【簡介：】有。截至2022年11月12日，波音飛機(jī)其上蒙皮通過夾芯得到下蒙皮的支持，有很高的應(yīng)力水平和輕的結(jié)構(gòu)重量，波音飛機(jī)有蒙皮換熱器。蒙皮換熱器在飛行器的飛行運行和地面運行中運行從

有。截至2022年11月12日，波音飛機(jī)其上蒙皮通過夾芯得到下蒙皮的支持，有很高的應(yīng)力水平和輕的結(jié)構(gòu)重量，波音飛機(jī)有蒙皮換熱器。蒙皮換熱器在飛行器的飛行運行和地面運行中運行從載熱流體通道排出載熱流體的熱能。

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2011年9月29日成功升空的“天宮一號”,是我國研制并發(fā)射的首個目標(biāo)飛行器

智能變形飛行器進(jìn)展及其關(guān)鍵性研究

【嵌牛導(dǎo)讀】： 像鳥兒一樣靈活自由的飛翔，一直是人類夢寐以求的理想。人類很早就認(rèn)識到鳥兒可以根據(jù)飛行狀態(tài)適時調(diào)整飛行姿態(tài)，以最佳效率完成滑翔、盤旋、攻擊等動作。隨著飛行器設(shè)計對于高機(jī)動性、高飛行效率和多任務(wù)適應(yīng)能力等綜合設(shè)計需求的不斷提高，像鳥兒一樣高效靈活的智能變形飛行器研究逐漸成為學(xué)術(shù)界和工程界的研究熱點。

【嵌牛鼻子】： 智能 ?變形飛行器 ? ?高效靈活

【嵌牛提問】： 智能變形飛行器的研究進(jìn)展如何？其關(guān)鍵性技術(shù)有什么新近突破？

【嵌牛正文】：

北大西洋公約組織對智能變形飛行器做出過如下定義：通過局部或整體改變飛行器的外形形狀，使飛行器能夠?qū)崟r適應(yīng)多種任務(wù)需求，并在多種飛行環(huán)境保持效率和性能最優(yōu)。由此可見，智能變形飛行器是一種具有飛行自適應(yīng)能力的新概念飛行器，其研究涉及非定常氣動力、時變結(jié)構(gòu)力學(xué)、氣動伺服彈性力學(xué)、智能材料與結(jié)構(gòu)力學(xué)、非線性系統(tǒng)動力學(xué)、智能感知與控制科學(xué)等多個學(xué)科前沿和熱點，代表了未來先進(jìn)飛行器的一種發(fā)展方向。智能變形飛行器具有巨大的應(yīng)用前景，以美國航空航天局設(shè)想的未來智能變形飛機(jī)為例，通過新型智能材料、作動器、傳感器和控制系統(tǒng)的綜合運用，飛機(jī)可以隨著外界環(huán)境變化，柔順、平滑、自主地不斷改變外形，不僅保持整個飛行過程中的性能最優(yōu)，更能提高舒適性并降低成本。

正是因為其巨大優(yōu)勢和應(yīng)用潛能，國內(nèi)外涌現(xiàn)出了多種多樣的智能變形設(shè)計理念和嘗試，比如自適應(yīng)機(jī)翼、主動柔性機(jī)翼、主動氣動彈性機(jī)翼、智能機(jī)翼、智能旋翼、變體飛行器等。本文按照翼面變形方式對來智能變形飛行器的最新進(jìn)展進(jìn)行了歸類和總結(jié)，詳細(xì)介紹了機(jī)翼智能變形的變展長、變弦長、變厚度、變后掠與變彎度等多種實現(xiàn)類型，提煉了智能變形機(jī)翼實現(xiàn)的幾項關(guān)鍵技術(shù)，通過本文介紹可對智能變形飛行器的設(shè)計思路及關(guān)鍵技術(shù)有更加豐富的認(rèn)識和了解。

變形機(jī)翼的分類與進(jìn)展

機(jī)翼平面形狀合理改變可改善飛行器的氣動性能。下表列出了機(jī)翼參數(shù)變化對氣動性能的影響，可以看出，通過合理改變機(jī)翼形狀參數(shù)，可以改善飛行器的氣動特性和操縱性能，帶來增大升力、減小阻力、增大航程與航時等好處，可使飛行器能夠高效地完成多種飛行任務(wù)。由于機(jī)翼形狀參數(shù)帶來的影響多樣，機(jī)翼變形的設(shè)計方式也多種多樣。本文針對研究最多的變展長、變弦長、變厚度、變后掠和變彎度等變形形式，分別展開介紹。

