美国变形机翼研究进展综述

2018-04-06 远望智库预见未来 战略前沿技术战略前沿技术

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来源：高端装备发展研究中心

导言

将刚性机翼变为可变形机翼，使其在在飞行过程中改变飞机机翼的形状，是目前提高燃油效率的最可行方案之一，一旦实现将为航空工业带来新的未来。因此，作为全球航空业领导者的美国和欧盟都在致力于研究变形机翼这一应用前景广阔的技术。

为什么要发展变形机翼？

一个多世纪前，航空业的先驱想出了一种使用带襟翼的刚性机翼来产生足够升力的方法，从而将笨重的飞机送上了天空，这是人类历史上最伟大的进步之一。

在发展了近百年后，燃料方面的高运营成本仍是全球航空工业需要解决的问题。目前商业航空公司在燃料方面的支出仍超过了其运营成本的25％。与此同时，现代飞机机翼和发动机的效率已经达到了接近顶峰的水平，因此要想再在这两个方面提高效益来节省开支，对工程师来说是极其困难的。对于提高燃油效率还有一种可行方案，也就是将刚性机翼变为变形机翼，使其在在飞行过程中改变飞机机翼的形状，从而使飞机更接近最佳性能。

美国早期的变形机翼项目成果

早在20世纪80年代，美国就开始致力于研究可以瞬间精确地调整自身形状的可变形飞机机翼，下面为几个主要的研发项目及成果。

美国FlexSys公司的自适应柔性后缘襟翼（ACTE）

2014～2015年，美国柔性变形系统公司（FlexSys）开发的“主动柔性后缘襟翼”（ACTE）由NASA和AFRL进行了一系列的地面和飞行测试。ACTE具有柔性的内部结构和无缝弹性蒙皮，使用传统的作动器即可实现变形。FlexSys公司将其柔性机翼产品命名为FlexFoil。

FlexSys ACTE flap technology bridges gaps in wing for a seamless surface.

[Credits: Flexsys Image]

2014年11月6日，装有世界上第一对现代化可变形机翼的湾流Ⅲ型喷气式飞机在加利福尼亚州高原沙漠进行试飞。为了安全起见，实验并没有在整个飞行过程中改变机翼的形状，而是在地面上远程控制FlexFoil。在位于加利福尼亚州爱德华兹的美国航空航天局阿姆斯特朗飞行研究中心进行的22次飞行中，这些机翼的倾角能够在2°至32°之间变化，也就是可以改变其弯曲弧度。

ACTE installed on the GIII at a flap deflection of 20°.

测试数据显示，当FlexFoil弯曲至传统襟翼所处的角度时，可以产生最大5000千克的升力。在一系列测试中，飞机承受了最大达到每平方米1875千克的动态气压，这一数字远远超过任何传统的商用飞机；另外，FlexFoil能够承受－53℃至82℃的温度范围，预计使用寿命是普通商业飞机机翼的5倍。这些结果显示，FlexFoil更实用、轻便且使用寿命长，能够实际应用于现代商用飞机，在多种飞行条件下展现出顶尖的性能。

ACTE interface componets (representative cross section).

2015年11月， FlexSys 与AviationPartners公司合资经营，向航空公司销售能够提高燃油效率的翼梢小翼。为了将FlexFoil商业化，两家公司联合组建了一家名为AviationPartnersFlexSys的新公司，计划于2020年在商用飞机上对FlexFoil进行测试。

2017年，NASA开始了ACTE项目第二轮飞行试验（ACTE Ⅱ）。第二轮试验是在加州爱德华兹阿姆斯特朗飞行研究中心进行的，主要内容是在首轮试验结果基础上，继续开展3个方面的研究，包括验证更大速度时的技术成熟性、研究新型襟翼对阻力的影响、开展柔性变形襟翼的首次动态变形试飞。

Installation of test instrumentation in preparation for installation of the experimental Adaptive Compliant Trailing Edge flap on NASA’s modified G-III Aerodynamic Research aircraft.

Credits: NASA / Ken Ulbrich

据悉，FlexFoil技术一旦成功将有望应用于下一代飞机。航空业专家预测，下一代飞机有可能采用无缝隙设计，机翼和机身将结合在一起。美国波音公司和美国航空航天局已经试验了具有未来特点的混合机翼飞机，FlexFoil可以转变成一种非常平稳、安静和高效的飞行工具。

NASA的新型可变形机翼

2016年，NASA与美多家高校合作研发了一款由增强碳纤维塑料组成的能够弯曲的可变形机翼。它可以极大地提高飞机飞行的效率，并且减轻机械机构的重量，使之符合空气动力学原理。除此之外，这个新型机翼会简化生产制造的过程，并且通过提高机翼的空气学动力，极大地降低燃油消耗。

这种新的变形机翼由被称为“数字化材料”的轻质结构片组成。这些轻质结构可以运动，并且具备空气动力学属性。所以，即便这个机翼是一块整合的整体，但是科学家们还是可以通过对小结构件的再组合实现整体的变形。具体而言，科学家可以使用小型驱动电机，在机翼的翼尖施加一个扭转压力，如此一来，机翼沿翼展方向就会产生一致的变形。

MADCAT v0 Wing embedded IMUs

该项目由NASA的自适应数字复合航空结构技术（MADCAT）团队与来自美国麻省理工学院，康奈尔大学，加州大学圣克鲁斯分校，加州大学伯克利分校和加州大学戴维斯分校的学生合作研发。

MADCAT项目由Convergent航空解决方案项目下的ARMD转型航空概念计划提供资助，为下一代研究人员提供了探索新方法，实现空气动力学技术的突破性进展。该团队最近在加利福尼亚莫德斯托附近的远程测试机场测试了新的变形机翼，并且计划进一步发展机翼并评估其可行性。

目前，研究团队正在致力于将这种机翼技术率先使用在无人机的制造上。除此之外，这种材料也可以用于机器人元件以及高楼、桥梁等建筑结构件的制造。

除美国以外，欧洲也在开展变形机翼技术的研究。大部分主要项目都是在欧盟框架计划内开展研究，包括CHANGE项目、Novemor项目、SADE项目、SARISTU项目、SMS项目等。

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