灌輸牛鼻子:智力？可變形飛行器高效靈活。
智能變形飛行器的研究進展如何？其關鍵技術近期有哪些突破？
鑲嵌牛文字:
北大西洋公約組織對智能變體飛行器的定義是:通過局部或整體改變飛行器的外形，使飛行器能夠實時適應各種任務需求，在各種飛行環境中保持最佳的效率和性能。可見，智能變體飛行器是壹種具有飛行適應能力的新概念飛行器，其研究涉及非定常空氣動力學、時變結構力學、氣動伺服彈性、智能材料與結構力學、非線性系統動力學、智能傳感與控制科學等前沿和熱點。，代表了未來先進飛機的壹個發展方向。智能變形飛行器具有巨大的應用前景。以美國國家航空航天局設想的未來智能變體飛機為例，通過新型智能材料、致動器、傳感器和控制系統的綜合應用，飛機可以隨著外界環境的變化不斷改變形狀，不僅在整個飛行過程中保持最佳性能，而且提高了舒適性，降低了成本。
正是由於其巨大的優勢和應用潛力，國內外湧現出多種智能變形設計理念和嘗試，如自適應機翼、主動柔性機翼、主動氣動彈性機翼、智能機翼、智能旋翼、變體飛行器等。本文根據機翼表面變形方式對智能變形飛機的最新進展進行了分類總結，詳細介紹了變翼展、變弦長、變厚度、變後掠角、變彎度等機翼智能變形的各種實現類型，並提煉了實現智能變形機翼的幾項關鍵技術。通過本文的介紹，我們可以對智能變體飛行器的設計思路和關鍵技術有更豐富的了解和認識。
變形機翼的分類及進展
合理改變機翼平面形狀可以改善飛機的氣動性能。下表列出了機翼參數對氣動性能的影響。可以看出，通過合理改變機翼外形參數，可以改善飛機的氣動特性和機動性，產生增升、減阻、增程和飛行時間的效益，使飛機能夠高效地完成多種飛行任務。由於機翼形狀參數的各種影響，機翼變形的設計方法也是多種多樣的。本文分別介紹了變展長、變弦長、變厚度、變後掠角、變彎度等變形形式。
1.可變展開長度
拉伸拉伸是翅膀變形最簡單最直接的方式。翼展的變化有以下優點:增加變體飛機的翼展相當於增加其機翼面積和展弦比，可以導致升阻比增加，航程和續航能力增加；停放時機翼收縮，可顯著減少飛機占用面積；當兩側翼展不同時，左右升力不對稱產生的滾轉力矩可以方便飛機的側向控制。
早在1929年，美國設計師Vinent就首次提出了變翼展機翼的設計思想，並成功制造了GX-3驗證機進行飛行試驗。1931年，俄羅斯科學家Makhonine設計制造了MAK-10飛機，其展長可從13米增加到21米，變化超過60%。MAK-123飛機出現在1947，FS-29飛機出現在1972，這兩種飛機都屬於變延伸飛機，但早期的變形機構過於笨重龐大，無法普及。
“伸縮翼”是近年來出現的壹種新型可變翼展設計理念。在國防研究計劃局2003年實施的可變形飛機結構項目(MAS)中，伸縮機翼是三種主要變形方案之壹(其余為折疊機翼和滑動蒙皮機翼，後面會詳細介紹)。該設計以戰斧巡航導彈為對象，巡航飛行時機翼展開以獲得最大升力，高速俯沖時翼面收縮以提高機動性。但由於翼載較重，機翼較薄，無法安裝伸縮機構，該方案無法推廣。西北工業大學的汪江華等人優化了伸縮翼巡航導彈的氣動外形。研究表明，伸縮翼設計可使導彈的燃油消耗降低65，438+02%，明顯改善導彈性能。2007年，馬裏蘭大學的朱莉等人以充氣伸縮梁為驅動機構，通過機翼伸縮來改變升力和控制滾轉，並進行了風洞試驗。經過測試，最大可以改變230%的展弦比，升阻比可以高達16。但軟皮引起的寄生阻力在壹定程度上影響了氣動性能。
