更輕、更順、更智能——柔性機翼助力高效飛行
當前的飛機機翼材料大多選用鋁合金、碳纖維等等輕質(zhì)金屬材料。這種剛性結(jié)構(gòu)的飛機機翼，只有襟翼、縫翼等少量部位可以在有限范圍內(nèi)移動，對于不同飛行狀態(tài)的適應(yīng)性較弱。為突破剛性機翼的性能限制，自20世紀80年代開始，航空業(yè)就開始了對于柔性機翼的探索，從“結(jié)構(gòu)簡易變化”到“形狀簡易調(diào)整”，發(fā)展到再到目前的“形狀主動調(diào)整”，柔性機翼的設(shè)計、開發(fā)、實驗從未停止。盡管柔性機翼距離大規(guī)模應(yīng)用還有很長的路要走，革命性的機翼創(chuàng)新技術(shù)也尚未出現(xiàn)，但世界各國在這一領(lǐng)域的開發(fā)，仍給航空業(yè)帶來許多令人欣喜的變化。
1.空客公司的“羽毛式柔性機翼”
2019年7月，在英國舉行的皇家國際航空塔托航空展上(Royal International Air Tatto AirShow)，空客公司公布了一款概念性客機設(shè)計方案。這款名為“猛禽”的混合動力渦輪螺旋槳飛機，大量采用了仿生學(xué)技術(shù)，外表酷炫、霸氣十足：機身是青銅色的，像一條魚。機翼與機身連接的部位，被設(shè)計得光滑而平整，這是對鷹的翅膀結(jié)構(gòu)的的巧妙模仿，也使飛機完美地利用空氣動力學(xué)原理實現(xiàn)高效飛行。它的“魚鰭”——飛機機翼的尖端部分有多個羽毛狀的翼片?！棒~尾”——飛機尾翼的設(shè)計也與鳥的尾巴有幾分神似。飛機上慣有的垂直尾翼也被省略掉了，這有助于減少飛行的阻力。
▲ 空客公司的“猛禽”飛機模型
“猛禽”飛機機翼和尾翼上的每一根“羽毛”，都可以進行精細的單獨控制，變換角度、改變形狀。不同的“羽毛”，又可以互相配合、協(xié)同運行，在飛機平飛、轉(zhuǎn)向、減速時，這些“羽毛”隨之擺動，幫助飛機的完成各種飛行動作。
“猛禽”飛機在機翼位伴置安裝了4臺螺旋槳發(fā)動機，為飛機提供了充足的前進動力。這架飛機可容納多達80名乘客，航程為1500公里。受益于獨特的仿生學(xué)設(shè)計，這款飛機的燃油效率提升了30-50%，被譽為世界航空史上的重大飛躍。
空客高級經(jīng)理馬丁阿斯頓(Martin Aston)表示，“猛禽”飛機的設(shè)計，使航空設(shè)計人員堅定了一種想法：充分挖掘仿生學(xué)的潛力并將它廣泛地應(yīng)用于把航空產(chǎn)品設(shè)計之中，把飛行變成一個讓人激情澎湃的事業(yè)。
“羽毛式柔性機翼”設(shè)計得到了英國皇家航空學(xué)會、英國工程學(xué)會等眾多單位的支持。
2.DLR TUM TU Delft的“顫振翼”
一般而言，燃油費占到飛行總成本的1/4以上，降低油耗是降低飛行成本的重要途徑。在飛機上安裝更輕、更薄、阻力更小的機翼有助于降低航空油耗。
德國航空航天中心(DLR)、慕尼黑工業(yè)大學(xué)(TUM)和代爾夫特理工大學(xué)(TU Delft)等單位共同研制了一種顫振翼，這種機翼使用的主要材料是彈性優(yōu)化碳纖維。研究人員對碳纖維材料按特殊的方式進行排列，以實現(xiàn)最優(yōu)化的彎曲和變形方式。DLR氣動彈性研究所的沃爾夫-賴納-克魯格（Wolf-Reiner Krüger）說：“這種機翼如果遇到風(fēng)阻，會發(fā)生扭曲、變形，從而避免風(fēng)壓、降低油耗?！?/p>
