智能变形飞行器的进展及关键研究
灌输牛鼻子:智力？可变形飞行器高效灵活。
智能变形飞行器的研究进展如何？其关键技术近期有哪些突破？
镶嵌牛文字:
北大西洋公约组织对智能变体飞行器的定义是:通过局部或整体改变飞行器的外形，使飞行器能够实时适应各种任务需求，在各种飞行环境中保持最佳的效率和性能。可见，智能变体飞行器是一种具有飞行适应能力的新概念飞行器，其研究涉及非定常空气动力学、时变结构力学、气动伺服弹性、智能材料与结构力学、非线性系统动力学、智能传感与控制科学等前沿和热点。，代表了未来先进飞机的一个发展方向。智能变形飞行器具有巨大的应用前景。以美国国家航空航天局设想的未来智能变体飞机为例，通过新型智能材料、致动器、传感器和控制系统的综合应用，飞机可以随着外界环境的变化不断改变形状，不仅在整个飞行过程中保持最佳性能，而且提高了舒适性，降低了成本。
正是由于其巨大的优势和应用潜力，国内外涌现出多种智能变形设计理念和尝试，如自适应机翼、主动柔性机翼、主动气动弹性机翼、智能机翼、智能旋翼、变体飞行器等。本文根据机翼表面变形方式对智能变形飞机的最新进展进行了分类总结，详细介绍了变翼展、变弦长、变厚度、变后掠角、变弯度等机翼智能变形的各种实现类型，并提炼了实现智能变形机翼的几项关键技术。通过本文的介绍，我们可以对智能变体飞行器的设计思路和关键技术有更丰富的了解和认识。
变形机翼的分类及进展
合理改变机翼平面形状可以改善飞机的气动性能。下表列出了机翼参数对气动性能的影响。可以看出，通过合理改变机翼外形参数，可以改善飞机的气动特性和机动性，产生增升、减阻、增程和飞行时间的效益，使飞机能够高效地完成多种飞行任务。由于机翼形状参数的各种影响，机翼变形的设计方法也是多种多样的。本文分别介绍了变展长、变弦长、变厚度、变后掠角、变弯度等变形形式。
1.可变展开长度
拉伸拉伸是翅膀变形最简单最直接的方式。翼展的变化有以下优点:增加变体飞机的翼展相当于增加其机翼面积和展弦比，可以导致升阻比增加，航程和续航能力增加；停放时机翼收缩，可显著减少飞机占用面积；当两侧翼展不同时，左右升力不对称产生的滚转力矩可以方便飞机的侧向控制。
早在1929年，美国设计师Vinent就首次提出了变翼展机翼的设计思想，并成功制造了GX-3验证机进行飞行试验。1931年，俄罗斯科学家Makhonine设计制造了MAK-10飞机，其展长可从13米增加到21米，变化超过60%。MAK-123飞机出现在1947，FS-29飞机出现在1972，这两种飞机都属于变延伸飞机，但早期的变形机构过于笨重庞大，无法普及。
“伸缩翼”是近年来出现的一种新型可变翼展设计理念。在国防研究计划局2003年实施的可变形飞机结构项目(MAS)中，伸缩机翼是三种主要变形方案之一(其余为折叠机翼和滑动蒙皮机翼，后面会详细介绍)。该设计以战斧巡航导弹为对象，巡航飞行时机翼展开以获得最大升力，高速俯冲时翼面收缩以提高机动性。但由于翼载较重，机翼较薄，无法安装伸缩机构，该方案无法推广。西北工业大学的汪江华等人优化了伸缩翼巡航导弹的气动外形。研究表明，伸缩翼设计可使导弹的燃油消耗降低65，438+02%，明显改善导弹性能。2007年，马里兰大学的朱莉等人以充气伸缩梁为驱动机构，通过机翼伸缩来改变升力和控制滚转，并进行了风洞试验。经过测试，最大可以改变230%的展弦比，升阻比可以高达16。但软皮引起的寄生阻力在一定程度上影响了气动性能。
