變形飛機開創(chuàng)飛行新紀元

黃步紅

若干年之后，我們的飛機將可以像鳥兒一樣，“拍動”著翅膀飛行

世界上最早的飛機其實是有著一對能活動的“翅膀”的。早在1903年12月17日，威爾伯·萊特和奧維爾·萊特兄弟作為人類第一次乘著他們制造的動力飛機飛上了天空。他們的飛機以密度小的木料、布、以及金屬絲作為原材料，靠滑輪帶動，利用翼尖產(chǎn)生滾轉力矩而保持平衡。飛機在12秒內(nèi)飛了36公尺遠，然后跌跌撞撞落到沙地上。

一些飛行歷史學家說，正是這種仿造鳥類翅膀的機翼保證了萊特兄弟能夠駕駛如此笨重的飛機飛上天空，而這之前，人類史上雖然有著許多次的飛行試驗，卻都以失敗而告終。

飛行理念百年回眸

萊特兄弟的獨到之處在于發(fā)明了一套可以讓飛機在進行飛行調整時不至于失控的系統(tǒng)。他們的飛機上安裝了一套由飛行員控制、帶鋼纜的拉桿系統(tǒng)，這一系統(tǒng)可以改變機翼的形狀。萊特兄弟所造飛機的機翼彈性很大，正因為如此，機翼才可以發(fā)生彎曲變形，從而控制飛機在3個軸向上的運動。

雖然萊特兄弟的設計理念一開始就獲得了成功，可是這種技術很快就隨著航天器的發(fā)展而銷聲匿跡。由于能夠經(jīng)受住飛行加速度帶來的受力和機身的體重，固定機翼成為飛機的標準設計模式。為了加強飛機的平衡性，設計師設計了機翼后部邊緣處活動的小側板那樣的副翼。在這些小側板的操作下，氣流發(fā)生改變，飛機得以在可控平衡下上升、翻轉、或是傾斜。

人們將12月17日尊為飛航里程碑的紀念日。一個世紀后的今天，飛行學家開始重新關注萊特兄弟的設計理念：給飛機加上一對可以“拍動”的翅膀。

科學家和工程師們已經(jīng)研制出機身外表可以像肌肉一樣伸縮的飛機模型。變形的機身將大大增強飛機的可控制性和其他多種性能——隨著航空路線的日益復雜，機翼將要求能夠彎曲、折疊，飛機要求能夠根據(jù)具體的情況采用具體的外形來完成任務。

打破傳統(tǒng)模式

在最近一項由美國國防高級研究計劃局(DARPA)、空軍研究實驗室(AFRL)和航空航天局(NASA)共同參加的項目中，工程師們設計了一種類似刺狀的結構，將其像蛇一樣分布在機翼的后緣。研究人員在這個稱作“智能機翼”的項目中，使用了重量很輕的鋁作為“刺”嵌入這種結構。每一個“刺”都能夠單獨地傾斜或是延伸，并且由此作用于傳動結構。

在風洞測試中，這種特殊結構的機翼模型能夠產(chǎn)生70多種變化。此外，相對于傳統(tǒng)的副翼，在發(fā)生相同變化的前提下，這種可變形的機翼后緣能夠產(chǎn)生更大的滾轉力矩(相對于機身)。這種機翼將來很有希望運用到高速、高性能的噴氣式戰(zhàn)斗機中。

在DARPA近來一個已經(jīng)完成的基礎研究中，項目組證明了經(jīng)過設計改裝后的F-15鷹式戰(zhàn)斗機的飛行路程能夠提高20%。

新型的變形思路力求根據(jù)簡單的機械原理實現(xiàn)多方面的變形要求。實現(xiàn)這一步，得依賴現(xiàn)在各種高科技材料的發(fā)展。例如，一些材料能夠拉伸或者彎曲，在重新加熱之后又恢復原形；此外，有一些新型液體在磁場中或者加入磁物質后會變濃；在電或光作用下會膨脹或是收縮。這就是所謂的“智能材料”。

除了研究“智能材料”，仿生學也是“變形計劃”的一個研究內(nèi)容，例如，骨頭很輕很結實，因為它有空心的結構。科學家正在研究仿造骨骼的材料，如果能夠獲得這些結構，加入到類似神經(jīng)系統(tǒng)的傳感系統(tǒng)和具有彈性的傳動系統(tǒng)，就能夠得到一個非常結實、非常輕便、能夠實現(xiàn)傳感和自動反饋的系統(tǒng)。

變形的作用

2002年春天，來自AFRL和波音幻影工作室的研究者——目前最先進的軍事飛機研究力量——初步測試了“活動機翼”在不同飛行條件下的機翼參數(shù)。投入實驗的是經(jīng)過改良的F/A-18A超音速戰(zhàn)斗機。這種噴氣式飛機的機翼相對于其在20世紀80年代設計的樣子，變得異常瘦削，并且扭曲得很厲害，同時這種飛機的排放物是無污染的。

這些“活動機翼”有各種明顯的優(yōu)點：由于它的彈性和瘦削的外表，相對于傳統(tǒng)機翼，在設計上能夠減輕機身15%的重量。更重要的是，完全使用活動機翼能夠比傳統(tǒng)的折翼產(chǎn)生更大的滾轉力矩。“我們認為經(jīng)過改進的F/A-18，比原來的F/A-18戰(zhàn)斗機擁有更好的性能，尤其在高速條件下。”AFRL項目組的組長彼特M·弗利克說道。

從長遠來看，這種外形上的變化能夠使飛機達到更高的速度，并且擁有高燃油效率、高飛行質量、高安全性能，以及更好的可操作性、更快的著陸速度、適應各種條件的起飛場(例如短跑道起飛場)。

翻開航空史的新篇章

更多的變形研究才剛剛開始。工程師們最近已經(jīng)計劃出一種飛機，它擁有一對柔軟的“翅膀”；另一個項目正在研究一種變形機翼，它類似蝙蝠翅膀，具有很好的伸縮性。

在DARPA一年前制定、被稱作的“飛機變形結構”的項目中提到，2005年前，他們將研究出能夠在長度或者面積上變化50%的飛機。這是一個巨大的改變：相比較之下，傳統(tǒng)的飛機最多只能改變外形的5%。

當然，每一個改變都會遇到挑戰(zhàn)。當飛機在飛行中折疊翅膀的時候，重心位置會發(fā)生巨大的改變，而這些變化能夠使飛機產(chǎn)生自旋或者其它不可控變化。工程師利用計算機模擬了機翼變化時會發(fā)生的變化,以及應該如何調整和控制飛機的穩(wěn)定性。

隨著“變形規(guī)劃”的研究深入，NASA于2001年出臺了一個稱為21世紀新航空飛行器的“變形”飛機計劃。這種飛機能夠像鳥兒一樣，所有的外表面都能敏感地感受外界的氣壓條件變化。對這些變化的反應能夠直接傳導給操縱系統(tǒng)，然后，飛機就能夠像鳥兒的肌肉一樣改變成最適合的形狀適應環(huán)境。預計2030年，這種想法能成為現(xiàn)實。

雖然萊特兄弟在100年前就已經(jīng)使用了變形飛機，但現(xiàn)代變形飛機在工程上的探索卻直到幾年前才開始。在工程師們的努力和探索下，航空史將會進入一個嶄新的階段。