為了驗證顫振翼的實際性能，研究人員開發(fā)了一個演示機。該飛機長3.5米，擁有長達7米的大翼展，安裝了完善的傳感器系統(tǒng)，以使演示機能夠按設(shè)計路線飛行（飛行實驗必須在大約一公里的狹窄半徑內(nèi)進行）。實驗前，DLR專家制定了飛行手冊和檢查清單。2019年11月，演示機進行了第一次飛機實驗，實驗結(jié)果與研究人員的預(yù)判基本一致。項目團隊成員庫博拉（Kberle）說：“我們會按計劃進行下一步工作—對這些實驗數(shù)據(jù)進行評估、改進。”
顫振翼項目是歐洲FLEXOP項目 (致力于經(jīng)濟性提升的顫振式自由飛行項目包，全稱是Flutter Free Flight Envelope Expansion for Economical Performance Improvement) 的一部分。FLEXOP項目旨在提升歐洲多學(xué)科飛機設(shè)計能力，提高航空市場競爭力，特別關(guān)注飛機綜合開發(fā)和運營成本等內(nèi)容。
FLEXOP項目的合作伙伴來自歐洲各國實力強大的航空航天產(chǎn)業(yè)機構(gòu)：空客集團、德國航空航天中心、慕尼黑技術(shù)大學(xué)、匈牙利科學(xué)院、飛機零部件制造商FACC、綜合航空航天科學(xué)公司(INASCO)、Delft技術(shù)大學(xué)、布里斯托爾大學(xué)等。
3.NASA和MIT的“點陣晶格變形機翼”
2019年3月的《智能材料與結(jié)構(gòu)》雜志刊發(fā)了一篇文章，專門介紹了一種新式“點陣晶格變形機翼”的開發(fā)和實驗情況。文章作者一共11人，三位主要作者分別是來自美國宇航局艾姆斯研究所的工程師尼古拉斯·克萊默、肯尼斯·張和來自麻省理工學(xué)院比特與原子研究中心的本杰明·杰內(nèi)特。
點陣晶格變形機翼呈網(wǎng)格狀，由多達幾百個的形狀相同的點陣晶格聯(lián)接而成，形成一個開放的、輕量化的點陣晶格框架結(jié)構(gòu)。機翼表層覆蓋的超薄聚合物材料，承擔(dān)著機翼骨架的作用。機翼的組成主體——小晶格是一種空心立方體，立方體的各條邊棱是由聚乙烯樹脂材料制作的火柴大小的小細條。這種微小晶格的密度極低，每立方米重量僅為5.6公斤，與橡膠1500公斤/立方米，的密度相比，減重效果極為明顯。剛?cè)岵牟牧咸匦院土慵Y(jié)構(gòu)的合理空隙，使這種機翼“柔韌如橡膠、輕盈如氣凝膠”。
▲點陣晶格變形機翼設(shè)計模型
這種機翼的變形能力極強，設(shè)計人員稱“它幾乎可以變成所需要的任何形狀”。在飛機起飛、平飛、轉(zhuǎn)向、著陸的各個階段，機翼能夠根據(jù)飛行要求及時、便捷地調(diào)整形態(tài)，實現(xiàn)現(xiàn)高的飛行效率。尼古拉斯克萊默說：“在不同的飛行狀態(tài)下，我們會調(diào)整機翼的形態(tài)，使之與飛機載荷實現(xiàn)最佳匹配”。
研究人員稱，這種機翼在NASA位于弗吉尼亞州的蘭利研究中心進行了風(fēng)洞實驗，結(jié)果比預(yù)想令人滿意。風(fēng)洞實驗所使用的機翼約有16英尺高（約4.88米），單座飛機的機翼大小相似。是由麻省理工學(xué)院的研究生手工組裝的。
