柔性翼飛行器現狀及關鍵技術分析

鄧坤 安海霞 陳偉

（中國工程物理研究院總體工程研究所，綿陽 621900）

柔性翼飛行器現狀及關鍵技術分析

鄧坤 安海霞 陳偉

（中國工程物理研究院總體工程研究所，綿陽 621900）

柔性翼飛行器由柔性翼衍生而來，根據其機翼類型不同可分為充氣式和傘翼式。為了研究兩類飛行器在工程應用中的實現難度與成本代價，在充分調研兩類飛行器的發展及現狀的基礎上，詳細分析了兩類飛行器設計過程和工程實現過程，梳理了多個型號柔性翼飛行器的重要技術指標，并根據制作工藝及應用情況提煉了兩類飛行器在翼面材料、充氣與控制方面等影響柔性翼性能的關鍵技術。并從工作原理、實現難度及效費比等對比分析了兩類柔性翼飛行器的優缺點，指出充氣式飛行器由于翼面材料、充氣系統及密封性要求，設計難度與實現難度大，但充氣環節迅速且穩定；而傘翼式飛行器由于傘繩傳遞控制，控制精度及執行效率較充氣式低。最后歸納總結了兩類飛行器的特點，對柔性翼飛行器的工程設計及工程研制提供了參考。

充氣式 傘翼式 技術特點 柔性翼飛行器

0 引言

柔性翼是一種可預先折疊于機身內外，需要時能迅速展開，且為飛行器提供升力的部件。它具有折疊后體積小，質量輕，展開迅速，可反復使用等特點，特別適用于使用前有體積限制，使用時能迅速成形的飛行器[1]。柔性翼飛行器即是用柔性翼取代飛行器的機翼，以便完成常規飛行器的任務需求。柔性翼飛行器由于慢速飛行、長時續航等特點，在一定程度上可替代昂貴的“全球鷹”等無人機執行偵察等任務，同時具備通信中繼、回收及物資投放的能力；另一方面，也可替代載人飛機執行森林防火、大面積消霧、搜索和救援等民用領域的任務，具有廣泛的應用前景和市場需求。

目前，取得柔性翼飛行器成就最高的是美國，美國宇航局“德萊頓飛行研究中心”研發出能在空中自主展開的充氣式飛行器，美國陸軍特種作戰司令部已將傘翼式飛行器用于實戰，其次是瑞士與以色列，瑞士Prospective concepts AG公司研發出能夠載人飛行的充氣式飛行器，以色列則研發出作戰半徑廣的輕型傘翼式飛行器。國內對這方面的研究開始的較晚，文獻[1]對充氣機翼的承載能力和氣動進行了分析，確定了充氣機翼失效的條件；文獻[2]利用內切圓逼近翼型方法進行充氣機翼的保形設計；文獻[3]研究了翼傘切口對翼型剖面的氣動特性影響；文獻[4]介紹了傘翼式飛行器的設計方法。充氣式與傘翼式兩類柔性翼飛行器的應用范圍基本一致，本文即在深入了解國內學者研究的基礎上，探索我國柔性翼飛行器發展的瓶頸，梳理出關鍵技術，旨在為柔性翼關鍵技術難點的突破提供依據，為柔性翼的工程研制提供參考。

1 柔性翼飛行器

目前，國內外柔性翼飛行器按類型可以分為充氣式與傘翼式，其中充氣式按充氣的覆蓋范圍可以分為半充氣式和全充氣式，傘翼式按動力方向的不同可以分為推力式和拉力式。柔性翼飛行器分類如圖 1所示。

圖1 柔性翼飛行器分類Fig.1 Classification of flexible wing aircraft

2 充氣式飛行器

充氣式柔性翼飛行器是指利用充氣系統對機翼或整體充氣，使之具有升力承載面，能夠實現飛行的飛行器，前者為半充氣類飛行器，后者屬于全充氣類。

2.1 研究現狀

2.1.1 半充氣類

半充氣類柔性翼飛行器國外的發展技術遠高于國內，目前國內的研究還主要集中于充氣機翼，包括充氣機翼的設計、承載能力分析及氣動分析等。該類飛行器主要有：“德萊頓充氣飛機2000”[5]（Dryden Inflatable 2000，Dryden I 2000）、空中支援彈藥[6]（Forward Air Support Munition，FASM）、炮筒發射偵察彈[7]（Gun Lauched Observation Vehicle，GLOV）以及“黃貂魚”[8]（Stingray），見圖2（a）～（d）。

