采用新的結(jié)構(gòu)概念形式，提高飛機(jī)結(jié)構(gòu)的功能性和智能化，從而顯著提高飛機(jī)結(jié)構(gòu)效率，是飛行器發(fā)展的一條重要路徑。其中，變體機(jī)翼技術(shù)在近年來受到重視。

2022年1月底，歐盟“潔凈天空”計(jì)劃支持的“變體翼梢小翼”項(xiàng)目工程樣機(jī)在空客C-295運(yùn)輸機(jī)上完成飛行試驗(yàn)，這是變體機(jī)翼技術(shù)的又一次里程碑式進(jìn)展，成功演示了集成新型結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)的變體機(jī)翼的功能實(shí)用性，提高了變體機(jī)翼結(jié)構(gòu)技術(shù)的成熟度，推動(dòng)了變體機(jī)翼的工程應(yīng)用。變體翼梢小翼工程樣機(jī)由機(jī)電作動(dòng)器（EMA）驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)上采用低成本無夾具復(fù)合材料工藝技術(shù)一體化成型，項(xiàng)目目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重約15%，飛機(jī)阻力降低約5%，飛機(jī)陣風(fēng)載荷減緩約10%，從而提高飛機(jī)的飛行效率，降低燃油消耗。

發(fā)展背景和概念內(nèi)涵

發(fā)展背景

為應(yīng)對(duì)環(huán)境挑戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)綠色航空目標(biāo)，未來飛機(jī)對(duì)節(jié)能、減排、降噪的要求越來越苛刻，在飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的途徑主要有兩種 ：一是在傳統(tǒng)飛機(jī)構(gòu)型的基礎(chǔ)上繼續(xù)挖掘結(jié)構(gòu)減重方法，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì) ；二是采用新概念結(jié)構(gòu)，提高飛機(jī)結(jié)構(gòu)的功能性和智能化，變革性地提高飛機(jī)結(jié)構(gòu)效率。然而，隨著飛機(jī)結(jié)構(gòu)的精細(xì)化發(fā)展，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法能獲取的減重收益空間已十分有限，且結(jié)構(gòu)形式相對(duì)固化。以變體機(jī)翼為代表的新概念結(jié)構(gòu)為飛機(jī)減阻降噪開辟了新的路徑。

據(jù)美國國家航空航天局（NASA）德萊頓飛行研究中心研究數(shù)據(jù)顯示，翼型阻力每降低1%，每年將為美國寬體運(yùn)輸機(jī)節(jié)省約7.57億L燃油。使用自適應(yīng)變體機(jī)翼的中程運(yùn)輸機(jī)，根據(jù)任務(wù)距離，可降低燃油消耗3%～5%。近年來，國內(nèi)外變體機(jī)翼的大量研究結(jié)果證實(shí)，采用變體機(jī)翼是未來飛機(jī)進(jìn)一步提高綠色環(huán)保性能的重要途徑之一。

概念內(nèi)涵

飛機(jī)在飛行過程中通過改變結(jié)構(gòu)形狀，適應(yīng)不同的飛行環(huán)境條件，從而保持性能和效率最優(yōu)的技術(shù)被稱為變體結(jié)構(gòu)技術(shù)，采用變體結(jié)構(gòu)技術(shù)的機(jī)翼或飛機(jī)又被稱為變體機(jī)翼或變體飛機(jī)。理想的變體機(jī)翼是基于智能結(jié)構(gòu)理念設(shè)計(jì)而成的，可感知飛行環(huán)境和飛機(jī)姿態(tài)變化，經(jīng)處理機(jī)進(jìn)行綜合運(yùn)算決策后，通過閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)翼結(jié)構(gòu)連續(xù)光滑變形。

國外變體機(jī)翼結(jié)構(gòu)技術(shù)最新進(jìn)展

機(jī)翼是決定飛機(jī)飛行性能的關(guān)鍵部件，變體結(jié)構(gòu)的研究主要集中在機(jī)翼上。目前，以美國、歐洲、俄羅斯為代表的航空強(qiáng)國均在變體機(jī)翼方面開展大量研究。

