當紙上的化學物質被屏幕上的數字像素取代時，人類實現了從畫像到攝影的變革。如今，美國航空航天局（NASA）的科學家和工程師通過研究證明了飛機結構也可以通過小型單元的「積木式」組裝實現定製化設計。近日，NASA正在開展的「任務自適應數位化複合材料航空結構技術」（MADCAT）項目披露了最新研究進展，通過4米翼展的飛翼模型風洞試驗結果初步驗證了這種結構的潛力。
MADCAT項目背景——3年時間從小尺寸原理驗證到大尺寸製造和風洞試驗
MADCAT是在NASA的收斂航空解決方案（CAS）計劃下推出的首批項目之一。在CAS計劃支持下，2016年NASA聯合麻省理工學院研製出「積木式」柔性機翼的小尺寸驗證機Madcat V0，其翼展1.32米，展弦比3.81，通過數值仿真、風洞試驗和飛行試驗，完成原理驗證。為了確定這種超輕複合材料積木式結構的設計和製造是否可以從試驗臺擴大到全尺寸飛機，NASA艾姆斯研究中心與蘭利研究中心、麻省理工學院、加州大學伯克利分校以及聖克魯斯進行合作，完成了該飛翼模型的設計和製造，目的是驗證積木式結構可以在非常低的質量密度下還具有足夠的強度和剛度，以及可編程組件具有調整結構氣動彈性響應的能力。
採用熱塑性材料3D列印製造的「體積元」是積木式飛機結構的基礎
積木式飛機結構內部不再是傳統的離散式的梁肋骨架，而是大量的骨骼狀體積元，體積元用螺栓連接在一起，形成一個類似於細胞的積木式結構，該結構不僅可以承受飛行中的氣動載荷，還可以在氣動載荷下按照特殊的設計產生變形，包括機翼彎度和扭轉角的變化。
積木式結構主要由桁架結構、柔性蒙皮、驅動系統三部分組成。桁架結構由八面體體積元通過微型螺栓連接而成，體積元是由高剛度碳纖維複合材料注塑成形的骨骼狀多面體；柔性蒙皮為聚醯亞胺薄膜，通過螺栓與桁架結構連接；驅動系統主要包括伺服電機和轉向管。轉向管在伺服電機的驅動下帶動桁架結構連續變形，蒙皮用於維持光滑的氣動表面。
體積元材料包括兩種不同的聚醚醯亞胺熱塑性材料：一是具有20%短切玻璃纖維增強材料的Ultem 2200，二是未增強的Ultem 1000。所有的體積元都具有相同的幾何形狀，但使用不同的材料，通過注塑成型來生產，這種工藝流程具有尺寸公差小、機械性能變化不大等優點。
目前，尚沒有在大規模生產的情況下證明積木式飛機結構的成本優勢，但通過此次飛翼模型的製作，展現了其對於提高製造速度的巨大優勢。
試驗過程和初步結論——積木式結構可按飛機要求實現定製化設計
為了完成此次試驗，MADCAT項目製造了三個半翼展機翼：其中兩個使用相同的材料，僅使用Ultem 2200增強體積元，每個機翼包含2088個體積元；另一個採用不用的材料，包含1741個增強體積元和347個未增強體積元。此外，每個機翼還包含大約2500個接口部件和300個蒙皮壁板。
具有相同材料體積元結構的機翼被用作具有異質結構（由不同材料體積元拼接而成的結構）模型的基線模型（即試驗對比項）。初步試驗結果顯示，異質結構可以被程序化，即具有可編程性，能夠智能地產生機翼扭轉和增加機翼彎度來提高升力並降低阻力。具體做法是：通過沿展向安裝Ultem 1000體積元來實現扭轉，通過在內翼段下部沿弦向安裝Ultem 1000來降低剛度，從而增加機翼彎度。
積木式結構的未來應用方向——變體飛機和空間結構
由於積木式結構柔性機翼通過在飛行過程中連續光滑變形，能有效提升飛機操縱性和經濟性，是未來變體飛機的重要技術方案選擇。NASA稱這種模塊化的機翼結構概念，可用於未來新型轟炸機和高空長航時無人機，或將成為未來飛機提高機動性、降低成本的重要途徑之一。
隨著MADCAT項目的完成，該團隊已經啟動了另一個項目，新項目旨在開發一種機器人，用於組裝和重構積木式空間結構。NASA還認為，這種模塊化、超輕的積木式結構可以用於月球、火星甚至是系外行星探測器，因為藉助組裝機器人，積木式結構可以在太空中完成自動組裝，從而大幅降低發射成本。
責任編輯：伍行健