“更柔軟”航天飛行器誕生

各國(guó)科學(xué)家正在進(jìn)行柔性航天器的研究。如果航天飛行器具備隨時(shí)變形或適應(yīng)環(huán)境連續(xù)改變能力等特殊性能，那么就可以在復(fù)雜飛行環(huán)境中完成更多更具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。柔性飛行器技術(shù)對(duì)提高飛行器的燃油經(jīng)濟(jì)性以及安全性，甚至對(duì)提高軍用戰(zhàn)斗機(jī)的作戰(zhàn)性能，都有著巨大的潛力。

飛機(jī)襟翼示意圖

大家乘坐飛機(jī)的時(shí)候，會(huì)注意到飛機(jī)的機(jī)翼并不是完整的一塊，機(jī)翼的后面有一部分是可以活動(dòng)的叫做襟翼。襟翼是安裝在機(jī)翼上的活動(dòng)面，如下圖所示，襟翼可以通過(guò)改變角度，在起飛的時(shí)候提供更多的升力以及在降落時(shí)提供減速作用。襟翼活動(dòng)部件會(huì)增加故障發(fā)生的概率，而柔性機(jī)翼可以通過(guò)替代襟翼來(lái)避免這種事故。

柔性機(jī)翼模擬飛鳥(niǎo)的翅膀

近幾年來(lái)，科學(xué)家在不斷地探索柔性飛行器，我們身邊鳥(niǎo)類(lèi)和昆蟲(chóng)的翅膀其實(shí)就是一種柔性飛行器。它們的翅膀在飛行的過(guò)程中有著很大結(jié)構(gòu)上的變形，而這種變形，對(duì)于升力和推力的產(chǎn)生起著非常重要的作用。運(yùn)用特殊材料和智能控制等技術(shù)，柔性飛行器具備變高度、變厚度、變長(zhǎng)度、機(jī)翼扭轉(zhuǎn)等能力，以及智能飛行等其他性能。在空中隨時(shí)變形這一特點(diǎn)，也使得飛行器可以在更復(fù)雜的環(huán)境中完成更多的任務(wù)。

第一個(gè)飛上空中的柔性飛行器

2014 年，密歇根大學(xué)的教授、FlexSys 公司創(chuàng)始人 Kota 的團(tuán)隊(duì)和美國(guó)空軍合作，成功的研發(fā)出了柔性機(jī)翼并且進(jìn)行了試飛。這個(gè)機(jī)翼采用變形的一體式機(jī)構(gòu)，取消了傳統(tǒng)飛機(jī)機(jī)翼上的襟翼。Kota 和他在 NASA 和美國(guó)空軍的合作者聲稱(chēng)，這項(xiàng)測(cè)試是航空領(lǐng)域的首次柔性機(jī)翼試飛。

20世紀(jì)90 年代早期開(kāi)始，Kota 教授就產(chǎn)生了制作柔性機(jī)翼的想法。當(dāng)時(shí)在密歇根大學(xué)工作的 Kota 教授給附近的賴(lài)特-帕特森空軍基地打了電話(huà)，他的想法引起了軍方的強(qiáng)烈興趣。之后在美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室的資助下，Kota 教授的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了 20 年的研究，并且終于在 2014 年成功試飛世界上第一個(gè)柔性機(jī)翼產(chǎn)品 FlexFoil。

FlexFoil 的第一次的試飛是 2014 年 11 月 6 號(hào)，在加利福尼亞州愛(ài)德華茲空軍基地。工程師用 5 米長(zhǎng) FlexFoil 柔性可操縱機(jī)翼，替換了灣流 III 噴氣式飛機(jī)上的主要后緣機(jī)翼襟翼進(jìn)行了試飛。這次試驗(yàn)的飛機(jī)上只采用了柔性機(jī)翼，并沒(méi)有使用任何的備用襟翼。首次試飛進(jìn)行的非常成功，過(guò)程中柔性機(jī)翼表現(xiàn)的非常良好和穩(wěn)定。之后的 3? 個(gè)月內(nèi)，NASA 每周都對(duì) Flexfoil 進(jìn)行各種嚴(yán)苛工況的測(cè)試：在 6000 米到 12000 米的不同的高度、1.7G（連續(xù)負(fù)載）的各種傾斜動(dòng)作、以及使 FlexFoil 控制面承受了1.8萬(wàn)帕的高動(dòng)態(tài)壓力。在所有的這些測(cè)試工況中，F(xiàn)lexfoil 都表現(xiàn)良好。

Kota 教授聲稱(chēng)，研發(fā)柔性機(jī)翼和襟翼的目的是創(chuàng)造一種可以在整個(gè)飛行過(guò)程中都可以進(jìn)行精確的微調(diào)的機(jī)翼。相比于傳統(tǒng)的機(jī)翼，柔性機(jī)翼更加可靠、安靜、并且更省油。Kota 教授估計(jì)，如果將柔性機(jī)翼技術(shù)充分的應(yīng)用到新型的飛機(jī)中，該技術(shù)可以將油耗降低 12%。

柔性變形機(jī)翼技術(shù)

想象空間豐富

這項(xiàng)技術(shù)在民用和軍事領(lǐng)域的應(yīng)用上都有著豐富的想象空間。2015 年，歐盟開(kāi)始了一項(xiàng)名為 FLEXOP 的項(xiàng)目，來(lái)研究高性能的機(jī)翼。

該項(xiàng)目由歐盟資助并且和空客公司技術(shù)合作。這個(gè)項(xiàng)目中，提出了兩種柔性機(jī)翼的概念，一種是由慕尼黑技術(shù)大學(xué)開(kāi)發(fā)的顫振機(jī)翼，采用玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和主動(dòng)后緣襟翼控制技術(shù)，與標(biāo)準(zhǔn)機(jī)翼相比，可為飛機(jī)增加 20% 的有效載荷或減少 7% 的油耗;另一種是由德宇航氣動(dòng)彈性研究所和代爾夫特大學(xué)共同研發(fā)的氣動(dòng)彈性機(jī)翼，采用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和新型復(fù)合材料剪裁技術(shù)，使機(jī)翼能在載荷作用下彎曲和扭轉(zhuǎn)變形至理想狀態(tài)，與標(biāo)準(zhǔn)機(jī)翼相比，可降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量 20%。在 2020 年，在項(xiàng)目的結(jié)題測(cè)試中，這些技術(shù)通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示了可以實(shí)現(xiàn)降低 7% 的油耗的可能性。

除了燃油經(jīng)濟(jì)性之外，柔性機(jī)翼還有著很多其它潛在的優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)的剛性機(jī)翼的飛機(jī)，飛行過(guò)程中受到氣流的擾動(dòng)產(chǎn)生顛簸。而柔性機(jī)翼則能預(yù)防這種顛簸的產(chǎn)生，讓飛機(jī)在執(zhí)行任務(wù)的時(shí)候自身結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。這個(gè)對(duì)于民用客機(jī)可以提高乘客的舒適度。對(duì)于軍用戰(zhàn)斗機(jī)，可以提高武器發(fā)射的精確度。另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是可靠性，由于取消了襟翼的設(shè)計(jì)，減少了大量的活動(dòng)部件，從而大大減小了發(fā)生故障的幾率。

柔性和可變性飛行器已經(jīng)成為 21 世紀(jì)航空領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。不過(guò)其發(fā)展仍在起步階段，距離實(shí)際應(yīng)用仍面臨很多挑戰(zhàn)。比如如何的提高材料的剛度，防止結(jié)冰，高效的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等等，需要科學(xué)家和工程師們的持續(xù)努力。（摘自美《深科技》）（編輯/華生）