何调整和控制飞机的稳定性。 （2）新型智能材料 变形机翼打开任何一个关节时都会露出缝隙从而引起阻力，在超音速状态下这种阻力带来的巨大应力将会彻底破坏机翼。因此需要研究一种具有足够延展性和强度的新型智能材料，它能在机翼伸展收缩过程中随时填补因机翼开合而形成的接缝。 （3）自适应结构 为了使变形机翼象生物体一样刚柔并济，还需要用到自适应结构技术。例如可以考虑通过采用新型材料构件作为机翼边缘或其它韧性部件的内部结构，使应力灵活分布。 （4）先进传感器与作动机构 对于变形机翼(或其它变形部件)来说，最关键的是将激励器、作动器、传感器及锁件机构与软件和控制这些机构的电源完全无缝地综合在一起。从目前的研究结果来看，压电材料、电致收缩材料、磁致收缩材料、形状记忆合金、生物仿生材料、导电高分子，磁流变体和电流变体等均可用于智能材料与结构的驱动。其中压电材料既可以作为智能材料和结构中的传感器，又可以作为作动器，应用前景较为广阔。 （5）气动弹性问题 变形飞行器在飞行过程中其气动力和结构特性都会发生巨大变化，因此对其气动弹性特性的研究也是一个不可回避的关键问题。
|