總的來說，變翼展機翼還需要解決伸縮機構的結構減重設計、高速飛行的機翼減薄設計、彈性蒙皮的連續密封設計等壹系列問題，離工程應用還很遠。
2.可變弦長
與變長翼的操縱效果類似，變長翼也是通過機翼變形來合理改變展弦比和機翼面積，從而優化飛機的升阻比、飛行速度和機動性。
變弦長概念最典型的應用是傳統飛機的襟副翼設計。通過螺旋機構驅動襟副翼發生弦向變形，可以顯著提高飛機的起降性能和滾轉機動性。至於翼型本身，由於梁架、油箱等設備的幹涉，或者翼型較小，空間不足，變弦長設計難度很大，國內外相關研究相對較少。早在1937年，俄羅斯科學家巴卡沙耶夫就設計制造了第壹架變弦長飛機RK-1。飛機弦長由六弦可伸縮重疊機身改變，原機機翼面積變化44%，改進後的飛機變化高達135%，驗證了通過伸縮機構改變弦長的可行性。
近年來，以美國CRG公司為代表的科技公司利用復合材料和智能材料重新開展了變弦長機翼的研究。2004年，CRG公司的Perkins等人將壓縮比高達400%的形狀記憶合金材料用於變弦長設計。實驗表明，該材料加熱後可以達到預期的變形，但形狀記憶合金由於其不穩定性，冷卻後不能恢復到原來的形狀。2005年，CRG公司的裏德和其他人設計了壹種肋骨相互穿插的變弦長機翼。在DC電機和導桿的驅動下，機翼面積可增加近80%，但該設計也存在機構復雜、蒙皮材料回復力低的問題，難以回到變形的初始狀態。2011賓夕法尼亞州立大學的Barbarino等人將可壓縮蜂窩結構應用於直升機槳葉的弦變形設計。變形後的蜂窩結構可以承受循環驅動，其弦變形可以增加30%左右。此外，值得壹提的是，設計師通過預拉伸柔性蒙皮，保證了機翼表面的連續光滑。
在形狀記憶合金和復合材料蜂窩結構等新材料和新技術的推動下，近年來出現了許多變弦長機翼的概念，但這些新材料的性能穩定性有待提高，以便於工程應用。
3.可變厚度
變厚度設計是指在不引起機翼形狀明顯變化的情況下，調整機翼的輪廓線，屬於輕微變形設計。機翼厚度的變化可以改善翼型在高低速時的氣動性能，具有避免或延緩邊界層分離、控制轉捩位置和激波以減小波阻、抑制抖振等優點。
早在1992年，美國奧斯汀等人就設計了基於桁架結構的變厚度機翼。設計師在桁架上布置了壹個線性位移驅動器，通過激勵驅動器，可以調節桁架上每個撐桿的長度，從而調節翼型厚度，優化氣動效率。近年來，加拿大國家研究中心開展了壹系列變厚度機翼的理論研究和實驗驗證。2007年，該中心的Coutu等人設計了壹種自適應變厚度機翼。機翼由剛性機身、柔性蒙皮和安裝在機翼內部的驅動器組成。機翼蒙皮采用碳纖維復合材料，具有良好的柔韌性和足夠的支撐剛度。在駕駛員的激勵下，機翼厚度發生變化，機翼的層流效果得到有效改善。2008年，該中心的Andrei等人設計了壹種機翼上表面厚度方向的激勵裝置。通過對17不同翼型的數值模擬，得出了轉捩位置延遲的結論，證明了周期驅動激勵可以應用於轉捩控制。2009年，基於Andrei的研究，格裏戈利設計了壹種用於變形控制的自適應神經模糊控制器。控制器根據壓力傳感器采集的翼型表面壓力，計算出參考翼型與優化翼型之間的壓力變化，首次實現了壓力變化與轉捩位置的直接關聯。此外，2009年，英國布裏斯托大學的斯蒂芬等人使用壓電材料作為致動器，安裝在機翼蒙皮的上表面。通電後，激勵器產生固定頻率的振動，從而改變皮膚表面的邊界層流動。風洞試驗表明，這種驅動方式可以減小機翼阻力，提高升力。