1.變展長

展長伸縮是最簡單直接的機(jī)翼變形方式。展長變化有如下的優(yōu)點：增大變形飛行器的機(jī)翼展長，相當(dāng)于增大其翼面積和展弦比，可以帶來升阻比提高，航程和航時增大的目的；機(jī)翼在停放時收縮，可顯著減小飛行器的占用面積；當(dāng)兩側(cè)機(jī)翼展長不同時，左右升力不對稱造成的滾轉(zhuǎn)力矩，可便于飛行器的橫航向操縱。

早在1929年，美國設(shè)計師Vinent就首次提出了變展長機(jī)翼的設(shè)計思想，并成功制作試飛了GX-3驗證機(jī)。1931年，俄國科學(xué)家Makhonine設(shè)計制作了MAK-10飛機(jī)，其展長可從13米增大到21米，改變量超過60%。1947年出現(xiàn)的MAK-123飛機(jī)和1972年出現(xiàn)的FS-29飛機(jī)均屬于變展長飛機(jī)，但由于早期的變形機(jī)構(gòu)均過于笨重和龐大而未能得到推廣。

“伸縮翼”是近年來新提出的變展長設(shè)計理念。2003年美國國防預(yù)防研究計劃局實施的變形飛機(jī)結(jié)構(gòu)項目(MAS)中，伸縮翼就是三種主變形方案之一（其余為折疊機(jī)翼與滑動蒙皮機(jī)翼，后文詳述），該設(shè)計以“戰(zhàn)斧”巡航導(dǎo)彈為對象，巡航飛行時機(jī)翼展開獲取最大升力、高速俯沖時翼面收縮提高機(jī)動性，但由于翼載荷太大、機(jī)翼太薄，伸縮機(jī)構(gòu)無法安置，計劃未能推廣。西北工業(yè)大學(xué)的王江華等人對伸縮翼巡航導(dǎo)彈的氣動外形進(jìn)行了優(yōu)化研究，研究表明，伸縮翼設(shè)計可使導(dǎo)彈燃料消耗減少12％，明顯提升導(dǎo)彈性能。2007年，馬里蘭大學(xué)的Julie等人以充氣伸縮粱當(dāng)作驅(qū)動機(jī)構(gòu)，通過機(jī)翼伸縮改變升力和控制滾轉(zhuǎn)，并進(jìn)行了風(fēng)洞試驗，經(jīng)試驗其展弦比可最大變化230%，升阻比最大可到16，但蒙皮偏軟產(chǎn)生的寄生阻力使氣動性能受一定影響。

總體看來，變展長機(jī)翼仍需解決伸縮機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)減重設(shè)計、適應(yīng)高速飛行的機(jī)翼降厚度設(shè)計、彈性蒙皮的連續(xù)密封性設(shè)計等一系列問題，距離工程應(yīng)用仍有一定距離。

2.變弦長

與變展長機(jī)翼的控制效果類似，變弦長機(jī)翼也是通過機(jī)翼變形引起展弦比和翼面積的合理變化，達(dá)到優(yōu)化飛機(jī)升阻比、飛行速度和機(jī)動性的目的。

變弦長理念的最典型應(yīng)用就是傳統(tǒng)飛機(jī)的襟副翼設(shè)計，通過絲桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動襟副翼弦向變形可以顯著改善飛機(jī)的起降性能及滾轉(zhuǎn)機(jī)動性。對于飛機(jī)翼面本身，由于存在梁架、油箱等設(shè)備干擾或翼型較小、空間不足等問題，變弦長設(shè)計的難度很大，國內(nèi)外相關(guān)研究也相對較少。早在1937年，俄國科學(xué)家Bakashaev就設(shè)計并制作了第一架變弦長飛機(jī)RK-1，飛機(jī)通過6個弦向可伸縮的相互疊加的機(jī)身實現(xiàn)弦長改變，其初代飛機(jī)翼面積變化為44%、改進(jìn)型變化高達(dá)135%，驗證了通過伸縮機(jī)構(gòu)改變弦長的可行性。

