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如何让飞机拥有像鸟儿一样的“翅膀”?

核心提示: 看着鸟儿展翅高飞,你是不是也希望搭乘的飞机也能拥有一双真正的“翅膀”?

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看着鸟儿展翅高飞,你是不是也希望搭乘的飞机也能拥有一双真正的“翅膀”?

日前,美国航空航天局成功开展了“翼展自适应机翼”项目试验。这种飞机的机翼尖端能在飞行中上下弯曲,借此改变空气动力学特性。

无独有偶,欧洲研究人员也在此前成功进行了变形机翼的风洞试验,预计将于2020年开展飞行验证。

看来,我们离像鸟类一样飞行的梦想越来越近,飞机拥有一双“会魔法”的变形翅膀,未来或将成为现实。

从古至今,人类文明中都有关于飞行的神话。迷恋飞行的科学家们,从19世纪起就开始使用数学方法精确计算“翅膀”的最佳尺寸与形状。一个多世纪前,人们想出了使用带襟翼的刚性机翼来产生足够升力的方法,终于把笨重的飞机送上了蓝天。不过,刚性机翼在空气动力方面的效率并不高。人们虽然先后研究出“鱼鹰”倾转旋翼机的“调整机翼形状”“主动气动弹性机翼”等可变形的机翼,但离真正的“翅膀”依旧相去甚远。

变形机翼是将一系列新材料、传感器综合应用于飞行器的创新设计,主要通过灵敏的传感装置,在飞行过程中根据不断变化的飞行条件,灵活持续地改变机翼形状。换句话说,拥有了变形机翼,飞机就能像鸟儿一样在空中盘旋、倒飞和侧向滑行,使得飞机的机动性能得到质的提升。

早在20世纪80年代,美国就开始致力于像鸟类翅膀一样灵活摆动的可变形飞机机翼研究。美国空军曾在F-111型战斗轰炸机上测试“任务自适应机翼”。这种机翼融合了可变掠角和无缝变弯度技术,可根据飞行情况自动改变机翼的几何参数,进而使飞行阻力减少20%以上。由于技术尚不成熟,这种机翼反而增加了飞机的重量和功率需求。从1994年开始,美国国防部高级研究计划局利用无人机开展“智能机翼”研究。此后,美国又开展了“变形飞机结构”项目,对可改变飞机机翼掠角、弦长和面积的无人机进行了验证试飞。1996年至2005年,美国空军与美国航空航天局合作研发了一种利用气流扭转自身的“主动气动弹性机翼”,能在高速飞行中更好地实现滚动控制。

其实,传统刚性机翼也拥有各种可移动的控制翼面,飞机飞行中正是通过改变机翼形状实现“换挡”。能自由调整弧度的变形机翼相当于为飞机挂上了“自动挡”,能最大限度地减少飞行阻力。

上述这些“奇思妙想”之所以阻力重重,主要是变形机翼的研制难度极高。这种“变换自如”的机翼,对结构设计和材料运用提出了更高要求。此前,人们曾尝试在机翼内使用机械装置使其变形,但复杂的结构不仅增加了重量,更降低了飞行的可靠性和安全系数。近年来,先后出现了利用铝合金、复合材料和智能蒙皮制作的变形机翼。欧盟资助的“智能变形与传感技术”项目也正在开展“电活性机翼”研究,旨在通过形状记忆合金和压电控制器实现会变形的“翅膀”。

从2014年开始,美国航空航天局和美国空军研究实验室联合开展“主动柔性后缘襟翼”项目研究。这种变形机翼由柔性内部结构和无缝弹性蒙皮构成,预计将很快在KC-135加油机和商用飞机上进行飞行测试。2016年,美国航空航天局与多家高校开始合作研发增强碳纤维塑料组成的可变形机翼。这种可变形机翼由可运动的轻质结构片组成,通过对每个部件的“数字化”控制实现整体的形变。美国航空航天局另一个“展向自适应机翼”项目,旨在通过新型轻质形状记忆合金实现机翼折叠,目前已成功实现了飞行过程中机翼0-70度之间的上下折叠,下一步将移植到F/A-18战机上进行全尺寸测试。

变形机翼技术一旦研制成功,将实现飞行过程中升力与阻力灵活运用的“智慧升级”。一方面,变形机翼通过改变机翼形状提升飞机性能,能进一步提升燃油利用效率,显著降低飞行成本。另一方面,飞行员还可通过变形机翼灵活应对飞行过程中遇到的任何特殊情况,从而进一步提升飞机的安全性和技战术性能。

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责任编辑:实习编辑 臧航