變厚度機翼設計可以通過稍微改變翼型來達到調節流場、改善氣動性能的目的。隨著壓電陶瓷等新型智能材料的發展，必將在未來的工程應用中產生更多的應用嘗試和更大的經濟價值。
4.改變後掠角
小後掠角有助於提高機翼低速時的效率，大後掠角有助於降低高速時的興波阻力。後掠角在不同飛行狀態下獨立變化，成為兼顧高低速不同氣動性能的最有效手段。正因為如此，變後掠技術也成為最早改變機翼形狀的成熟技術。
從20世紀40年代到70年代，變後掠技術已經成功應用於許多戰鬥機和轟炸機上，如米格-23、F-14、蓋爾、B-1B轟炸機等。但早期的變後掠技術因其機構和操作復雜、故障率高、維護困難，逐漸被雙三角設計、鴨翼設計、大邊條設計、翼身融合技術取代，限制了飛機載荷、外形和隱身性能的提升。
21世紀，隨著新材料、新技術的發展和應用，變後掠飛機的性能也得到了發展和提高。2004年，弗吉尼亞理工大學的尼爾和其他人設計了壹種具有自適應變形的無人機模型。除了翼展可以改變65，438+07%，機身尾部可以壓縮65，438+02%，機翼可以扭轉20°之外，無人機的後掠角可以從0°改變到40°。風洞實驗驗證了無人機模型在各種變形形式下的有效性。2006年，佛羅裏達大學的格蘭特等人通過研究海鷗的飛行姿態，設計了壹種多節點可變後掠微型飛行器。該飛行器機翼的內外翼具有獨立的可變後掠角機構，仿真表明其具有良好的轉向能力和抗側風能力。2013中國航天空氣動力研究院陳謙等人設計分析了飛機外翼大尺度剪切變後掠模態，並通過風洞試驗驗證了變後掠翼能夠滿足蒙皮、結構、驅動和控制等氣動特性研究的需要，準定常氣動特性曲線表明變後掠翼具有很大的氣動效益。
最值得註意的是，美國NextGen公司為MAS項目設計的滑動蒙皮可變後掠翼飛機MFX-1不同於傳統的機翼嵌入機身的可變後掠翼模式，飛機弦長可以獨立於後掠角而變化。2006年，MFX-1首飛成功。在185~220km/h速度下，翼展變化30%，翼面積變化40%，後掠角從15°變為35°，全程不超過15s。測試結果成功地證實了飛機正在飛行。
5.變曲率
彎度是機翼產生升力的最基本因素。改變彎度可以有效控制機翼表面的氣流分離，可以顯著提高飛機的飛行機動性，特別是對於通常處於低雷諾數飛行狀態、性能主要依賴於層流邊界層流動的低速飛機。
國內外對變彎度機翼進行了很多研究，如1981的MAW項目中的機械鉸鏈式變彎度機翼，1992的Powers等人在F-11戰鬥機上安裝的機械式變彎度機翼，2004年馬裏蘭大學，由於機械結構復雜，重量大，大部分變彎度機翼沒有得到推廣。
近年來，智能材料和先進制造技術的發展為變彎度機翼提供了良好的材料和技術基礎。2003年，弗吉尼亞大學的Elzey等人設計了壹種由形狀記憶合金驅動的連桿式變彎度機翼，使機翼剖面產生很大的彎曲變形。2009年，德克薩斯A&M大學的皮爾和其他人制作了自己的機制，通過對中央翼盒中的氣囊加壓來驅動機翼前緣和後緣的變形。經測試，翼型頭部最大變形量為14，翼型尾部最大變形量為13，變形後蒙皮仍能保持光滑連續。2011瑞士結構科學與技術中心的哈塞等人提出了“肋結構”的概念，並將其應用於變形機翼的設計。設計者用分布式柔性肋結構代替了傳統的鉸鏈結構，具有幾何變形大、承載力高、重量輕的優點。地面試驗表明，翼肋結構設計可以實現從NACA0012到NACA 242的翼型。2015年，美國空軍實驗室的詹姆斯等人基於“柔順機理”設計了壹種保形翼型。