近年來，以美國CRG公司為代表的科技公司，通過使用復(fù)合材料及智能材料重新開展變弦長機(jī)翼研究。2004年，CRG公司的Perkins等人將壓縮比高達(dá)400%的形狀記憶合金材料用于變弦長設(shè)計，實驗表明材料經(jīng)過加熱可以達(dá)到預(yù)期變形量，但由于形狀記憶合金不穩(wěn)定，冷卻后無法恢復(fù)至原始形態(tài)。2005年，CRG公司的Reed等人設(shè)計了一種翼肋相互穿插的變弦長機(jī)翼，在直流電機(jī)和導(dǎo)桿的驅(qū)動下，機(jī)翼面積可以增大將近80%，但是該設(shè)計同樣存在機(jī)構(gòu)復(fù)雜、表皮材料恢復(fù)力太低難以回到變形初始狀態(tài)的問題。2011年，賓夕法尼亞州立大學(xué)的Barbarino等人將可壓縮的蜂窩細(xì)胞結(jié)構(gòu)應(yīng)用在直升機(jī)葉片的弦向變形設(shè)計中，變形蜂窩結(jié)構(gòu)可經(jīng)受循環(huán)驅(qū)動、其弦向變形可增大30%左右，此外，值得一提的是設(shè)計者通過對柔性蒙皮預(yù)拉伸保證了機(jī)翼表面的連續(xù)光滑性。

在形狀記憶合金和復(fù)合材料蜂窩結(jié)構(gòu)等新材料新技術(shù)的推動下，近年來涌現(xiàn)出了較多的變弦長機(jī)翼概念，但面向工程應(yīng)用，這些新材料的性能穩(wěn)定性仍有待提升。

3.變厚度

變厚度設(shè)計是指在不引起機(jī)翼形狀明顯變化的前提下調(diào)整機(jī)翼的輪廓線，是一種微幅變形設(shè)計。機(jī)翼厚度改變可以改善翼型的高低速氣動性能，具有避免或延遲附面層分離、控制轉(zhuǎn)捩位置、控制激波從而降低波阻和抑制抖振等優(yōu)點。

早在1992年，美國的Austin等人就設(shè)計了一種基于桁架結(jié)構(gòu)的變厚度機(jī)翼，設(shè)計者在桁架上布置線位移驅(qū)動器，通過激勵驅(qū)動器，可以調(diào)節(jié)桁架上各條支桿的長度，從而達(dá)到調(diào)整翼型厚度、優(yōu)化氣動效率的目的。近年來，加拿大國家研究中心進(jìn)行了一系列變厚度機(jī)翼的理論研究及試驗驗證工作。2007年，該中心的Coutu等人設(shè)計了一種自適應(yīng)變厚度機(jī)翼，機(jī)翼由剛體部分、柔性蒙皮和安裝在機(jī)翼內(nèi)部的驅(qū)動器構(gòu)成，機(jī)翼蒙皮采用碳纖維復(fù)合材料制作，具有良好的柔性和足夠的支撐剛度，在驅(qū)動器的激勵下機(jī)翼厚度產(chǎn)生變化，并有效提高了機(jī)翼的層流效應(yīng)。2008年，該中心的Andrei等人在機(jī)翼上表面厚度方向設(shè)計激勵裝置，通過對17種不同翼型外形進(jìn)行數(shù)值仿真，均得到轉(zhuǎn)捩位置向后延遲的結(jié)論，證明周期性驅(qū)動激勵可應(yīng)用于轉(zhuǎn)捩控制中。2009年，在Andrei的研究基礎(chǔ)上Grigorie設(shè)計了一個用于變形控制的自適應(yīng)神經(jīng)模糊控制器，控制器根據(jù)壓力傳感器采集的翼型表面壓力，計算參考翼型與優(yōu)化翼型之間的壓力變化，首次實現(xiàn)了壓力變化和轉(zhuǎn)捩位置的直接關(guān)聯(lián)。此外，2009年，英國布里斯托爾大學(xué)的Stephen等人采用壓電材料作為驅(qū)動器，安裝在機(jī)翼蒙皮上表面，通電后驅(qū)動器產(chǎn)生固定頻率振動，從而改變蒙皮表面的邊界層流動，風(fēng)洞試驗表明該驅(qū)動方法可使機(jī)翼阻力降低、升力提高。

變厚度機(jī)翼設(shè)計，通過對翼型進(jìn)行微小改變，就可實現(xiàn)調(diào)節(jié)流場流動、改善氣動性能等目的，伴隨著壓電陶瓷等新型智能材料的發(fā)展，必將在未來工程應(yīng)用中產(chǎn)生更多的應(yīng)用嘗試和更大的經(jīng)濟(jì)價值。

4.變后掠

低速飛行時小后掠角有助于提升機(jī)翼的效率，高速飛行時大后掠角有助于降低波阻，不同飛行狀態(tài)后掠角自主變化，成為兼顧高低速不同氣動性能的最有效手段。正因為此，變后掠技術(shù)也成為最早成熟應(yīng)用于型號的改變機(jī)翼形狀技術(shù)。

