變形機(jī)翼如何從理論走向?qū)嵺`

王元元

2016年1月4日～8日，一年一度的AIAA科技大會(huì)在美國加州圣地亞哥如期舉行，關(guān)于變形飛機(jī)技術(shù)的議題再次成為會(huì)議討論的熱點(diǎn)之一。

目前，根據(jù)環(huán)境變化改變飛機(jī)形狀的技術(shù)概念和設(shè)想早已通過了可行性驗(yàn)證，但是經(jīng)過幾十年的研究，變形飛機(jī)技術(shù)仍然沒有進(jìn)入工程發(fā)展或者產(chǎn)品研制階段。在2016AIAA科技大會(huì)上，與會(huì)者再次重申了變形機(jī)翼技術(shù)的潛在收益，認(rèn)為該技術(shù)能夠使單一飛機(jī)具備完成不同任務(wù)的能力，但同時(shí)，專家們也強(qiáng)調(diào)了該技術(shù)的復(fù)雜性和風(fēng)險(xiǎn)問題，認(rèn)為變形機(jī)翼技術(shù)距離走向現(xiàn)實(shí)應(yīng)用還有很長的路要走。

眾所周知，變形飛機(jī)可以在飛行中的不同階段改變機(jī)翼形狀，例如低阻巡航機(jī)翼可以在起降階段展開縫翼和襟翼以提高低速高升力特性。變形意味著使目前僅能執(zhí)行單一任務(wù)的飛行器通過主動(dòng)調(diào)整外形達(dá)到較大的性能改變，從而可以執(zhí)行多種不同的任務(wù)。就像反潛無人機(jī)可以采用一種構(gòu)型執(zhí)行待機(jī)偵察任務(wù)，又可變成另一種構(gòu)型執(zhí)行俯沖攻擊任務(wù)。

過去幾十年間已經(jīng)開展了若干變形機(jī)翼演示驗(yàn)證項(xiàng)目。1985～1988年，美國空軍和NASA聯(lián)合開展了F-111任務(wù)自適應(yīng)機(jī)翼（MAW）演示驗(yàn)證。MAW將可變掠角和無縫變彎度技術(shù)進(jìn)行結(jié)合以維持不同速度下的氣動(dòng)效率。1994～2001年，美國DARPA開展的智能機(jī)翼（Smart Wing）項(xiàng)目對(duì)一個(gè)無尾飛翼布局無人作戰(zhàn)飛機(jī)的柔性后緣控制面進(jìn)行了風(fēng)洞測試。2003～2007年，DARPA的變形飛機(jī)結(jié)構(gòu)（MAS）項(xiàng)目對(duì)可改變飛機(jī)機(jī)翼掠角、弦長和面積的無人機(jī)方案進(jìn)行了驗(yàn)證試飛。

上述項(xiàng)目向人們展示了在飛行中進(jìn)行大的性能變化是可行的。然而，這些項(xiàng)目并沒有做出引人注目的變形案例，沒有吸引客戶進(jìn)一步投資、推動(dòng)該技術(shù)走向系統(tǒng)開發(fā)階段，而擺在人們面前更多的卻是關(guān)于優(yōu)化、集成、取證、可靠性、維護(hù)性等其他的需要解決的負(fù)面問題。

如今，變形飛機(jī)技術(shù)再次回到人們的視野可能有以下三點(diǎn)原因。一是它能夠給予無人機(jī)設(shè)計(jì)師更大的設(shè)計(jì)自由度以消除取證要求的限制；第二是商用飛機(jī)增加效率、減少排放的驅(qū)動(dòng)；第三則是柔性結(jié)構(gòu)技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)了簡便、穩(wěn)健的變形裝置的發(fā)展。

對(duì)于商用飛機(jī)設(shè)計(jì)師來說，下一步提高飛機(jī)氣動(dòng)效率意味著將采用更加細(xì)長、低阻的機(jī)翼，而機(jī)翼柔性的增加需要采用主動(dòng)控制技術(shù)抑制顫振和減緩載荷，這就需要采用飛行中可變彎度的機(jī)翼后緣。此外，層流機(jī)翼也可進(jìn)一步提高商用飛機(jī)的氣動(dòng)效率，而這需要采用無縫機(jī)翼前緣以保持層流狀態(tài)。這些都對(duì)機(jī)翼變形提出了明確的需求。

2014～2015年，美國柔性變形系統(tǒng)公司（FlexSys）開發(fā)的“主動(dòng)柔性后緣襟翼（ACTE）”由NASA和AFRL進(jìn)行了一系列的地面和飛行測試。ACTE具有柔性的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和無縫彈性蒙皮，使用傳統(tǒng)的作動(dòng)器即可實(shí)現(xiàn)變形。美國空軍下一步計(jì)劃在KC-135加油機(jī)上測試柔性襟翼調(diào)整片，如果順利的話可進(jìn)一步發(fā)展成產(chǎn)品。與此同時(shí)，柔性變形系統(tǒng)公司已經(jīng)與航空伙伴公司合作探索該技術(shù)在變形翼梢方面的商業(yè)應(yīng)用。

AFRL內(nèi)部正在研究一種可同時(shí)偏轉(zhuǎn)前后緣實(shí)現(xiàn)機(jī)翼在多種條件下優(yōu)化的變彎度柔性技術(shù)。這種技術(shù)類似于F-111的任務(wù)自適應(yīng)機(jī)翼，但是具有更簡單的機(jī)構(gòu)，即通過在柔性翼肋的某個(gè)位置和方向加力實(shí)現(xiàn)前后緣的同時(shí)變形。

除美國外，歐洲也在開展變形機(jī)翼技術(shù)的研究。歐洲的Change項(xiàng)目已經(jīng)在無人機(jī)上測試了變形機(jī)翼前后緣，并且能夠改變翼展。該項(xiàng)目的研究目標(biāo)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(tài)減小翼展、空中待命階段增加翼展并減小彎度的技術(shù)。

歐洲另一個(gè)早期變形機(jī)翼研究項(xiàng)目——巴西航空工業(yè)公司領(lǐng)導(dǎo)的Novemor項(xiàng)目，為一個(gè)未來噴氣支線客機(jī)的概念方案設(shè)計(jì)了變彎度機(jī)翼。該機(jī)翼具有無縫、無鉸接結(jié)構(gòu)的前后緣。研究人員認(rèn)為該技術(shù)可以用于對(duì)現(xiàn)役飛機(jī)的傳統(tǒng)機(jī)翼進(jìn)行改裝以減小噪聲和阻力。截至目前，該項(xiàng)目只進(jìn)行了一個(gè)小型模型的風(fēng)洞試驗(yàn)。

從目前的情況看，美歐都未停止對(duì)變形機(jī)翼技術(shù)的研究。雖然該技術(shù)的可行性早已得到驗(yàn)證，應(yīng)用前景異常廣闊，但是要真正走向現(xiàn)實(shí)還有很長的路要走。