总的来说，变翼展机翼还需要解决伸缩机构的结构减重设计、高速飞行的机翼减薄设计、弹性蒙皮的连续密封设计等一系列问题，离工程应用还很远。
2.可变弦长
与变长翼的操纵效果类似，变长翼也是通过机翼变形来合理改变展弦比和机翼面积，从而优化飞机的升阻比、飞行速度和机动性。
变弦长概念最典型的应用是传统飞机的襟副翼设计。通过螺旋机构驱动襟副翼发生弦向变形，可以显著提高飞机的起降性能和滚转机动性。至于翼型本身，由于梁架、油箱等设备的干涉，或者翼型较小，空间不足，变弦长设计难度很大，国内外相关研究相对较少。早在1937年，俄罗斯科学家巴卡沙耶夫就设计制造了第一架变弦长飞机RK-1。飞机弦长由六弦可伸缩重叠机身改变，原机机翼面积变化44%，改进后的飞机变化高达135%，验证了通过伸缩机构改变弦长的可行性。
近年来，以美国CRG公司为代表的科技公司利用复合材料和智能材料重新开展了变弦长机翼的研究。2004年，CRG公司的Perkins等人将压缩比高达400%的形状记忆合金材料用于变弦长设计。实验表明，该材料加热后可以达到预期的变形，但形状记忆合金由于其不稳定性，冷却后不能恢复到原来的形状。2005年，CRG公司的里德和其他人设计了一种肋骨相互穿插的变弦长机翼。在DC电机和导杆的驱动下，机翼面积可增加近80%，但该设计也存在机构复杂、蒙皮材料回复力低的问题，难以回到变形的初始状态。2011宾夕法尼亚州立大学的Barbarino等人将可压缩蜂窝结构应用于直升机桨叶的弦变形设计。变形后的蜂窝结构可以承受循环驱动，其弦变形可以增加30%左右。此外，值得一提的是，设计师通过预拉伸柔性蒙皮，保证了机翼表面的连续光滑。
在形状记忆合金和复合材料蜂窝结构等新材料和新技术的推动下，近年来出现了许多变弦长机翼的概念，但这些新材料的性能稳定性有待提高，以便于工程应用。
3.可变厚度
变厚度设计是指在不引起机翼形状明显变化的情况下，调整机翼的轮廓线，属于轻微变形设计。机翼厚度的变化可以改善翼型在高低速时的气动性能，具有避免或延缓边界层分离、控制转捩位置和激波以减小波阻、抑制抖振等优点。
早在1992年，美国奥斯汀等人就设计了基于桁架结构的变厚度机翼。设计师在桁架上布置了一个线性位移驱动器，通过激励驱动器，可以调节桁架上每个撑杆的长度，从而调节翼型厚度，优化气动效率。近年来，加拿大国家研究中心开展了一系列变厚度机翼的理论研究和实验验证。2007年，该中心的Coutu等人设计了一种自适应变厚度机翼。机翼由刚性机身、柔性蒙皮和安装在机翼内部的驱动器组成。机翼蒙皮采用碳纤维复合材料，具有良好的柔韧性和足够的支撑刚度。在驾驶员的激励下，机翼厚度发生变化，机翼的层流效果得到有效改善。2008年，该中心的Andrei等人设计了一种机翼上表面厚度方向的激励装置。通过对17不同翼型的数值模拟，得出了转捩位置延迟的结论，证明了周期驱动激励可以应用于转捩控制。2009年，基于Andrei的研究，格里戈利设计了一种用于变形控制的自适应神经模糊控制器。控制器根据压力传感器采集的翼型表面压力，计算出参考翼型与优化翼型之间的压力变化，首次实现了压力变化与转捩位置的直接关联。此外，2009年，英国布里斯托大学的斯蒂芬等人使用压电材料作为致动器，安装在机翼蒙皮的上表面。通电后，激励器产生固定频率的振动，从而改变皮肤表面的边界层流动。风洞试验表明，这种驱动方式可以减小机翼阻力，提高升力。