自上世紀(jì)40年代至70年代，變后掠技術(shù)已成功應(yīng)用于多種戰(zhàn)斗機(jī)和轟炸機(jī)，如：米格-23、F-14、狂風(fēng)、B-1B轟炸機(jī)等。但早期的變后掠技術(shù)因機(jī)構(gòu)及操縱復(fù)雜、故障率高、維護(hù)困難，且限制了飛機(jī)載荷、外型、隱身等性能的提高，逐漸被雙三角設(shè)計、鴨翼、大邊條設(shè)計、翼身融合技術(shù)所取代。

進(jìn)入21世紀(jì)，隨著新材料新技術(shù)的發(fā)展與運用，變后掠飛行器性能也得到發(fā)展和提高。2004年，弗吉尼亞理工大學(xué)的Neal等人設(shè)計了一種可自適應(yīng)變形的無人機(jī)模型，除了機(jī)翼展長能改變17%、機(jī)身尾部能壓縮12%、機(jī)翼能夠扭轉(zhuǎn)20°以外，該無人機(jī)的后掠角能夠從0°變化到40°，風(fēng)洞實驗驗證了無人機(jī)模型在多種變形形式下的有效性。2006年，佛羅里達(dá)大學(xué)的Grant等人通過研究海鷗的飛行姿態(tài)，設(shè)計了一種多節(jié)點變后掠微小型飛行器，飛行器機(jī)翼的內(nèi)外翼兩部分具有獨立的變后掠機(jī)構(gòu)，仿真顯示其具有很好的轉(zhuǎn)向能力和抗側(cè)風(fēng)能力。2013年中國航天空氣動力技術(shù)研究院的陳錢等人對飛機(jī)外翼段大尺度剪切式變后掠方式進(jìn)行了設(shè)計與分析，并通過風(fēng)洞試驗驗證變后掠機(jī)翼在蒙皮、結(jié)構(gòu)、驅(qū)動、控制等方面滿足氣動特性研究需求，準(zhǔn)定常氣動特性曲線顯示出變后掠機(jī)翼的較大氣動效益。

最值得一提的是美國NextGen公司針對MAS項目設(shè)計的滑動蒙皮變后掠飛機(jī)MFX-1，與傳統(tǒng)的機(jī)翼埋入機(jī)身的變后掠方式不同，該飛機(jī)的弦長增減可獨立于后掠角而改變。2006年MFX-1首飛成功，在185~220km/h的速度下成功將翼展改變30%、翼面積改變40%、后掠角從15°改變到35°，且整個過程不超過15s，試驗結(jié)果成功證實了飛行器在飛行過程中大面積改變機(jī)翼形狀的可行性，在變形飛行器的工程應(yīng)用上具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

5.變彎度

機(jī)翼產(chǎn)生升力的最基礎(chǔ)要素是彎度，改變彎度可以有效地控制機(jī)翼表面的氣流分離情況，可顯著提高飛行器的飛行機(jī)動性能，尤其是對于通常處于低雷諾數(shù)飛行條件下、性能主要取決于層流邊界層流動的低速飛行器。

國內(nèi)外對變彎度機(jī)翼已經(jīng)開展了許多研究，如1981年任務(wù)自適應(yīng)機(jī)翼(MAW)項目中的機(jī)械鉸鏈?zhǔn)阶儚澏葯C(jī)翼、1992年P(guān)owers等人在F-111戰(zhàn)斗機(jī)上安裝的機(jī)械式變彎曲機(jī)翼和2004年馬里蘭大學(xué)的Poonsong等人設(shè)計的機(jī)械式多關(guān)節(jié)變彎度機(jī)翼。由于機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜和質(zhì)量笨重，大多數(shù)的變彎度機(jī)翼都沒有得到推廣。

