热点 2020-04-29 10:04

变形机翼技术发展追踪

远航 摘自 本站

提要:变形机翼技术广义上可追溯到20世纪初,狭义上兴起于20世纪80年代,经历了从“结构简易变化”到“形状简易调整”再到“智能变形”的技术变革。以美欧为主,在军民用领域均开展了广泛研究,并均具有广阔的应用前景和发展空间。目前该技术重新获得了发展,但仍处于验证的前期阶段,尚未有真正意义上的变形系统出现。

 

       2020年4月7日,cleansky网站发布消息称,由莱昂纳多公司牵头开展的“洁净天空”“支线飞机变形机翼”项目已进入与翼尖、机翼前缘和后缘相关的变形概念的高级设计阶段。气动性能已根据要求进行了评估和初步评估。变形元件、结构和最终机械设计已经完成,驱动和控制系统的结构设计也基本完成,即将启动实验技术全尺寸机翼模型制造阶段,随后进入地面测试,以检查与制造、结构组件、变形装置功能、内部安装、可接近性和维护相关的所有方面。这些结构地面测试正在进行中。

“洁净天空”“支线飞机变形机翼”风洞试验项目计划在两年内展开,将分三个阶段进行。(详见本站)

 

      过去几十年间,美国已经开展了若干变形机翼演示验证项目。1985-1988年,美国空军和NASA联合开展了F-111任务自适应机翼(MAW)演示验证。MAW将可变掠角和无缝变弯度技术进行结合以维持不同速度下的气动效率。1994-2001年,美国DARPA开展的“智能机翼”(Smart Wing)项目对一个无尾飞翼布局无人作战飞机的柔性后缘控制面进行了风洞测试。2003-2007年,DARPA的“变形飞机结构”(MAS)项目对可改变飞机机翼掠角、弦长和面积的无人机方案进行了验证试飞。一直以来,欧洲也发展了大量的变形机翼项目。从目前的情况看,美欧从未停止对变形机翼技术的研究。虽然该技术的可行性早已得到验证,应用前景异常广阔,但是要真正走向现实还有很长的路要走。

  • 变形机翼或变形飞机技术特性:被认为具有良好经济性,可节油、减重、减阻、降噪,提升效率,降低飞机制造和运营成本,可执行多任务,可提升飞行性能,提升隐身能力。在军、民领域都具有广阔的应用前景。
  • 关键技术包括:外形的优化设计,结构创新,激励器,空气动力学,控制技术,新引擎技术,系统集成技术等。
  •  技术研究与开发的相关机构:美国NASA(格林研究中心、兰利研究中心、德莱顿飞行研究中心)、美国空军研究实验室(以及陆军、海军实验机构)、美国DARPA、麻省理工学院、马里兰大学、弗罗里达大学等;波音公司、罗克韦尔公司、洛马公司、新一代航空技术公司、雷神公司等,欧洲包括空客、阿莱尼亚·马基、庞巴迪、巴西航空工业等在内有数十家公司参与了相关项目。

概念及技术演变

       变形机翼技术广义上可追溯到20世纪初,狭义上兴起于20世纪80年代,经历了从“结构简易变化”到“形状简易调整”再到“智能变形”的技术变革。在军民用领域均开展了广泛研究,并均具有广阔的应用前景和发展空间。目前该技术重新获得了发展,但仍处于验证的前期阶段,尚未有真正意义上的变形系统出现。包括以下几个发展阶段。

  • 广义技术发展阶段(概念起源与应用阶段):20世纪初-80年代,典型代表包括:1903年,莱特兄弟的“机翼扭转来控制飞机”尝试;1916年的一项专利“可改变几何形状的机翼”。目前广泛应用的前缘缝翼、后缘襟翼、刹车阻力板、起落架收放等和一些变后掠翼飞机(如米格-23、FB-111等),都可以视为广义概念的早期变形体技术。
  • 狭义技术起步阶段(新技术提出与演变阶段,实质性技术起步阶段):20世纪80年代-2010年代,以美国NASA兰利研究中心和德莱顿飞行研究中心的“飞机变形计划”(Aircraft Morphing Program,AMP)为代表,在军、民领域开始广泛的实质性“变形”技术开发、试验、验证等,包括后来NASA与波音联合发展的柔性复合材料“自适应机翼”,以及与罗克韦尔合作开展的“主动柔性机翼”(AFW)研究。

       该阶段又可分为“简易形状调整”和“智能形变”两个不同的技术阶段,后者以前者为基础,通过将新型智能材料作动器激励器、传感器无缝地综合应用于飞行器,而形成最新的变形技术概念“智能机翼”,这包括由NASA、美国空军研究实验室(AFRL)、波音等在1996年联合开展的“主动气动弹性机翼计划”(AAW),以及在此基础上由DARPA联合AFRL、NASA开展的“智能机翼计划”(SWP)等。