01

美國 ACTE 項(xiàng)目

“自適應(yīng)柔性后緣”（ACTE）項(xiàng)目由美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）、NASA和柔性系統(tǒng)公司（FlexSys）合作開展。2014—2015 年，ACTE變形襟 翼以“ 灣 流 ”III 公務(wù)機(jī)為平臺(tái)進(jìn)行了第一輪飛行試驗(yàn)，試驗(yàn)中最大飛行高度為12192m，最大飛行速度為Ma0.75，襟翼最大偏轉(zhuǎn)角度為-2°和+30°。

2017—2018年，ACTE變形襟翼進(jìn)行了第二輪飛行試驗(yàn)（ACTE II），主要驗(yàn)證三個(gè)方面的內(nèi)容 ：一是機(jī)翼扭轉(zhuǎn)變形試飛，即內(nèi)外襟翼偏轉(zhuǎn)不同的角度，以達(dá)到機(jī)翼扭轉(zhuǎn)變形的效果 ；二是驗(yàn)證在常規(guī)巡航速度下變形襟翼的結(jié)構(gòu)可靠性，試驗(yàn)中最大飛行速度接近Ma0.85，達(dá)到“灣流”III 公務(wù)機(jī)的最大巡航速度 ；三是開展減阻降噪性能驗(yàn)證。飛行中監(jiān)測燃油流動(dòng)和噪聲，對(duì)比分析 ACTE變形襟翼對(duì)阻力和噪聲的影響。

ACTE變形襟翼是首個(gè)進(jìn)入到全尺寸飛行驗(yàn)證的變體機(jī)翼，通過機(jī)翼后緣的連續(xù)變形，有效提升了飛機(jī)的升阻比，降低了油耗，增加了航程，由于取消了傳統(tǒng)襟翼的縫隙，在降低噪聲方面也起到重要作用，目前看來是極具發(fā)展前景的變體機(jī)翼技術(shù)方案。

02

美國 MADCAT 項(xiàng)目

“任務(wù)自適應(yīng)數(shù)字化復(fù)合材料航空結(jié)構(gòu)技術(shù)”（MADCAT）項(xiàng)目是在NASA的“匯聚航空解決方案”（CAS）計(jì)劃下推出的首批項(xiàng)目之一，由 NASA和麻省理工學(xué)院合作開展，該項(xiàng)目創(chuàng)新性地采用“積木式”拼裝結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)變體機(jī)翼設(shè)計(jì)。

2016 年，NASA聯(lián)合麻省理工學(xué)院（MIT）研制出小尺寸驗(yàn)證機(jī)Madcat V0，其翼展1.32m，展弦比3.81，通過數(shù)值仿真、風(fēng)洞試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)，完成原理驗(yàn)證。

Madcat V0 小尺寸無人機(jī)機(jī)翼臺(tái)架試驗(yàn)（a）和風(fēng)洞試驗(yàn)（b）。

為了驗(yàn)證大尺寸模型的變形能力及強(qiáng)度剛度等性能，2019年3月，研究團(tuán)隊(duì)制造了展長4.27m的飛翼模型并開展風(fēng)洞試驗(yàn)。

“積木式”變體機(jī)翼主要由體積元、柔性蒙皮、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)三部分組成。試驗(yàn)分析表明，該設(shè)計(jì)具有如下優(yōu)點(diǎn) ：一是改善氣動(dòng)性能?！胺e木式”變體機(jī)翼可實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)翼的自適應(yīng)連續(xù)光滑變形，機(jī)翼扭轉(zhuǎn) 6°獲得的氣動(dòng)效率與襟副翼偏轉(zhuǎn) 10°相當(dāng) ；二是提高結(jié)構(gòu)承載效率?！胺e木式”變體機(jī)翼采用超強(qiáng)、超輕復(fù)合材料制造的桁架結(jié)構(gòu)，取代了傳統(tǒng)的板梁結(jié)構(gòu)，且能通過變形改變機(jī)翼的局部結(jié)構(gòu)密度，從而提高承載效率，減輕結(jié)構(gòu)重量 ；三是簡化飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造和維修流程?！胺e木式”變體機(jī)翼采用拼裝設(shè)計(jì)，不需專門設(shè)計(jì)和制造復(fù)雜的結(jié)構(gòu)零部件，還可通過替換損壞的體積元進(jìn)行快速維修。

