【科技动向】美国研发可实现减重和节能效果的新型积木式变形飞机结构

2016年11月15日，美国《航空周刊与空间技术》网站报道了美国正在发展的新型数字式飞机结构，该结构可实现减重、节能效果。

想象一下数码相片带来革命性变化的场景。来自美国航空航天局（NASA）、大学和工业部门的联合研究团队正在尝试采用“数字”积木块打造新型飞机结构，这将彻底颠覆传统的飞机制造模式，提高飞机运行效率。这是一种可以由小型轻质复合材料“体元”或体积细胞（类似于数字式相片中的像素）组装而成的桁架结构，这些子单元通过几何排列的方式构造可在不采用活动控制面情况下实现对几何外形的无缝改变。

本文所述的变形结构采用复合材料注射成型工艺制造的“体元”积木结构（美国《航空周刊与空间技术》图片）

该团队名为“任务自适应数字化复合材料航空结构技术”（Madcat）专项组，由来自NASA的阿姆斯（Ames）研究中心和兰利（Langley）飞行研究中心，麻省理工学院，亚拉巴马州立大学，密歇根州立大学和加州大学圣克鲁兹分校，以及航空结构制造商势必锐航空系统公司（Spirit）和穆格公司（Moog）的研究人员组成。

Madcat团队在NASA的“会聚性航空学解决方案计划”（Convergent）支持下，正在开展模块化复合材料变体机翼概念的快速可行性验证工作。Madcat团队制造了一个翼展50英寸（1.27米）的变形机翼，机翼采用复合材料点阵体积元结构，蒙皮用重叠的柔性材料部件制造，就像羽毛或鳞片，互相可沿着机翼弯曲的方向横向滑动，保持光滑的表面。在尖部连接的转向管促使根部沿着翼展方向连续扭转，在表面无移动的情况下进行滚转控制。经过风洞测试，可以实现翼根到翼尖的持续扭转。

翼展为50英寸（1.27米）、基于本文所述数字式“体元”结构的机翼在风洞试验中实现从翼尖到翼根的连续扭转（美国航空航天局图片）

2016年4月，这架没有副翼，通过机翼扭转来控制滚转运动的Madcat V0缩比变体无人机成功实现了首飞，目前正筹备全面仪表飞行以便搜集更多的系统动力学数据。Madcat V0综合了蜂窝材料、积木式制造和变体机翼等三项核心技术，目前工作重点是全尺寸飞行器概念验证。通过分析表明，缩比无人机到全尺寸无人机是可行的。未来将建造一个更大的，可实现完全变形的缩比飞机Madcat V1，采用无尾飞翼布局和完全数字化体积元结构。预计将于2017年9月项目结束前完成风洞测试。

MADCAT V0无人机已演示用基于体元的变形结构实现滚转控制（美国航空航天局图片）

在风洞试验中，采用数字化体积元结构的翼展50英寸（1.27米）的变形机翼可以实现翼根到翼尖的持续扭转。体积元积木块是由多种不同材料注模而成的骨骼状立方体，例如，热塑性碳纤维复合材料。碳纤维具有刚度高的特性。在体积元中加入不同的材料特性可以设计出桁架结构变体所需的特定变形量。与只用少数几种颜色和色差就能搭配出丰富多彩的数字照片相似，只利用很少几种不同类型的体积元就可以制造一个变体机翼，而且有许多不同的体积元，还可以在物理空间内任意变化。这些独立组件具有非常好的强度、刚度特性，然而保证最终外形灵活性的关键是选择组件尺寸和材料精准性和组件的组装。

通常一架全尺寸民用飞机大概需要600万个结构部组件件，其中100万还需要专门设计。采用体积元后，最多只需要设计1000个部件就可满足结构需求。不仅极大降低数量级，还提供了更多灵活性和可变性。

这种概念的关键问题是如何从小型子单元进行组装成桁架结构，目前用于测试的变体机翼是通过人工方式利用微型螺栓将手掌大小的体积元连接而成。项目团队正在尝试机器人组装的方式，利用可在结构内部爬行的微型机器人来实现组装，这种桁架结构为机器人组装和维修提供了完美的条件，研究团队目前已经制造出机器人原型。

本文所述的变形结构是利用螺栓将简单的小型化复合材料子单元结构彼此连接（美国麻省理工学院图片）

由一堆相同的积木组建一个大型复杂结构的方式将极大简化制造工艺要求，与当前利用大型设备和工具的制造模式相比，这种模块化结构可以实现快速大规模批量制造和机器人现场组装；而且拆卸和维修非常方便，当不再需要时可以拆解成部组件，且随时可根据需要组装成不同形式的新结构，可通过替换损坏体积元的方式对结构进行维修。

（中国航空工业发展研究中心  程文渊 张慧 王元元）

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