       之后最具代表性的是美国DARPA的“变形飞机结构”(MAS)技术,被认为是真正意义上的变形体飞机研究。该技术项目于2003年启动,基于以上各项目成果开展,由三家主承包商承担,提出三种不同的概念,包括洛马公司的“折叠机翼”概念,采用专门研制的一架小型无人机作为验证平台;新一代航空技术公司的“滑动蒙皮”机翼概念,计划采用海军的“火蜂”无人机作为验证平台;以及雷神公司的“压缩机翼”概念,计划采用美军的“战斧”巡航导弹作为验证平台。2004年5月,MAS项目进入历时18个月的第二阶段,任务是设计和制造原型变形机翼,于2005年中在美国航空航天局兰利研究中心的跨声速风洞进行了试验。第二阶段的合同总计1900万美元,洛马公司和新一代航空技术公司各占一半,雷声公司未能获得第二阶段合同项目。

  • 新技术发展低迷期:2000年代中期-2010年代中期,该阶段的技术投资和项目发展均不景气,而摆在人们面前更多的却是关于优化、集成、取证、可靠性、维护性等其他的需要解决的负面问题。2008年,围绕变形体技术,NASA积极致力于紧凑型固体作动器和具有结构重构能力的高温形状记忆合金(SMAs)研究。NASA格林研究中心、兰利研究中心与波音、德克萨斯州的A&M等联合成立了一个新机构,加速发展和认证基于高温形状记忆合金的重构航空结构。空军技术研究所通过一个平面柔性变形体机翼研究了作动器的分布和最优方位。在NASA 12.2m×24.4m风洞,波音、空军、NASA、陆军、麻省理工和马里兰大学等首次在全尺寸旋翼上验证了智能材料控制的调整片。NASA德莱顿飞行中心演示验证了飞行中感应机翼形状和实时确定结构应力的能力。弗罗里达大学演示验证了离子聚合合金用于飞行中作动的可行性。宾夕法尼亚州用细胞结构的概念和辅助连接自适应机构研发高应变材料。
  • 新一轮技术发展与商业化尝试阶段:2010年代中期--。近年来,变形飞机技术再次获得发展,以美、欧为主,可能有以下三点原因:一是它能够给予无人机设计师更大的设计自由度以消除取证要求的限制;二是商用飞机增加效率、减少排放的驱动;三是柔性结构技术的进步推动了简便、稳健的变形装置的发展。

美国近期发展情况

  • NASA、AFRL与密歇根州富莱克斯公司(FlexSys Inc.)团队,环境自适应后缘(ACTE)技术:2015年4月28日,NASA宣布该团队圆满完成了新变形机翼技术的初始飞行测试,该技术将有潜力使得飞机年度燃油成本节省达数百万美元,并可以减轻机身重量、降低飞机起降过程中的噪音。测试利用6个月时间对带有环境自适应后缘(ACTE)的飞行控制面完成了22次研究性试飞。带有ACTE的飞行控制面对现有飞机上使用的传统襟翼进行了重大改进,并且ACTE技术可以用于改造现有的飞机机翼或集成到全新的机体,使工程师能够减少机翼结构重量和空气动力学来调整机翼,以促进改善燃油经济性和更高效的运营,同时减少对环境和噪音影响。

  • 航空伙伴公司(Aviation Partners)+柔性系统公司(FlexSys)自适应无缝柔性后缘襟翼,推动技术商业化:据2015年11月23日消息,两家公司计划成立一家合资企业,共同推进变形机翼技术的商业化。柔性系统公司开发的自适应无缝柔性后缘襟翼已经在NASA阿姆斯特朗飞行研究中心的“湾流”III (GIII)测试机上进行了飞行测试,显示出了良好的节油、减重和降噪潜力。该系统长5.79米,替代了GIII测试机原有的机械分离式后缘襟翼。该柔性系统可使襟翼变形范围达到-9到+40度,变形速率达30度/秒。在NASA的飞行测试中,已经实现了在630公里时速下−2到+30度的变形(飞行中固定偏转角度),并通过了12192米高空、马赫数0.75条件下的测试。两公司团队将目光投向了美国空军的KC-135加油机,计划对KC-135的后缘襟翼进行柔性化改造。柔性系统公司创始人、总裁斯瑞达·柯塔表示,KC-135内外翼后缘襟翼30-40%弦长部分将会被柔性结构取代,这些结构将能够根据不同的飞行速度、高度、飞机重量进行自适应的偏转和扭转以最小化巡航配平阻力、燃油消耗,并减轻载荷以减小机翼应力、延长疲劳寿命。
    在2016年度公务航空会展(NBAA-BACE,11月1-3日)上,两公司展示了其合作研制的一段变形机翼样件,该样件机翼可提供集成的滚转控制、增升、巡航特性优化、载荷减轻甚至除冰功能。据称,两家公司正在同一个未透露名称的客户开展合作进行第一个变形机翼技术的商业化应用。