03

美國 VCCW 項(xiàng)目

“變彎度柔性機(jī)翼”（VCCW）項(xiàng)目由AFRL開展，旨在通過機(jī)翼前后緣變形改變翼型彎度，從而實(shí)現(xiàn)在沒有襟副翼情況下對(duì)飛機(jī)俯仰、滾轉(zhuǎn)等姿態(tài)的控制。

2015年，研究團(tuán)隊(duì)制造了展長0.3m的臺(tái)架模型和展長1.8m的大尺寸模型，臺(tái)架模型在懷特帕特森空軍基地的DISCOVERY風(fēng)洞中進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證該機(jī)翼在氣動(dòng)載荷下的變形能力。大尺寸模型在AFRL的垂直風(fēng)洞（VWT）中進(jìn)行試驗(yàn)，采用3D光學(xué)幾何測量系統(tǒng)精確測量機(jī)翼的變形情況，建立所施加驅(qū)動(dòng)力和機(jī)翼變形角度之間的映射關(guān)系。

VCCW 機(jī)翼臺(tái)架模型（左）和大尺寸模型（右）風(fēng)洞試驗(yàn)。

2019年9—10月，研究團(tuán)隊(duì)制造了經(jīng)設(shè)計(jì)迭代后的第二代機(jī)翼，展長2.4m，在商用無人機(jī)上完成多次飛行試驗(yàn)，飛行中翼型彎度變化最高達(dá)到 6%。

AFRL 變彎度柔性機(jī)翼進(jìn)行飛行試驗(yàn)。

VCCW變體機(jī)翼在設(shè)計(jì)上具有三大特點(diǎn)：一是采用柔順機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)分布式變形，可顯著降低應(yīng)力集中 ；二是使用一體成形的復(fù)合材料蒙皮，有助于維持翼面的光滑；三是沿翼展方向設(shè)置多個(gè)驅(qū)動(dòng)器，可實(shí)現(xiàn)三維非均勻、非對(duì)稱變形。

與傳統(tǒng)的帶離散控制面的機(jī)翼相比，VCCW變體機(jī)翼具有如下優(yōu)勢(shì) ：一是可減緩氣流分離，有利于層流設(shè)計(jì)，從而降低阻力，提高飛機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性，增加飛機(jī)航程。據(jù)AFRL評(píng)估，VCCW變體機(jī)翼的應(yīng)用可將飛機(jī)的油耗降低約 10% ；二是取消縫道，消除了襟副翼噪聲源，大幅降低飛機(jī)噪聲 ；三是單體設(shè)計(jì)使翼肋和蒙皮更加堅(jiān)固，強(qiáng)化了機(jī)翼結(jié)構(gòu)，提高了結(jié)構(gòu)可靠性 ；四是光滑連續(xù)的變形能力便于優(yōu)化機(jī)翼外形，有利于飛機(jī)結(jié)構(gòu)的隱身設(shè)計(jì)。

04

歐盟 SARISTU 項(xiàng)目

“靈巧智能飛機(jī)結(jié)構(gòu)”（SARISTU）項(xiàng)目是歐盟第七框架設(shè)立的新概念機(jī)翼研究項(xiàng)目，項(xiàng)目經(jīng)費(fèi) 5100萬歐元，研究周期為2011年9月至2015年8月，由空客公司牽頭。

SARISTU項(xiàng)目通過在機(jī)翼的前緣、后緣、翼尖集成不同形式的變形結(jié)構(gòu)來改善飛機(jī)的性能，可實(shí)現(xiàn)飛機(jī)減阻約6%，降噪約6dB。該項(xiàng)目設(shè)計(jì)并制造了大尺寸變體機(jī)翼演示樣件，并開展了相關(guān)的功能和性能試驗(yàn)。

