解析變形機翼技術發展趨勢

中國航空報訊：4月7日，由萊昂納多公司牽頭開展的「潔淨天空」「支線飛機變形機翼」項目已進入與翼尖、機翼前緣和後緣相關的變形概念的高級設計階段。氣動性能已根據要求進行了評估和初步評估。變形元件、結構和最終機械設計已經完成，驅動和控制系統的結構設計也基本完成，即將啟動實驗技術全尺寸機翼模型製造階段，隨後進入地面測試，以檢查與製造、結構組件、變形裝置功能、內部安裝、可接近性和維護相關的所有方面。這些結構地面測試正在進行中。

「潔淨天空」「支線飛機變形機翼」風洞試驗項目計劃在兩年內展開，將分三個階段進行。過去幾十年間，美國已經開展了若干變形機翼演示驗證項目。1985~1988年，美國空軍和NASA聯合開展了F-111任務自適應機翼（MAW）演示驗證。MAW將可變掠角和無縫變彎度技術進行結合以維持不同速度下的氣動效率。1994~2001年，美國DARPA開展的「智能機翼」（Smart Wing）項目對一個無尾飛翼布局無人作戰飛機的柔性後緣控制面進行了風洞測試。2003~2007年，DARPA的「變形飛機結構」（MAS）項目對可改變飛機機翼掠角、弦長和面積的無人機方案進行了驗證試飛。一直以來，歐洲也發展了大量的變形機翼項目。從目前的情況看，美歐從未停止對變形機翼技術的研究。雖然該技術的可行性早已得到驗證，應用前景異常廣闊，但是要真正走向現實還有很長的路要走。

空客A340「刀鋒」層流機翼驗證機

變形機翼關鍵技術

變形機翼或變形飛機技術特性被認為具有良好經濟性，可節油、減重、減阻、降噪，提升效率，降低飛機製造和運營成本，可執行多任務，可提升飛行性能，提升隱身能力。在軍、民領域都具有廣闊的應用前景。關鍵技術包括外形的優化設計、結構創新、激勵器、空氣動力學、控制技術、新發動機技術、系統集成技術等。

技術研究與開發的相關機構包括美國NASA（格林研究中心、蘭利研究中心、德萊頓飛行研究中心）、美國空軍研究實驗室（以及陸軍、海軍實驗機構）、DARPA、麻省理工學院、馬裡蘭大學、弗羅裡達大學等；波音公司、羅克韋爾公司、洛馬公司、新一代航空技術公司、雷神公司等，歐洲包括空客、阿萊尼亞·馬基、龐巴迪、巴西航空工業等在內有數十家公司參與了相關項目。

變形機翼技術廣義上可追溯到20世紀初，狹義上興起於20世紀80年代，經歷了從「結構簡易變化」到「形狀簡易調整」再到「智能變形」的技術變革。在軍民用領域均開展了廣泛研究，並均具有廣闊的應用前景和發展空間。目前該技術重新獲得了發展，但仍處於驗證的前期階段，尚未有真正意義上的變形系統出現。近年來，變形飛機技術再次獲得發展，以美、歐為主，可能有以下三點原因：一是它能夠給予無人機設計師更大的設計自由度以消除取證要求的限制；二是商用飛機增加效率、減少排放的驅動；三是柔性結構技術的進步推動了簡便、穩健的變形裝置的發展。

美國近期發展情況

NASA、AFRL與密西根州富萊克斯公司團隊，環境自適應後緣（ACTE）技術：2015年4月28日，NASA宣布該團隊圓滿完成了新變形機翼技術的初始飛行測試，該技術將有潛力使得飛機年度燃油成本節省達數百萬美元，並可以減輕機身重量、降低飛機起降過程中的噪音。測試利用6個月時間對帶有ACTE的飛行控制面完成了22次研究性試飛。帶有ACTE的飛行控制面對現有飛機上使用的傳統襟翼進行了重大改進，並且ACTE技術可以用於改造現有的飛機機翼或集成到全新的機體，使工程師能夠減少機翼結構重量和空氣動力學來調整機翼，以促進改善燃油經濟性和更高效的運營，同時減少對環境和噪音影響。

航空夥伴公司（Aviation Partners）+柔性系統公司（FlexSys），自適應無縫柔性後緣襟翼，推動技術商業化：2015年11月23日，兩家公司計劃成立一家合資企業，共同推進變形機翼技術的商業化。柔性系統公司開發的自適應無縫柔性後緣襟翼已經在NASA阿姆斯特朗飛行研究中心的「灣流」III測試機上進行了飛行測試，顯示出了良好的節油、減重和降噪潛力。該系統長5.79米，替代了GIII測試機原有的機械分離式後緣襟翼。該柔性系統可使襟翼變形範圍達到-9到+40度，變形速率達30度/秒。在NASA的飛行測試中，已經實現了在630千米時速下-2到+30度的變形（飛行中固定偏轉角度），並通過了12192米高空、馬赫數0.75條件下的測試。兩公司團隊將目光投向了美國空軍的KC-135加油機，計劃對KC-135的後緣襟翼進行柔性化改造。柔性系統公司創始人、總裁斯瑞達·柯塔表示，KC-135內外翼後緣襟翼30%~40%弦長部分將會被柔性結構取代，這些結構將能夠根據不同的飛行速度、高度、飛機重量進行自適應的偏轉和扭轉以最小化巡航配平阻力、燃油消耗，並減輕載荷以減小機翼應力、延長疲勞壽命。在2016年度公務航空會展上，兩公司展示了其合作研製的一段變形機翼樣件，該樣件機翼可提供集成的滾轉控制、增升、巡航特性優化、載荷減輕甚至除冰功能。據稱，兩家公司正在同一個未透露名稱的客戶開展合作進行第一個變形機翼技術的商業化應用。

