更輕、更順、更智能——柔性機(jī)翼助力高效飛行
當(dāng)前的飛機(jī)機(jī)翼材料大多選用鋁合金、碳纖維等等輕質(zhì)金屬材料。這種剛性結(jié)構(gòu)的飛機(jī)機(jī)翼，只有襟翼、縫翼等少量部位可以在有限范圍內(nèi)移動，對于不同飛行狀態(tài)的適應(yīng)性較弱。為突破剛性機(jī)翼的性能限制，自20世紀(jì)80年代開始，航空業(yè)就開始了對于柔性機(jī)翼的探索，從“結(jié)構(gòu)簡易變化”到“形狀簡易調(diào)整”，發(fā)展到再到目前的“形狀主動調(diào)整”，柔性機(jī)翼的設(shè)計(jì)、開發(fā)、實(shí)驗(yàn)從未停止。盡管柔性機(jī)翼距離大規(guī)模應(yīng)用還有很長的路要走，革命性的機(jī)翼創(chuàng)新技術(shù)也尚未出現(xiàn)，但世界各國在這一領(lǐng)域的開發(fā)，仍給航空業(yè)帶來許多令人欣喜的變化。
1.空客公司的“羽毛式柔性機(jī)翼”
2019年7月，在英國舉行的皇家國際航空塔托航空展上(Royal International Air Tatto AirShow)，空客公司公布了一款概念性客機(jī)設(shè)計(jì)方案。這款名為“猛禽”的混合動力渦輪螺旋槳飛機(jī)，大量采用了仿生學(xué)技術(shù)，外表酷炫、霸氣十足：機(jī)身是青銅色的，像一條魚。機(jī)翼與機(jī)身連接的部位，被設(shè)計(jì)得光滑而平整，這是對鷹的翅膀結(jié)構(gòu)的的巧妙模仿，也使飛機(jī)完美地利用空氣動力學(xué)原理實(shí)現(xiàn)高效飛行。它的“魚鰭”——飛機(jī)機(jī)翼的尖端部分有多個(gè)羽毛狀的翼片?！棒~尾”——飛機(jī)尾翼的設(shè)計(jì)也與鳥的尾巴有幾分神似。飛機(jī)上慣有的垂直尾翼也被省略掉了，這有助于減少飛行的阻力。
▲ 空客公司的“猛禽”飛機(jī)模型
“猛禽”飛機(jī)機(jī)翼和尾翼上的每一根“羽毛”，都可以進(jìn)行精細(xì)的單獨(dú)控制，變換角度、改變形狀。不同的“羽毛”，又可以互相配合、協(xié)同運(yùn)行，在飛機(jī)平飛、轉(zhuǎn)向、減速時(shí)，這些“羽毛”隨之?dāng)[動，幫助飛機(jī)的完成各種飛行動作。
“猛禽”飛機(jī)在機(jī)翼位伴置安裝了4臺螺旋槳發(fā)動機(jī)，為飛機(jī)提供了充足的前進(jìn)動力。這架飛機(jī)可容納多達(dá)80名乘客，航程為1500公里。受益于獨(dú)特的仿生學(xué)設(shè)計(jì)，這款飛機(jī)的燃油效率提升了30-50%，被譽(yù)為世界航空史上的重大飛躍。
空客高級經(jīng)理馬丁阿斯頓(Martin Aston)表示，“猛禽”飛機(jī)的設(shè)計(jì)，使航空設(shè)計(jì)人員堅(jiān)定了一種想法：充分挖掘仿生學(xué)的潛力并將它廣泛地應(yīng)用于把航空產(chǎn)品設(shè)計(jì)之中，把飛行變成一個(gè)讓人激情澎湃的事業(yè)。
“羽毛式柔性機(jī)翼”設(shè)計(jì)得到了英國皇家航空學(xué)會、英國工程學(xué)會等眾多單位的支持。
2.DLR TUM TU Delft的“顫振翼”
一般而言，燃油費(fèi)占到飛行總成本的1/4以上，降低油耗是降低飛行成本的重要途徑。在飛機(jī)上安裝更輕、更薄、阻力更小的機(jī)翼有助于降低航空油耗。
德國航空航天中心(DLR)、慕尼黑工業(yè)大學(xué)(TUM)和代爾夫特理工大學(xué)(TU Delft)等單位共同研制了一種顫振翼，這種機(jī)翼使用的主要材料是彈性優(yōu)化碳纖維。研究人員對碳纖維材料按特殊的方式進(jìn)行排列，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的彎曲和變形方式。DLR氣動彈性研究所的沃爾夫-賴納-克魯格（Wolf-Reiner Krüger）說：“這種機(jī)翼如果遇到風(fēng)阻，會發(fā)生扭曲、變形，從而避免風(fēng)壓、降低油耗。”