其中，“德萊頓充氣飛機2000”是美國宇航局“德萊頓飛行研究中心”在2001年成功試飛的飛行器，通過充氣機翼的設計、充氣機翼結構試驗、充氣系統的設計及試驗等幾個重要的步驟實現該飛行器關鍵技術難點的逐步驗證，是目前公開資料可查閱的能夠在空中自動充氣展開、穩定滑翔并著陸的最優半充氣飛行器[5]。其性能參數如下所示：

1）展長：1.62m；2）弦長：0.185m；3）翼型：NACA-0021；4）內部氣壓：140～175kPa；5）充氣時間：0.33s；6）氣源：高壓氮氣。

圖2 充氣類柔性翼飛行器Fig.2 Inflatable wing aircraft

2.1.2 全充氣類

美國在上世紀50年代即研發出可載人的“固特異充氣飛機33”[9]（Goodyear Airplane 33，GA-33），我國則于2014年由新鄉天行軟體飛機設計公司研發出“軟體飛機1號”（SF-1），是國內全充氣類飛行器的最高水平，二者分別見圖2（e）、（f）。

“軟體飛機1號”沒有硬質骨架，采用吹起成型的方法，通過充氣來撐起機身和機翼部分，具有良好的彈性，耐撞擊而不受損[10]。該飛行器的優點是折疊后可放置手提箱，缺點是需要配套的充氣系統在地面進行充氣，操作較為繁瑣，其性能參數如下所示：

1）翼展：2.5m/3m/4.3m；2）起飛質量：90kg；3）最大載質量：25kg；4）最大速度：100km/h；5）最大高度：3 000m；6）材料：橡膠復合材料。

2.2 關鍵技術

2.2.1 翼面材料

在充氣翼設計過程中，翼面材料是首要解決的關鍵難點之一。首先，為了滿足柔性翼飛行器的基本性能，翼面材料要滿足質量輕、氣密性好且柔軟可折疊的基本要求[11]。其次，為了防止內壓過大造成的翼面撕裂，翼面材料的抗撕裂能力要強；同時由于在外力作用下，充氣翼易發生褶皺，故翼面材料還應具有一定的承載能力[12]。最后，因為充氣翼的工藝較為復雜，涉及裁剪、氣嘴粘合以及高頻熱合等。尤其在熱合階段，翼面材料要適應加熱時間、保溫時間、熱合壓力等要求，否則翼面的粘合強度及密封效果均會下降[13]。目前，熱塑性聚氨酯（TPU）膠布發展迅猛，可用于制作高強度、高氣密、耐磨型的材料[14]，相信可以為充氣翼的翼面材料提供支撐。

2.2.2 充氣系統及保壓

充氣翼在工作過程中，由于周圍空氣的作用會發生彈性變形，改變周圍氣流的流場，從而改變氣動力的大小和分布規律，易使充氣翼結構產生新的變形[15]。充氣式飛行器在飛行過程中一般是通過充氣系統來維持內壓的恒定，通過檢測充氣翼內壓是否達到充氣系統設定的壓力值，來調節充氣系統控制閥的充氣量與充氣速度。因此，充氣系統確定建議遵循以下原則：首先，基于充氣翼的靜力結構特征選擇充氣壓力；其次，在該壓力下測量充氣翼在預期飛行載荷、振動及溫度環境下的泄漏率，并將結果用于指導選擇滿足行續航能力的充氣系統；最后，通過試驗獲得預期充氣翼充氣速率對應的充氣系統調節器的設置值。

2.2.3 控制方式

對于充氣翼而言，因翼結構的特殊性，副翼、襟翼、擾流片等操縱部件及其相應的伺服系統在柔性翼上難以安裝，不能為飛行器提供可靠的姿態控制。因此，可采取在充氣式柔性翼飛行器上增加剛性尾翼的方法，用于布置飛行器的執行機構。

2.2.4 氣動及結構設計

氣動及結構設計難點主要存在于全充氣類，因為該類飛行器翼、機身均是通過充氣實現的。“軟體飛機1號”是采取翼身一體化結構設計，“固特異充氣飛機33”是采取翼與機身的直接連接并且獨自實施充氣過程，減少二者之間由于充氣帶來的干擾。因此，建議采取后者這種分開設計、有效組合的方式解決全充氣飛行器的氣動及結構設計難點。

2.3充氣式簡要分析

通過上述充氣式的分析及關鍵難點考究，充氣類飛行器的關鍵難點主要在于實現難度上，具體包括充氣翼的設計、充氣系統的選擇及布置、飛行器控制方式。對于航時較長的柔性翼飛行器還必須選擇合適的翼面材料、加工工藝、充氣系統及其設置值等，以便實現飛行過程的充氣及保壓。但同時，充氣系統會帶來尺寸及重量等方面的增加，因此，充氣式柔性翼飛行器的實現需要克服較多的困難。