变厚度机翼设计可以通过稍微改变翼型来达到调节流场、改善气动性能的目的。随着压电陶瓷等新型智能材料的发展，必将在未来的工程应用中产生更多的应用尝试和更大的经济价值。
4.改变后掠角
小后掠角有助于提高机翼低速时的效率，大后掠角有助于降低高速时的兴波阻力。后掠角在不同飞行状态下独立变化，成为兼顾高低速不同气动性能的最有效手段。正因为如此，变后掠技术也成为最早改变机翼形状的成熟技术。
从20世纪40年代到70年代，变后掠技术已经成功应用于许多战斗机和轰炸机上，如米格-23、F-14、盖尔、B-1B轰炸机等。但早期的变后掠技术因其机构和操作复杂、故障率高、维护困难，逐渐被双三角设计、鸭翼设计、大边条设计、翼身融合技术取代，限制了飞机载荷、外形和隐身性能的提升。
21世纪，随着新材料、新技术的发展和应用，变后掠飞机的性能也得到了发展和提高。2004年，弗吉尼亚理工大学的尼尔和其他人设计了一种具有自适应变形的无人机模型。除了翼展可以改变65，438+07%，机身尾部可以压缩65，438+02%，机翼可以扭转20°之外，无人机的后掠角可以从0°改变到40°。风洞实验验证了无人机模型在各种变形形式下的有效性。2006年，佛罗里达大学的格兰特等人通过研究海鸥的飞行姿态，设计了一种多节点可变后掠微型飞行器。该飞行器机翼的内外翼具有独立的可变后掠角机构，仿真表明其具有良好的转向能力和抗侧风能力。2013中国航天空气动力研究院陈谦等人设计分析了飞机外翼大尺度剪切变后掠模态，并通过风洞试验验证了变后掠翼能够满足蒙皮、结构、驱动和控制等气动特性研究的需要，准定常气动特性曲线表明变后掠翼具有很大的气动效益。
最值得注意的是，美国NextGen公司为MAS项目设计的滑动蒙皮可变后掠翼飞机MFX-1不同于传统的机翼嵌入机身的可变后掠翼模式，飞机弦长可以独立于后掠角而变化。2006年，MFX-1首飞成功。在185~220km/h速度下，翼展变化30%，翼面积变化40%，后掠角从15°变为35°，全程不超过15s。测试结果成功地证实了飞机正在飞行。
5.变曲率
弯度是机翼产生升力的最基本因素。改变弯度可以有效控制机翼表面的气流分离，可以显著提高飞机的飞行机动性，特别是对于通常处于低雷诺数飞行状态、性能主要依赖于层流边界层流动的低速飞机。
国内外对变弯度机翼进行了很多研究，如1981的MAW项目中的机械铰链式变弯度机翼，1992的Powers等人在F-11战斗机上安装的机械式变弯度机翼，2004年马里兰大学，由于机械结构复杂，重量大，大部分变弯度机翼没有得到推广。
近年来，智能材料和先进制造技术的发展为变弯度机翼提供了良好的材料和技术基础。2003年，弗吉尼亚大学的Elzey等人设计了一种由形状记忆合金驱动的连杆式变弯度机翼，使机翼剖面产生很大的弯曲变形。2009年，德克萨斯A&M大学的皮尔和其他人制作了自己的机制，通过对中央翼盒中的气囊加压来驱动机翼前缘和后缘的变形。经测试，翼型头部最大变形量为14，翼型尾部最大变形量为13，变形后蒙皮仍能保持光滑连续。2011瑞士结构科学与技术中心的哈塞等人提出了“肋结构”的概念，并将其应用于变形机翼的设计。设计者用分布式柔性肋结构代替了传统的铰链结构，具有几何变形大、承载力高、重量轻的优点。地面试验表明，翼肋结构设计可以实现从NACA0012到NACA 242的翼型。2015年，美国空军实验室的詹姆斯等人基于“柔顺机理”设计了一种保形翼型。