讓戰斗機像鳥，機翼上演變形記

在高速飛行的狀態下，一個小小的縫隙就可能產生撕裂飛機翅膀的力量。所以機翼的變形過程中，必須是“無縫”的，就像《終結者》片中的液體機器人，可以自我變異。

諸如獵鷹之類的猛禽平時能輕松地展翅翱翔，一旦發現獵物，又能立即收起翅膀，以極高的速度俯沖。其秘訣在于它們能自如控制翅膀邊緣的羽毛，通過改變其方向，在飛行中翻滾、變向。這一現象早就為人所注意并刻意模仿，當萊特兄弟于1903年進行首次歷史性飛行時，他們就曾試圖通過拉拽捆綁機翼的繩索來使機翼的結構發生變化。隨著技術的發展，像鳥翅膀一樣的變形機翼通過自動改變機翼形狀和表面特性，隨時適應飛行條件和任務的需要就要成為現實。它將使下一代戰斗機既能在戰場上空盤旋數小時等待時機，又能迅猛出擊。這種能力在電影《變形金剛》中有比較極端的生動體現。影片中，霸天虎的“紅蜘蛛”像鳥兒一樣隨意改變氣動外形，將美軍的F-22戰機打得落花流水。

力求十全十美

目前，飛機機翼設計并不能夠同時滿足兩個目標:既飛得快，又有較長滯空時間。例如，闊機翼飛機的高空滯空性能最佳，但無法在低空高速飛行。變形機翼技術將使飛機快速抵達目標，然后又能長期滯留在目標上空。據美國《航空周刊》網站8月28日報道，五角大樓高級研究計劃局(DARPA)早在2003年就啟動了“變形飛機結構(MAS)”項目，在近日取得“里程碑式的進展”。該項目旨在通過變形飛機部件使新一代軍用飛機能夠用于執行多種形式的作戰任務。其長遠目標是設計一種續航能力比“全球鷹”無人機更強、機動性比F/A-22戰斗機更好的飛機。

五角大樓高級研究計劃局最近發布了“任務適應旋翼”的變形機翼項目招標公告，包括波音、雷聲、西科斯基公司在內的軍工巨頭均躍躍欲試，有意拿下這份巨額合同。該機構對未來旋翼技術提出了嚴格甚至苛刻的要求——與固定旋翼相比，新變形機翼須增加30%荷載和40%航程，并減少50%的噪音和90%的震動。機翼需要在滿足“節約燃料”及“高機動性”兩項條件的前提下變化成不同的形狀，要能夠改變葉片的直徑、旋轉范圍、翼弦及翼端外形等。單就技術優勢來說，變形機翼也是普通固定式機翼無法匹敵的，前者更能適應復雜的氣候環境，機動性能更高，實戰生存能力更強。

目前，美國防部預先研究計劃局的“變形飛機結構”項目中的兩個變形原型機翼已經展開風洞試驗。變形機翼使機翼面積能夠在50%～150%之間變化，分別適應巡航和高速飛行時的需要。其實，變形機翼結構并非新概念。現今使用的一些飛機也已經具備了能夠調整機翼的能力，如美國海軍的F-14“雄貓”戰斗機、V-22“魚鷹”傾轉旋翼機，以及F-111隱身戰斗機。不過，這些“調整機翼形狀”與真正的變形機翼概念不同。真正的變形機翼通過應用靈敏的傳感器和作動器，光滑而持續地改變機翼的形狀，對不斷改變的飛行條件做出響應，從而可使飛機像鳥一樣隨意地在空中進行盤旋、倒飛和側向滑行。這將是新型智能材料、新型激勵器、傳感器無縫地綜合應用于飛行器的一種新的設計概念。

根據試驗數據，未來采用變形機翼技術的飛機功耗更低，可以在較短的跑道上起飛，大大增加飛行距離，提高燃油效率。此外，具有變形機翼結構的巡航導彈能夠以極快的速度抵達目標，然后又能在目標上空滯留以便認定目標是否被摧毀，在必要的情況下還可以快速轉向摧毀另一個新目標。而像“捕食者”這類無人機，如果具有變形機翼將既能獲得高速飛行能力又將具有高機動能力，從而可以用于與敵機進行的空中交戰。目前DARPA首先在無人機上試驗變形技術，據悉，一旦技術成熟未來還將應用于有人駕駛飛機，包括下一代直升機的設計中。

除此之外，變形機翼結構還可用于衛星或其他航天飛行器。目前美空軍、航空航天局和美國CRG公司正聯合開發一種將用在太空“軌道鏡”上的變形結構。在這一設計中，“鏡子”安裝在可變形的連接臂上，使其能折疊起來以便于發射;發射到軌道上后，連接臂可根據情況“自我”展開成所需要的工作形狀，利用鏡子收集太陽能轉換成電能。

研究人員認為，2030年以后，改變機翼形狀的技術將成為設計主流，并會應用到美國空軍的所有飛機中去。除機翼外，包括進氣口、推進系統也能從變形機翼技術中受益。最近由DARPA投資，波音“鬼怪”工程隊完成的一項研究，驗證了F-15戰斗機進氣噴管的動態可重組技術，可望將F-15的航程增加多達20%。在民航客機上目前采用了一種降噪技術，它將一個鋸齒狀結構稍稍伸入客機噴流內，可以起到抑制起飛噪音的作用。

關鍵是找到變形的材料

變形機翼技術當前最大的挑戰之一是:機翼在飛行中變形收放時，會引起重心和氣動中心迅速而大幅度地變化，從而造成尾旋或失控。目前美國弗吉尼亞理工大學正用計算機研究變形機翼對飛機穩定的影響。另一個問題是:變形機翼不像鳥翼上那樣覆蓋著柔性的羽毛，它打開任何一個關節時都會露出縫隙而產生極大阻力，完全是“捉襟見肘”。如果采用F-14那種機械變形技術，在高速飛行的狀態下，一個小小的縫隙就可能產生撕裂飛機翅膀的力量。為實現機翼等部件的變形，必須將激勵器、傳感器、鎖件等機構等裝置，以及控制這些機構的電源無縫地綜合在一起。更為重要的是在機翼“變形”過程中，必須是“無縫”的，就像《終結者》片中的液體機器人，可以自我變異。

因此，DARPA正在研究新一代形狀記憶材料，它能隨機翼伸展和活動，填補機翼開合形成的接縫。這些新型的形狀記憶聚合物(SMP)可以被延展和拉伸成不同形狀，比如一塊做成翼型的SMP可以被彎曲成一塊平板。但一旦加熱到轉變溫度以上，它又會“啪”地一下變回原來的翼型。因而可以用來遮蓋折疊或伸縮機翼的接頭。現在的研究重點是使它既有足夠的延展性，又要有足夠強度，以適應高速下的反復使用。為了使變形翼像生物體一樣剛柔并濟，還可能需要用到自適應結構技術，它一般用一整塊原料，通過噴射模塑法或切削而成。這種金屬或塑料構件可作為機翼邊緣或其他韌性部件的內部結構，它能使應力靈活分布，使一部分像編織物一樣柔軟，而同時另一部分保持剛性。

在MAS項目第一階段，承包商主要是設計、制造和試驗能夠確保變形機翼在低速和跨聲速飛行中伸縮150%的部件及配件。據SMP項目材料供應商Cornerstone研究集團(CRG)公司總工程師稱，變形部件能夠經得起高數次的形狀變化，盡管目前還沒有確定出變形機翼在需要更換之前到底可以經受多少次循環變形，但據初步試驗表明循環變形至少有數百次，執行一次任務平均變形10次，變形一次需要幾分鐘。