3 傘翼式飛行器

傘翼式柔性翼飛行器是在沖壓翼傘基礎上發展形成的。沖壓翼傘，配以提供動力的螺旋槳等構成傘翼式柔性翼飛行器，其飛行原理主要是用翼傘取代機翼，提供飛行器飛行的升力，通過拉拽翼傘后緣控制繩，使得翼面氣動力不平衡實現翼傘轉彎、雀降等機動動作[4]。傘翼式飛行器依托高性能沖壓翼傘的低速滑翔優勢，可以實現長時滯空的偵察、通信中繼以及定點回收與航拍等需求。

3.1 研究現狀

3.1.1 推力類

推力類傘翼式飛行器的國內外技術差距相對較小：美國的“雪雁”翼傘型無人機[16]（Snow Goose）、“阿塔里”翼傘機（Atair）能夠在高空投放開傘，我國的柔翼無人機1型[17]（SYW1）則是地面拖曳起飛，除了質量（前者可載質量270kg，后者總質量200kg）之外，其它并無顯著差別。見圖3（a）～（c）。

其中，“雪雁”無人機2001年首飛，2005年形成初始作戰能力，既可由運輸機在高空投放，也可由地面車輛加速至 55km/h后放飛，能投送小型補給包、空中監視與通信中繼。該無人機的優點在于起飛方式簡單、投送精確以及成本低廉（每套約75萬美元）。美國陸軍特種作戰司令部訂購30余套，已用于實戰。其性能參數如下所示[16]：

1）最大航程：942 000m；2）速度：47～55km/h；3）最大載質量：272kg；4）最大高度：7 600m；5）續航時間：20h。

3.1.2 拉力類

拉力類與推力類基本一致，唯一不同的是動力布置于機體頭部，但我國鮮見有該類飛行器的應用。主要有以色列“藍眼”無人機[18]（Blue eye），見圖3（d）。

圖3 傘翼式飛行器Fig.3 Parafoil wing aircraft

“藍眼”無人機性能參數如下所示：

1）起飛質量：50～60kg；2）最大載質量：10kg；3）最大高度：1 000m；4）續航時間：8h；5）作戰半徑：50 000m。

3.2 關鍵技術

3.2.1 開傘技術

若飛行器在使用前約束在有限空間內，使用時才展開成柔性翼，則開艙開傘過程必不可少。翼傘的開傘是一個邊充氣張開邊充滿氣室的過程，并在氣室充滿后完成開傘過程。影響翼傘開傘特性的主要因素是前緣切口的投影面積，徹底的、一致的開傘所需要的切口面積比在飛行中保持翼傘充氣和壓力所要求的更大些。通常切口與翼傘弦線組成的銳角越小，開傘更快，但角度過小，會影響翼傘在飛行中的充氣[19]。初步分析表明，該角度在 30°～35°為宜。同時，翼傘的開傘受高度、動載以及氣流影響較大[20]，可能會導致開傘不完全或不穩定。因此，需根據飛行器的開傘條件確定開傘的最優方案，以減小對開傘的客觀影響。

3.2.2 控制技術

目前傘翼式飛行器的控制方式通常采用操縱繩拉拽傘翼的后緣，通過氣動力的不平衡實現轉彎等控制。拉拽傘繩控制方式需要配備較大扭矩的舵機，因而舵機的體積也較大，同等條件下約是其它舵機的3倍，對于有空間限制的機體就難以布置與安排。另一種控制方式在其它飛行器也有所應用，即靠推力差動實施控制，但該類控制方式能否應用在傘翼式飛行器上還需進一步驗證，同時如何確定推力產生部件的數量、位置以及控制效果和精度都需要做進一步的研究分析。

3.3 傘翼式簡要分析

通過上述傘翼式飛行器的分析及關鍵難點考量，其難點主要在于設計上。具體包括開傘與控制技術，而直接與開傘及控制相關的因素在于翼傘前緣切口角度和高度[3]、傘衣的彎度和厚度以及傘繩。同時，前緣切口也對升力系數及阻力系數影響較大[21]。

4 兩種形式對比分析

根據柔性翼國內外調研情況及關鍵技術分析，充氣式與傘翼式在實現難點以及實現成本上有顯著不同。

首先，翼面材料與工藝方面。充氣式因其工藝及應用條件對材料的要求遠超于翼傘的要求：抗撕裂、承載性、熱合性與粘接性，同時充氣翼的制作比翼傘增加了粘接與熱合等復雜工藝，從時間、成本及難度上看，充氣式遠大于傘翼式。