波音公司+美空軍，自適應柔性後緣襟翼：美國空軍研究試驗室（AFRL）2015年10月底授予波音公司一份兩年期的合同，要求後者在KC-135加油機上進行自適應柔性後緣襟翼的飛行測試，評估該技術在節油和載荷減輕方面的潛力。

美國麻省理工學院研究團隊，由像鱗片或羽毛一樣的細小的、輕量化的結構片搭接而成的全新的變形機翼概念：2016年設計了一種全新的變形機翼概念，與此前的變形機翼設計不同，這種新的變形機翼由許多像鱗片或羽毛一樣的細小的、輕量化的結構片搭接而成。這種結構片被稱為「數位化材料」，採用碳纖維增強聚合物之類高比模量材料製成，可以像樂高積木一樣組合成各種形狀，結構片間也可像鱗片或羽毛一樣相互運動，通過小型驅動電機在翼尖施加一個扭轉力矩即可使機翼沿翼展方向產生一致的變形。通過仔細選擇結構片尺寸、材料以及組裝方式，可以精確地控制最終機翼的形狀和彈性。風洞試驗數據表明，這種新型機翼在氣動性能上與常規機翼相當，但重量僅為後者的1/10，且能夠快速拆裝，維修方便。

NASA艾姆斯研究中心和麻省理工學院的工程師團隊，一種由數百個相同的微小聚合物點陣晶格組成的飛機機翼：2019年4月9日，來自NASA艾姆斯研究中心和麻省理工學院的工程師團隊已經開發並測試了一種由數百個相同的微小聚合物點陣晶格組成的飛機機翼，可以通過改變形狀來控制飛機的飛行。在這種新設計的機翼中，新裝配的系統通過在結構中結合剛性和柔性部件，可使整個機翼或部分機翼變形。大量微小的組件通過螺栓連接在一起，形成一個開放的、輕質的點陣晶格框架結構，隨後在該結構上覆蓋一層由與框架結構類似的聚合物材料組成的薄層。新設計的機翼比傳統使用金屬或複合材料製造的機翼都更輕，因此更加節能環保。因為該機翼由成千上萬個火柴棍狀支柱搭建的微小三角形組合，形成一個立體網狀結構，所以其實際上形成了一種機械「超材料」，結合了橡膠類聚合物的結構剛度以及氣凝膠的極度輕盈和低密度等特點。

歐洲近期發展情況

歐洲「變革」（CHANGE）項目：該項目已經在無人機上測試了變形機翼前後緣，並且能夠改變翼展。該項目的研究目標是獲得一種可以在起降高升力階段增加彎度、高速飛行狀態減小翼展、空中待命階段增加翼展並減小彎度的技術。

歐盟「智能飛機結構」（Saritsu）項目：2015年8月底，歐盟完成了該項目的驗證工作。該項目是歐盟第七框架航空學和航空運輸研究計劃下一個的技術研究項目，歷時4年、投資5100萬歐元。共有64家公司參與了該項目研究，空客、阿萊尼亞·馬基和龐巴迪是該項目的領導者。該項目包含三項主要內容，分別是集成傳感器、變形結構和多功能材料。傳感器技術包括監測外形、探測損傷以及影響敏感塗層的光纖和超聲技術。Saritsu項目中的機翼採用了自適應前緣下垂、變形後緣襟翼、主動翼梢後緣。材料技術採用了碳納米管增強複合材料，提高了損傷容限和電導率，並減輕了重量。Saritsu項目中主動翼梢後緣結構的作動器就安裝在翼梢結構內。

巴西航空工業公司領導的Novemor項目：該項目為一個未來噴氣支線客機的概念方案設計了變彎度機翼。該機翼具有無縫、無鉸接結構的前後緣。研究人員認為該技術可以用於對現役飛機的傳統機翼進行改裝以減小噪聲和阻力。

歐盟「智能變形與傳感技術（SMS）」項目與「電活性（electroactive）」機翼翼段：2018年1月8日，土魯斯的1個研究團隊成功進行了縮比機翼翼段變形的風洞試驗，試驗結果使空客公司看到了該技術的發展前景，空客決定繼續推進該技術研究，計劃2020年進行全尺寸變形機翼飛行驗證。2017年，歐盟委員會在地平線2020計劃下資助了一項為期3年的「智能變形與傳感技術」項目。歐盟委員會的支持促成了一個幾乎全尺寸的「電活性」機翼翼段的建設，用於在低速風洞中進行評估。該「電活性」機翼結合了形狀記憶合金和壓電作動器，能夠光滑地改變彎度和抑制湍流，未來將在A340飛行試驗平臺上評估全尺寸的變形翼段。