  • 波音公司+美空军,自适应柔性后缘襟翼:美国空军研究试验室(AFRL)2015年10月底授予波音公司一份两年期的合同,要求后者在KC-135加油机上进行自适应柔性后缘襟翼的飞行测试,评估该技术在节油和载荷减轻方面的潜力
  • 美国麻省理工学院研究团队,由像鳞片或羽毛一样的细小的、轻量化的结构片搭接而成的全新的变形机翼概念:2016年设计了一种全新的变形机翼概念,与此前的变形机翼设计不同,这种新的变形机翼由许多像鳞片或羽毛一样的细小的、轻量化的结构片搭接而成。这种结构片被称为“数字化材料”,采用碳纤维增强聚合物之类高比模量材料制成,可以像乐高积木一样组合成各种形状,结构片间也可像鳞片或羽毛一样相互运动,通过小型驱动电机在翼尖施加一个扭转力矩即可使机翼沿翼展方向产生一致的变形。通过仔细选择结构片尺寸、材料以及组装方式,可以精确地控制最终机翼的形状和弹性。风洞试验数据表明,这种新型机翼在气动性能上与常规机翼相当,但重量仅为后者的1/10,且能够快速拆装,维修方便。

  • NASA艾姆斯研究中心和麻省理工学院的工程师团队,一种由数百个相同的微小聚合物点阵晶格组成的飞机机翼:据2019年4月9日消息,来自NASA艾姆斯研究中心和麻省理工学院的工程师团队已经开发并测试了一种由数百个相同的微小聚合物点阵晶格组成的飞机机翼,可以通过改变形状来控制飞机的飞行。在这种新设计的机翼中,新装配的系统通过在结构中结合刚性和柔性部件,可使整个机翼或部分机翼变形。大量微小的组件通过螺栓连接在一起,形成一个开放的、轻质的点阵晶格框架结构,随后在该结构上覆盖一层由与框架结构类似的聚合物材料组成的薄层。新设计的机翼比传统使用金属或复合材料制造的机翼都更轻,因此更加节能环保。因为该机翼由成千上万个火柴棍状支柱搭建的微小三角形组合,形成一个立体网状结构,所以其实际上形成了一种机械“超材料”,结合了橡胶类聚合物的结构刚度以及气凝胶的极度轻盈和低密度等特点。

欧洲近期发展情况

  • 欧洲“变革”(CHANGE)项目:该项目已经在无人机上测试了变形机翼前后缘,并且能够改变翼展。该项目的研究目标是获得一种可以在起降高升力阶段增加弯度、高速飞行状态减小翼展、空中待命阶段增加翼展并减小弯度的技术。

  • 欧盟“智能飞机结构”(Saritsu)项目:2015年8月底,欧盟完成了该项目的验证工作。该项目是欧盟第七框架航空学和航空运输研究计划下一个的技术研究项目,历时4年、投资5100万欧元(5660万美元)。共有64家公司参与了该项目研究,空客、阿莱尼亚·马基和庞巴迪是该项目的领导者。该项目包含三项主要内容,分别是集成传感器、变形结构和多功能材料。传感器技术包括监测外形、探测损伤以及影响敏感涂层的光纤和超声技术。Saritsu项目中的机翼采用了自适应前缘下垂、变形后缘襟翼、主动翼梢后缘。材料技术采用了碳纳米管增强复合材料,提高了损伤容限和电导率,并减轻了重量。Saritsu项目中主动翼梢后缘结构的作动器就安装在翼梢结构内。

  • 巴西航空工业公司领导的Novemor项目:该项目为一个未来喷气支线客机的概念方案设计了变弯度机翼。该机翼具有无缝、无铰接结构的前后缘。研究人员认为该技术可以用于对现役飞机的传统机翼进行改装以减小噪声和阻力。
  • 欧盟“智能变形与传感技术(SMS)”项目与“电活性(electroactive)”机翼翼段:据2018年1月8日消息,图卢兹的1个研究团队成功进行了缩比机翼翼段变形的风洞试验,试验结果使空客公司看到了该技术的发展前景,空客决定继续推进该技术研究,计划2020年进行全尺寸变形机翼飞行验证。2017年,欧盟委员会在地平线2020计划下资助了一项为期3年的“智能变形与传感技术(SMS)”项目。欧盟委员会的支持促成了一个几乎全尺寸的“电活性(electroactive)”机翼翼段的建设,用于在低速风洞中进行评估。该“电活性”机翼结合了形状记忆合金和压电作动器,能够光滑地改变弯度和抑制湍流,未来将在A340飞行试验平台上评估全尺寸的变形翼段。

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