▲由麻省理工學(xué)院學(xué)生制作的機翼
研究人員正在著手將機翼制造實現(xiàn)機械化生產(chǎn)。他們設(shè)計了聚乙烯樹脂注射成型的三維模具，在17秒內(nèi)就可以生產(chǎn)出點陣晶格，生產(chǎn)效率非常高。目前，機翼生產(chǎn)線已經(jīng)完成測試。
這種機翼設(shè)計簡潔，生產(chǎn)效率高，可以降低飛行成本。更具有意義的是，這種點陣晶格工藝，還可以用來制造其他大型結(jié)構(gòu)部件，如風(fēng)力渦輪機葉片，甚至可以用來建造橋梁。
除NASA和MIT外，這個項目的小組成員還來自以下世界知名學(xué)府：康奈爾大學(xué)、加州大學(xué)任克利分校、加州大學(xué)圣克魯斯分校、立陶宛考納斯技術(shù)大學(xué)等。
4.TUM和DLR的“柔性機翼蒙皮”
飛機在飛機行程中往往伴隨巨大的噪音，這種噪音會帶來一定的乘座不適感。這些噪音一部分產(chǎn)生于飛機機翼。當飛機上的高升力裝置和控制表面與機翼相遇時，這些翼型和周圍的空氣就會突然過渡到機翼的固定部分，從而產(chǎn)生噪音。機翼和移動表面之間的彈性表面能降低這一區(qū)域的噪音嗎？德國航空航天中心和慕尼黑大學(xué)正在共同開展一個名為“FlexMat”的項目，該項目于2020年6月取得階段性進展。
▲由合成橡膠和玻璃纖維增強復(fù)合材料制成的機翼蒙皮
在這項研究中，工程師們開發(fā)了一種新型機翼，在機翼的固定翼和移動部件之間加裝了一層柔性蒙皮，這種柔性蒙皮由橡膠和玻璃纖維增強復(fù)合材制成，具有很強的柔韌性，被研究人員稱為“人造皮膚”。
這種柔性蒙皮長約1米，以橡膠材料為主體，將固定翼和機翼的移動部分聯(lián)接起來。另外，將強度較高的玻璃纖維條插入到橡膠內(nèi)，玻璃纖維條之間保留一定的空間。這種蒙皮巧妙地將橡膠的柔韌性和玻璃纖維的剛性結(jié)合在一起，既滿了機翼零部件對于移動的要求，又使機翼保持了總體形狀的總體特征，降噪效果非常明顯。不僅如此，新型蒙皮的設(shè)計，在一定程度上降低了空氣阻力，使飛機的飛行效率進一步提高，能耗指標有所降低。
DLR復(fù)合結(jié)構(gòu)和自適應(yīng)系統(tǒng)研究所的工作人員馬丁·拉德斯托克（Martin Radestock） 表示，目前，柔性蒙皮已經(jīng)通過演示機的實驗測試。實驗結(jié)果表明，蒙皮的耐磨性能優(yōu)異，可以在很大程度上實現(xiàn)飛機機翼的有效變形?，F(xiàn)在需要注意的問題是，一旦發(fā)生極端變形的情況，如何確保蒙皮表面涂層不會開裂。
DLR的實驗仍在繼續(xù)，下一步實驗需要測試的內(nèi)容是，確定使用柔性蒙皮以后，降噪、降阻的確切情況，以及蒙皮的所能承受的最大負載值。
結(jié)束語
不管是對于機翼蒙皮的改進，還是對機翼本身結(jié)構(gòu)的改良乃至重塑，都可能對未來的飛行產(chǎn)生或大或小的影響。隨著這些技術(shù)的不斷成熟以及在航空工業(yè)領(lǐng)域的實際應(yīng)用，我們有理由相信，這些更輕、更順、更智能的飛機機翼，會讓我們的飛行變得更綠色、更高效、更安靜。