SARISTU項(xiàng)目探索了未來飛機(jī)結(jié)構(gòu)智能化、靈巧化的新技術(shù)，通過大量的演示驗(yàn)證，形成了“幾十個(gè)演示平臺(tái)、幾百個(gè)演示部件、上千個(gè)子部件和上萬個(gè)演示元件”一系列研究成果，相關(guān)技術(shù)成熟度已達(dá)到5~6級(jí)。

05

歐盟“變體翼梢小翼”項(xiàng)目

2021年，“變體翼梢小翼”項(xiàng)目完成了變體翼梢小翼數(shù)字模型設(shè)計(jì)和工程樣機(jī)研制。2022年1月，工程樣件在空客C-295運(yùn)輸機(jī)上完成飛行試驗(yàn)。

變體翼稍小翼數(shù)字模型和工程樣件。

06

空客“超性能機(jī)翼”項(xiàng)目

“超性能機(jī)翼”項(xiàng)目由空客公司設(shè)立，于2021年9月啟動(dòng)，目標(biāo)是通過仿生設(shè)計(jì)改善機(jī)翼氣動(dòng)性能，從而減少二氧化碳排放。

2022年4月，空客公司完成“超性能機(jī)翼”演示樣機(jī)風(fēng)洞試驗(yàn)，試驗(yàn)?zāi)Ｐ屯ㄟ^3D打印技術(shù)制造而成。根據(jù)項(xiàng)目計(jì)劃安排，未來將使用縮比樣機(jī)在賽斯納“獎(jiǎng)狀 VII”公務(wù)機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行試飛。

“超性能機(jī)翼”項(xiàng)目重點(diǎn)研究和驗(yàn)證4項(xiàng)技術(shù) ：一是加裝陣風(fēng)傳感器，使飛機(jī)能自動(dòng)調(diào)整機(jī)翼控制面以應(yīng)對(duì)陣風(fēng)載荷 ；二是采用半氣動(dòng)彈性鉸鏈翼尖，飛行中根據(jù)需要，翼尖可自動(dòng)折疊或展開，該技術(shù)曾在空客“信天翁 1號(hào)”項(xiàng)目中進(jìn)行過小尺寸樣機(jī)的飛行驗(yàn)證 ；三是采用多功能變體機(jī)翼，可在飛行中改變機(jī)翼后緣形狀，從而提高飛機(jī)的總體氣動(dòng)性能 ；四是安裝彈出式擾流板，可根據(jù)氣流狀況快速偏轉(zhuǎn)至所需角度，從而優(yōu)化機(jī)翼性能。

“超性能機(jī)翼”（eXtra Performance Wing）項(xiàng)目演示樣機(jī)風(fēng)洞試驗(yàn)。

空客“信天翁1號(hào)”進(jìn)行過“超性能機(jī)翼”的折疊翼尖飛行試驗(yàn)。

07

俄羅斯“無人機(jī)柔性前后緣機(jī)翼”

項(xiàng)目

“無人機(jī)柔性前后緣機(jī)翼”是俄羅斯斯科爾科沃科學(xué)與技術(shù)研究所開展的研究性項(xiàng)目，旨在探索變體機(jī)翼對(duì)無人機(jī)氣動(dòng)性能的影響。

2018年，研究團(tuán)隊(duì)以中型無人機(jī)為對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種具有自適應(yīng)后緣襟翼和前緣縫翼的變體機(jī)翼模型。

處于不同狀態(tài)的可變形縫翼和襟翼。

該團(tuán)隊(duì)采用丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）塑料和硅樹脂通過3D打印方法制造了原理樣機(jī)并開展風(fēng)洞試驗(yàn)。

用于變體機(jī)翼試驗(yàn)的風(fēng)洞，其中1-粒子源，2-進(jìn)氣口，3-試驗(yàn)艙，4-高速攝像機(jī)，5-激光示蹤系統(tǒng)，6-電機(jī)和出氣口

