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如何讓飛機擁有像鳥兒一樣的“翅膀”?

时间:2018-08-31     【转载】   来自:中國航空新聞網   阅读

核心提示: 看著鳥兒展翅高飛,你是不是也希望搭乘的飛機也能擁有一雙真正的“翅膀”?


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看著鳥兒展翅高飛,你是不是也希望搭乘的飛機也能擁有一雙真正的“翅膀”?

日前,美國航空航天局成功開展了“翼展自適應機翼”項目試驗。這種飛機的機翼尖端能在飛行中上下彎曲,借此改變空氣動力學特性。

無獨有偶,歐洲研究人員也在此前成功進行了變形機翼的風洞試驗,預計將于2020年開展飛行驗證。

看來,我們離像鳥類一樣飛行的夢想越來越近,飛機擁有一雙“會魔法”的變形翅膀,未來或將成為現實。

從古至今,人類文明中都有關于飛行的神話。迷戀飛行的科學家們,從19世紀起就開始使用數學方法精確計算“翅膀”的最佳尺寸與形狀。一個多世紀前,人們想出了使用帶襟翼的剛性機翼來產生足夠升力的方法,終于把笨重的飛機送上了藍天。不過,剛性機翼在空氣動力方面的效率并不高。人們雖然先后研究出“魚鷹”傾轉旋翼機的“調整機翼形狀”“主動氣動彈性機翼”等可變形的機翼,但離真正的“翅膀”依舊相去甚遠。

變形機翼是將一系列新材料、傳感器綜合應用于飛行器的創新設計,主要通過靈敏的傳感裝置,在飛行過程中根據不斷變化的飛行條件,靈活持續地改變機翼形狀。換句話說,擁有了變形機翼,飛機就能像鳥兒一樣在空中盤旋、倒飛和側向滑行,使得飛機的機動性能得到質的提升。

早在20世紀80年代,美國就開始致力于像鳥類翅膀一樣靈活擺動的可變形飛機機翼研究。美國空軍曾在F-111型戰斗轟炸機上測試“任務自適應機翼”。這種機翼融合了可變掠角和無縫變彎度技術,可根據飛行情況自動改變機翼的幾何參數,進而使飛行阻力減少20%以上。由于技術尚不成熟,這種機翼反而增加了飛機的重量和功率需求。從1994年開始,美國國防部高級研究計劃局利用無人機開展“智能機翼”研究。此后,美國又開展了“變形飛機結構”項目,對可改變飛機機翼掠角、弦長和面積的無人機進行了驗證試飛。1996年至2005年,美國空軍與美國航空航天局合作研發了一種利用氣流扭轉自身的“主動氣動彈性機翼”,能在高速飛行中更好地實現滾動控制。

其實,傳統剛性機翼也擁有各種可移動的控制翼面,飛機飛行中正是通過改變機翼形狀實現“換擋”。能自由調整弧度的變形機翼相當于為飛機掛上了“自動擋”,能最大限度地減少飛行阻力。

上述這些“奇思妙想”之所以阻力重重,主要是變形機翼的研制難度極高。這種“變換自如”的機翼,對結構設計和材料運用提出了更高要求。此前,人們曾嘗試在機翼內使用機械裝置使其變形,但復雜的結構不僅增加了重量,更降低了飛行的可靠性和安全系數。近年來,先后出現了利用鋁合金、復合材料和智能蒙皮制作的變形機翼。歐盟資助的“智能變形與傳感技術”項目也正在開展“電活性機翼”研究,旨在通過形狀記憶合金和壓電控制器實現會變形的“翅膀”。

從2014年開始,美國航空航天局和美國空軍研究實驗室聯合開展“主動柔性后緣襟翼”項目研究。這種變形機翼由柔性內部結構和無縫彈性蒙皮構成,預計將很快在KC-135加油機和商用飛機上進行飛行測試。2016年,美國航空航天局與多家高校開始合作研發增強碳纖維塑料組成的可變形機翼。這種可變形機翼由可運動的輕質結構片組成,通過對每個部件的“數字化”控制實現整體的形變。美國航空航天局另一個“展向自適應機翼”項目,旨在通過新型輕質形狀記憶合金實現機翼折疊,目前已成功實現了飛行過程中機翼0-70度之間的上下折疊,下一步將移植到F/A-18戰機上進行全尺寸測試。

變形機翼技術一旦研制成功,將實現飛行過程中升力與阻力靈活運用的“智慧升級”。一方面,變形機翼通過改變機翼形狀提升飛機性能,能進一步提升燃油利用效率,顯著降低飛行成本。另一方面,飛行員還可通過變形機翼靈活應對飛行過程中遇到的任何特殊情況,從而進一步提升飛機的安全性和技戰術性能。



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