為了驗(yàn)證顫振翼的實(shí)際性能，研究人員開發(fā)了一個(gè)演示機(jī)。該飛機(jī)長3.5米，擁有長達(dá)7米的大翼展，安裝了完善的傳感器系統(tǒng)，以使演示機(jī)能夠按設(shè)計(jì)路線飛行（飛行實(shí)驗(yàn)必須在大約一公里的狹窄半徑內(nèi)進(jìn)行）。實(shí)驗(yàn)前，DLR專家制定了飛行手冊和檢查清單。2019年11月，演示機(jī)進(jìn)行了第一次飛機(jī)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與研究人員的預(yù)判基本一致。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)成員庫博拉（Kberle）說：“我們會按計(jì)劃進(jìn)行下一步工作—對這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行評估、改進(jìn)?！?/p>
顫振翼項(xiàng)目是歐洲FLEXOP項(xiàng)目 (致力于經(jīng)濟(jì)性提升的顫振式自由飛行項(xiàng)目包，全稱是Flutter Free Flight Envelope Expansion for Economical Performance Improvement) 的一部分。FLEXOP項(xiàng)目旨在提升歐洲多學(xué)科飛機(jī)設(shè)計(jì)能力，提高航空市場競爭力，特別關(guān)注飛機(jī)綜合開發(fā)和運(yùn)營成本等內(nèi)容。
FLEXOP項(xiàng)目的合作伙伴來自歐洲各國實(shí)力強(qiáng)大的航空航天產(chǎn)業(yè)機(jī)構(gòu)：空客集團(tuán)、德國航空航天中心、慕尼黑技術(shù)大學(xué)、匈牙利科學(xué)院、飛機(jī)零部件制造商FACC、綜合航空航天科學(xué)公司(INASCO)、Delft技術(shù)大學(xué)、布里斯托爾大學(xué)等。
3.NASA和MIT的“點(diǎn)陣晶格變形機(jī)翼”
2019年3月的《智能材料與結(jié)構(gòu)》雜志刊發(fā)了一篇文章，專門介紹了一種新式“點(diǎn)陣晶格變形機(jī)翼”的開發(fā)和實(shí)驗(yàn)情況。文章作者一共11人，三位主要作者分別是來自美國宇航局艾姆斯研究所的工程師尼古拉斯·克萊默、肯尼斯·張和來自麻省理工學(xué)院比特與原子研究中心的本杰明·杰內(nèi)特。
點(diǎn)陣晶格變形機(jī)翼呈網(wǎng)格狀，由多達(dá)幾百個(gè)的形狀相同的點(diǎn)陣晶格聯(lián)接而成，形成一個(gè)開放的、輕量化的點(diǎn)陣晶格框架結(jié)構(gòu)。機(jī)翼表層覆蓋的超薄聚合物材料，承擔(dān)著機(jī)翼骨架的作用。機(jī)翼的組成主體——小晶格是一種空心立方體，立方體的各條邊棱是由聚乙烯樹脂材料制作的火柴大小的小細(xì)條。這種微小晶格的密度極低，每立方米重量僅為5.6公斤，與橡膠1500公斤/立方米，的密度相比，減重效果極為明顯。剛?cè)岵?jì)的材料特性和零件結(jié)構(gòu)的合理空隙，使這種機(jī)翼“柔韌如橡膠、輕盈如氣凝膠”。
▲點(diǎn)陣晶格變形機(jī)翼設(shè)計(jì)模型
這種機(jī)翼的變形能力極強(qiáng)，設(shè)計(jì)人員稱“它幾乎可以變成所需要的任何形狀”。在飛機(jī)起飛、平飛、轉(zhuǎn)向、著陸的各個(gè)階段，機(jī)翼能夠根據(jù)飛行要求及時(shí)、便捷地調(diào)整形態(tài)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)高的飛行效率。尼古拉斯克萊默說：“在不同的飛行狀態(tài)下，我們會調(diào)整機(jī)翼的形態(tài)，使之與飛機(jī)載荷實(shí)現(xiàn)最佳匹配”。
研究人員稱，這種機(jī)翼在NASA位于弗吉尼亞州的蘭利研究中心進(jìn)行了風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，結(jié)果比預(yù)想令人滿意。風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)所使用的機(jī)翼約有16英尺高（約4.88米），單座飛機(jī)的機(jī)翼大小相似。是由麻省理工學(xué)院的研究生手工組裝的。