柔顺机构可以放大智能材料的致动位移，并将其传递到前缘和后缘，从而使翼型控制所需的能量更低。移除控制表面也降低了机翼的重量和成本。实验模型为1.8米，气动载荷下拱度变化超过6%。2015意大利Alessandro等人基于“非对称结构”设计了一种共形机翼。设计思路类似于“柔顺机构”，也是一种设计巧妙的传力机构，可以将动态位移放大传递到前后边缘。这种设计可以有效避免变形引起的局部应力。设计者通过地面试验证明了非对称蜂窝结构独立变形的先进性，分析了结构的典型破坏形式和大变形引起的强非线性。2015英国斯旺西大学的Benjimin等人在生物学的启发下提出了“鱼骨主动弯曲变形”的概念。采用鱼骨结构降低翼型的弦刚度，实现翼型的弯度控制。风洞试验表明，在相同试验条件下，变形机翼比传统机翼的升阻比可提高20%~25%。这个概念可以应用于固定翼、直升机、风力涡轮机和潮汐。2016年，瑞士复合材料与自适应结构实验室的Francesco等人设计了一种可以替代副翼的“加强褶皱皮肤”机翼。在水流的作用下，后缘的褶皱表皮可以伸缩变形，推动尾部上下弯曲。风洞试验表明，这种设计可以提供高频滚转控制力，有效替代副翼功能，此外，由于机翼的连续形状，这种设计可以显著降低零升阻力。
目前，国外非常重视变弯度机翼的研究，随着智能材料的发展，各种设计理念应运而生。基于变弯度的保形翼型设计，不仅可以通过改变翼型的弯度来控制气流的分离，提高飞机的气动性能，还可以通过对不同的弦截面设置不同的弯度来实现翼型的翘曲，控制飞机的滚转机动，可以有效替代襟副翼等操纵面，具有较高的应用价值和工程可行性。
变形机翼的关键技术
根据上面的介绍，虽然机翼变形的方式多种多样，但所有变形的机翼都离不开大面积光滑连续的柔性蒙皮结构、轻便高效的变形驱动系统和快速灵敏的传感控制系统。因此，实现机翼变形的关键技术可分为以下几类:
1.光滑连续的柔性皮肤技术
与常规机翼相比，变形机翼对蒙皮结构提出了新的要求，即蒙皮不仅要保持重量轻、面内法向刚度高、能承受和传递气动载荷的特性，还要具有足够的光滑连续性和大范围变形特性。因此，将传统材料与新材料相结合，进行结构设计创新，设计出重量、变形能力和承载能力满足变形方案的柔性蒙皮结构，是未来智能变形飞行器设计的重要挑战。
2.轻型高效变形驱动控制技术。
变形机翼的驱动和控制也是智能变形飞行器设计的关键技术之一。智能变体飞行器的驱动装置应具有轻量化、分布式、高效率、快速响应、低能耗和易控制的特点。传统的电机和液压驱动方式过于繁琐和复杂，难以满足设计要求。基于智能材料的新型驱动器件应该是后续发展的重点，如磁致伸缩执行器、压电陶瓷执行器和形状记忆材料执行器等。
3.适应大变形的分布式传感器网络技术。
结构智能变形需要实时检测和感知周围环境和自身状态的变化，这就要求机翼上布满能够感知各种信息的传感元件，形成分布式多传感器网络系统。传感器元件不仅要保证足够的精度和快速的响应特性，还要适应智能变形飞行器大位移、大应变的运动特性，这对传感器元件和传感器网络提出了新的要求，也是未来的挑战之一。
智能变体飞机设计是一项在民用和军用飞机领域具有广阔应用前景的新技术，可推动新型智能材料、仿生设计、结构优化设计、先进传感技术、多信息融合技术等学科的发展，对未来新概念飞机的预研和技术储备具有深远意义。本文对智能变体技术的总结可以为智能变体飞行器的设计和开发提供相应的参考。