其次，充氣及保形方面。充氣式由于增加充氣系統，其機體內部空間受到擠壓，系統重量增加，效費比降低，同時機體需要優化設計以便與充氣系統匹配。而傘翼式僅依靠前緣切口的沖壓空氣即可維持充氣與保形，無需任何外部設備與優化設計。

第三，密封及保壓方面。充氣式的保壓主要依靠充氣系統預留的氣體，若密封性較差，柔性翼內部氣體不足以維持內部壓力，則會造成翼剛度下降、氣動外形無法維持。提高密封性可采取在膠合粘接之處再采用縫紉方式，但時間成本和費用成本則顯著上升。傘翼式在飛行過程中通過持續充氣保壓，無密封要求。

第四，控制方面。傘翼式通過傘繩將控制力作用到翼傘上，勢必會造成翼傘的控制響應慢、控制精度不高，尤其是推力差動的方式會由于傘繩的反作用力降低差動量，使控制效果進一步降低。充氣式由于無傘繩類的傳遞機構，控制響應迅速、精度高。

此外，傘翼式由于有較多傘繩，在開傘時，各傘繩易相互纏繞，造成柔性翼無法完全展開充氣，使得最終工作任務無法完成，同時在飛行過程中受氣流影響較大。二者對比分析見表1。

表1 兩類柔性翼飛行器特性對比Tab.1 Comparison between inflatable and parafoil aircraft

5 結束語

隨著國防科技的發展和全球戰略的需求，柔性翼飛行器必將因其可折疊、便攜性高及成本低等特點受到國內外的廣泛重視。通過前文的對比分析，將兩類柔性翼飛行器的特點歸納如下：

1）由于涉及應用及工藝，充氣式對翼面材料要求較高，同時工藝較為復雜，制作難度大；

2）由于增加充氣系統，充氣式飛行器尺寸增加、設計難度大，但充氣時間短、充氣過程穩定性好；

3）由于密封性要求高，充氣式飛行器實現難度及成本增加；

4）由于通過傘繩傳遞控制，傘翼式飛行器控制精度及效率較低。

從總體上來說，充氣式飛行器的研制周期、研制成本以及實現難度遠遠高于傘翼式，國內外對充氣式進行研究很大程度上有兩點原因：一是由于控制效果及穩定性高于傘翼式，二是采取地面充氣方法可顯著降低研制難度，同時獲得更小的儲運空間。根據國內對充氣式的研究還集中于充氣機翼的分析，對傘翼式的研究已開始飛行驗證的現狀，同時結合國內的設計能力、工藝水平以及國外柔性翼的應用情況，未來我國柔性翼飛行器的發展方向將會是傘翼式飛行器，而需要攻克的技術難關分別是空中開傘展開技術與精確控制技術。

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Study of the Status and Critical Techniques of Flexible Wing Aircraft

DENG Kun AN Haixia CHEN Wei

（Institute of Systems Engineering, CAEP, Mianyang 621900, China）

The flexible-wing aircraft derives from flexible wing. It can be classified into inflatable and parafoil based on the style of its wing. In order to research the implementation difficulty and cost price of the two kinds of flexible aircraft in the engineering application, the process of design and engineering implementation are analyzed on the basis of the review of development status of the two kinds of flexible aircraft. The important technical indexes of the flexible aircraft are given. According to the production process and application situation, the critical techniques, such as wing surface material, inflation and control that affect the flexible wing are figured out. Simultaneously the merits and drawbacks of each kind of the aircraft are compared and analyzed in aspects of working principle, realization and effectiveness-cost ratio. It is suggested that although inflatable aircraft is more difficult to design and realize for its high requirement for wing surface material, inflating system and sealing, the inflating process is rapid and stable. The parafoil aircraft is worse in control precision and efficiency for its suspension line transference control. Finally, the characters of both kinds of the aircraft are concluded to provide reference for the design and development of the flexible wing aircraft.

inflatable; parafoil; technical characteristic; flexible-wing aircraft

V279

: A

: 1009-8518(2016)05-0019-08

10.3969/j.issn.1009-8518.2016.05.003

鄧坤，男，1987年生，2015年獲北京航空航天大學航天工程專業碩士學位，助理工程師。研究方向為飛行器總體設計。E-mail: 414dengk@caep.cn。

（編輯：龐冰）

2016-04-14

安海霞，女，1989年生，2015年獲北京航空航天大學機械工程及自動化碩士學位，助理工程師。研究方向為飛行器結構設計。E-mail: 409anhx@caep.cn。