柔順機構可以放大智能材料的致動位移，並將其傳遞到前緣和後緣，從而使翼型控制所需的能量更低。移除控制表面也降低了機翼的重量和成本。實驗模型為1.8米，氣動載荷下拱度變化超過6%。2015意大利Alessandro等人基於“非對稱結構”設計了壹種共形機翼。設計思路類似於“柔順機構”，也是壹種設計巧妙的傳力機構，可以將動態位移放大傳遞到前後邊緣。這種設計可以有效避免變形引起的局部應力。設計者通過地面試驗證明了非對稱蜂窩結構獨立變形的先進性，分析了結構的典型破壞形式和大變形引起的強非線性。2015英國斯旺西大學的Benjimin等人在生物學的啟發下提出了“魚骨主動彎曲變形”的概念。采用魚骨結構降低翼型的弦剛度，實現翼型的彎度控制。風洞試驗表明，在相同試驗條件下，變形機翼比傳統機翼的升阻比可提高20%~25%。這個概念可以應用於固定翼、直升機、風力渦輪機和潮汐。2016年，瑞士復合材料與自適應結構實驗室的Francesco等人設計了壹種可以替代副翼的“加強褶皺皮膚”機翼。在水流的作用下，後緣的褶皺表皮可以伸縮變形，推動尾部上下彎曲。風洞試驗表明，這種設計可以提供高頻滾轉控制力，有效替代副翼功能，此外，由於機翼的連續形狀，這種設計可以顯著降低零升阻力。
目前，國外非常重視變彎度機翼的研究，隨著智能材料的發展，各種設計理念應運而生。基於變彎度的保形翼型設計，不僅可以通過改變翼型的彎度來控制氣流的分離，提高飛機的氣動性能，還可以通過對不同的弦截面設置不同的彎度來實現翼型的翹曲，控制飛機的滾轉機動，可以有效替代襟副翼等操縱面，具有較高的應用價值和工程可行性。
變形機翼的關鍵技術
根據上面的介紹，雖然機翼變形的方式多種多樣，但所有變形的機翼都離不開大面積光滑連續的柔性蒙皮結構、輕便高效的變形驅動系統和快速靈敏的傳感控制系統。因此，實現機翼變形的關鍵技術可分為以下幾類:
1.光滑連續的柔性皮膚技術
與常規機翼相比，變形機翼對蒙皮結構提出了新的要求，即蒙皮不僅要保持重量輕、面內法向剛度高、能承受和傳遞氣動載荷的特性，還要具有足夠的光滑連續性和大範圍變形特性。因此，將傳統材料與新材料相結合，進行結構設計創新，設計出重量、變形能力和承載能力滿足變形方案的柔性蒙皮結構，是未來智能變形飛行器設計的重要挑戰。
2.輕型高效變形驅動控制技術。
變形機翼的驅動和控制也是智能變形飛行器設計的關鍵技術之壹。智能變體飛行器的驅動裝置應具有輕量化、分布式、高效率、快速響應、低能耗和易控制的特點。傳統的電機和液壓驅動方式過於繁瑣和復雜，難以滿足設計要求。基於智能材料的新型驅動器件應該是後續發展的重點，如磁致伸縮執行器、壓電陶瓷執行器和形狀記憶材料執行器等。
3.適應大變形的分布式傳感器網絡技術。
結構智能變形需要實時檢測和感知周圍環境和自身狀態的變化，這就要求機翼上布滿能夠感知各種信息的傳感元件，形成分布式多傳感器網絡系統。傳感器元件不僅要保證足夠的精度和快速的響應特性，還要適應智能變形飛行器大位移、大應變的運動特性，這對傳感器元件和傳感器網絡提出了新的要求，也是未來的挑戰之壹。
智能變體飛機設計是壹項在民用和軍用飛機領域具有廣闊應用前景的新技術，可推動新型智能材料、仿生設計、結構優化設計、先進傳感技術、多信息融合技術等學科的發展，對未來新概念飛機的預研和技術儲備具有深遠意義。本文對智能變體技術的總結可以為智能變體飛行器的設計和開發提供相應的參考。