▲由麻省理工學(xué)院學(xué)生制作的機(jī)翼
研究人員正在著手將機(jī)翼制造實(shí)現(xiàn)機(jī)械化生產(chǎn)。他們設(shè)計(jì)了聚乙烯樹脂注射成型的三維模具，在17秒內(nèi)就可以生產(chǎn)出點(diǎn)陣晶格，生產(chǎn)效率非常高。目前，機(jī)翼生產(chǎn)線已經(jīng)完成測試。
這種機(jī)翼設(shè)計(jì)簡潔，生產(chǎn)效率高，可以降低飛行成本。更具有意義的是，這種點(diǎn)陣晶格工藝，還可以用來制造其他大型結(jié)構(gòu)部件，如風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，甚至可以用來建造橋梁。
除NASA和MIT外，這個(gè)項(xiàng)目的小組成員還來自以下世界知名學(xué)府：康奈爾大學(xué)、加州大學(xué)任克利分校、加州大學(xué)圣克魯斯分校、立陶宛考納斯技術(shù)大學(xué)等。
4.TUM和DLR的“柔性機(jī)翼蒙皮”
飛機(jī)在飛機(jī)行程中往往伴隨巨大的噪音，這種噪音會帶來一定的乘座不適感。這些噪音一部分產(chǎn)生于飛機(jī)機(jī)翼。當(dāng)飛機(jī)上的高升力裝置和控制表面與機(jī)翼相遇時(shí)，這些翼型和周圍的空氣就會突然過渡到機(jī)翼的固定部分，從而產(chǎn)生噪音。機(jī)翼和移動表面之間的彈性表面能降低這一區(qū)域的噪音嗎？德國航空航天中心和慕尼黑大學(xué)正在共同開展一個(gè)名為“FlexMat”的項(xiàng)目，該項(xiàng)目于2020年6月取得階段性進(jìn)展。
▲由合成橡膠和玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制成的機(jī)翼蒙皮
在這項(xiàng)研究中，工程師們開發(fā)了一種新型機(jī)翼，在機(jī)翼的固定翼和移動部件之間加裝了一層柔性蒙皮，這種柔性蒙皮由橡膠和玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材制成，具有很強(qiáng)的柔韌性，被研究人員稱為“人造皮膚”。
這種柔性蒙皮長約1米，以橡膠材料為主體，將固定翼和機(jī)翼的移動部分聯(lián)接起來。另外，將強(qiáng)度較高的玻璃纖維條插入到橡膠內(nèi)，玻璃纖維條之間保留一定的空間。這種蒙皮巧妙地將橡膠的柔韌性和玻璃纖維的剛性結(jié)合在一起，既滿了機(jī)翼零部件對于移動的要求，又使機(jī)翼保持了總體形狀的總體特征，降噪效果非常明顯。不僅如此，新型蒙皮的設(shè)計(jì)，在一定程度上降低了空氣阻力，使飛機(jī)的飛行效率進(jìn)一步提高，能耗指標(biāo)有所降低。
DLR復(fù)合結(jié)構(gòu)和自適應(yīng)系統(tǒng)研究所的工作人員馬丁·拉德斯托克（Martin Radestock） 表示，目前，柔性蒙皮已經(jīng)通過演示機(jī)的實(shí)驗(yàn)測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，蒙皮的耐磨性能優(yōu)異，可以在很大程度上實(shí)現(xiàn)飛機(jī)機(jī)翼的有效變形?，F(xiàn)在需要注意的問題是，一旦發(fā)生極端變形的情況，如何確保蒙皮表面涂層不會開裂。
DLR的實(shí)驗(yàn)仍在繼續(xù)，下一步實(shí)驗(yàn)需要測試的內(nèi)容是，確定使用柔性蒙皮以后，降噪、降阻的確切情況，以及蒙皮的所能承受的最大負(fù)載值。
結(jié)束語
不管是對于機(jī)翼蒙皮的改進(jìn)，還是對機(jī)翼本身結(jié)構(gòu)的改良乃至重塑，都可能對未來的飛行產(chǎn)生或大或小的影響。隨著這些技術(shù)的不斷成熟以及在航空工業(yè)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用，我們有理由相信，這些更輕、更順、更智能的飛機(jī)機(jī)翼，會讓我們的飛行變得更綠色、更高效、更安靜。