風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)帶有離散式縫翼、襟翼的機(jī)翼相比，自適應(yīng)變體機(jī)翼的升力系數(shù)小幅提升，阻力系數(shù)有較大程度降低，某些工況下的升阻比提高20%～30%。因此，該變體機(jī)翼可降低無人機(jī)的能耗，從而提高無人機(jī)的航程和續(xù)航時(shí)間。

未來趨勢(shì)分析

變體機(jī)翼因具有提高飛機(jī)的氣動(dòng)效率、降低油耗和噪聲等優(yōu)點(diǎn)，已成為軍民用飛機(jī)新概念結(jié)構(gòu)發(fā)展的熱點(diǎn)。目前，部分變體機(jī)翼方案已經(jīng)完成風(fēng)洞試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)，工程化進(jìn)展迅速?？偨Y(jié)國外最新進(jìn)展，有幾點(diǎn)發(fā)展趨勢(shì)需要注意。

局部自適應(yīng)變形是未來熱點(diǎn)

早期變體機(jī)翼結(jié)構(gòu)技術(shù)的研究主要在美國，以折疊機(jī)翼、滑動(dòng)蒙皮、壓縮機(jī)翼為代表的技術(shù)使機(jī)翼可大范圍變形，旨在提高軍用飛機(jī)機(jī)動(dòng)性，改善飛機(jī)高速巡航時(shí)的氣動(dòng)性能。由于受到驅(qū)動(dòng)技術(shù)、控制技術(shù)等的限制，大范圍改變機(jī)翼形狀帶來了較大的重量代價(jià)，且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和可靠性降低，進(jìn)而影響飛機(jī)的安全性。20世紀(jì)90年代以來，歐洲 DLR、空客公司開始在變體機(jī)翼方面開展研究，通過智能后緣、智能翼梢、智能前緣的研究，在材料、結(jié)構(gòu)、氣動(dòng)等方面積累了的大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

近年來，變體機(jī)翼的研究重點(diǎn)逐步由機(jī)翼的整體大范圍機(jī)械式變形轉(zhuǎn)向了機(jī)翼前后緣、翼尖的局部連續(xù)光滑變形，局部自適應(yīng)變形降低了對(duì)于驅(qū)動(dòng)力的需求，重量代價(jià)小，可實(shí)現(xiàn)性強(qiáng)，是變體機(jī)翼未來研究的熱點(diǎn)和趨勢(shì)之一。

智能化程度將不斷提高

變體機(jī)翼結(jié)構(gòu)技術(shù)通常與自適應(yīng)結(jié)構(gòu)、智能結(jié)構(gòu)等概念緊密相關(guān)。通過對(duì)國外相關(guān)項(xiàng)目的研究分析發(fā)現(xiàn)，變體機(jī)翼正向著更加智能化的方向發(fā)展，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面 ：一是以壓電陶瓷、形狀記憶合金 / 聚合物等為代表的智能驅(qū)動(dòng)材料和系統(tǒng)得到越來越充分的研究和驗(yàn)證，為變體機(jī)翼提供更加智能化的驅(qū)動(dòng)方式 ；二是從國外飛行試驗(yàn)的發(fā)展歷程可知，從對(duì)稱固定偏角試飛，到扭轉(zhuǎn)構(gòu)型試飛，再到動(dòng)態(tài)改變偏角試飛，變體機(jī)翼正一步步增加變形的復(fù)雜度和智能化。在空客“超性能機(jī)翼”項(xiàng)目中，已計(jì)劃根據(jù)陣風(fēng)傳感器獲取的數(shù)據(jù)，自動(dòng)調(diào)整機(jī)翼形狀以應(yīng)對(duì)陣風(fēng)載荷。未來，隨著傳感器、控制系統(tǒng)、變形裝置的集成度越來越高，變體機(jī)翼的智能化程度也將大幅提升。

編輯：黃飛

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