近年來，智能材料和先進(jìn)制造工藝的發(fā)展為變彎度機(jī)翼提供了良好的材料和技術(shù)基礎(chǔ)。2003年，弗吉尼亞大學(xué)的Elzey等人設(shè)計了一種形狀記憶合金驅(qū)動的鏈環(huán)式變彎度機(jī)翼，在機(jī)翼截面內(nèi)產(chǎn)生很大的彎曲變形。2009年，德州農(nóng)工大學(xué)的Peel等人自制了通過對中央翼盒內(nèi)的氣袋加壓驅(qū)動機(jī)翼前后緣變形的機(jī)構(gòu)，經(jīng)測試在氣袋所能承受的最大壓力下，翼型頭部最大變形14°、尾部最大變形13°、且變形后蒙皮仍能保持光滑連續(xù)。2011年，瑞士結(jié)構(gòu)科技中心的Hasse等人提出了“帶肋結(jié)構(gòu)”的概念，并應(yīng)用于變形機(jī)翼設(shè)計，設(shè)計者通過采用分布式柔性帶肋結(jié)構(gòu)代替了傳統(tǒng)的鉸鏈結(jié)構(gòu)，具有幾何變形大、承載能力高和重量輕等優(yōu)點，地面試驗表明，帶肋結(jié)構(gòu)設(shè)計可實現(xiàn)翼型從NACA0012到NACA2412之間自主變化。2015年，美國空軍實驗室的James等人設(shè)計了基于“順從機(jī)構(gòu)”的保形翼面，順從機(jī)構(gòu)可將智能材料的作動位移放大并傳遞給前后緣，使翼面操控需要的能量更低，去掉操縱面還使機(jī)翼的重量減輕、成本也更低，其試驗?zāi)Ｐ驼归L為1.8米，在氣動載荷作用下彎度變化超過6%、最大升阻比變化約1倍左右。2015年，意大利的Alessandro等人設(shè)計了基于“非對稱結(jié)構(gòu)”的保形機(jī)翼，其設(shè)計思路與“順從機(jī)構(gòu)”相似，也是設(shè)計巧妙的傳力機(jī)構(gòu)，將作動位移放大傳遞至前后緣，該設(shè)計可有效避免變形產(chǎn)生的局部應(yīng)力，設(shè)計者通過地面試驗證明了非對稱蜂窩結(jié)構(gòu)自主變形的先進(jìn)性，并分析了結(jié)構(gòu)的典型失效形式及大變形引起的強(qiáng)非線性響應(yīng)問題。2015年，英國斯旺西大學(xué)的Benjimin等人在生物學(xué)的啟發(fā)下提出了“魚骨主動彎曲變形”的概念，利用魚骨結(jié)構(gòu)減小翼型的弦向剛度，實現(xiàn)翼型變彎度控制，風(fēng)洞試驗表明，相同試驗條件下，變形翼相對傳統(tǒng)機(jī)翼的升阻比可提升20%~25%，該概念可應(yīng)用于固定翼、直升機(jī)、風(fēng)力機(jī)以及潮汐泵的葉片設(shè)計。2016年，瑞士復(fù)合材料及自適應(yīng)結(jié)構(gòu)實驗室的Francesco等人設(shè)計了可代替副翼的“增強(qiáng)褶皺蒙皮”機(jī)翼，在電流作用下后緣的褶皺蒙皮可伸縮變形并推動尾部上下彎曲，風(fēng)洞試驗表明該設(shè)計可提供高頻滾轉(zhuǎn)控制力有效替代副翼功能，此外，由于機(jī)翼的形狀連續(xù)該設(shè)計可顯著減小零升阻力。

目前，國外對變彎度機(jī)翼的研究相當(dāng)重視，伴隨著智能材料的發(fā)展涌現(xiàn)出了多種多樣的設(shè)計理念。基于變彎度的保形翼面設(shè)計，既可以通過翼面的彎度改變控制氣流的分離、提高飛行器的氣動性能，又可以通過對不同弦截面設(shè)置不同彎度實現(xiàn)翼面的翹曲、控制飛行器的滾轉(zhuǎn)機(jī)動，可有效代替襟副翼等控制面，具有較高的應(yīng)用價值和工程可實現(xiàn)性。

變形機(jī)翼的關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)以上介紹可知，雖然機(jī)翼變形的方式多種多樣，但是所有變形機(jī)翼都離不開大尺度光滑連續(xù)的柔性蒙皮結(jié)構(gòu)、輕質(zhì)高效的變形驅(qū)動系統(tǒng)和快速靈敏的傳感控制系統(tǒng)。因此，實現(xiàn)機(jī)翼變形的關(guān)鍵技術(shù)可以歸為以下幾類：

1.光滑連續(xù)的柔性蒙皮技術(shù)

變形機(jī)翼與常規(guī)機(jī)翼相比對蒙皮結(jié)構(gòu)提出了新的要求，即蒙皮不僅要保持常規(guī)蒙皮重量輕、在面法向剛度大、可以承受并傳遞氣動載荷的特點，同時還要具備足夠的光滑連續(xù)性和大尺度變形特性。因此，將傳統(tǒng)材料和新型材料相結(jié)合，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上進(jìn)行創(chuàng)新，設(shè)計重量、變形能力和承載能力滿足變形方案的柔性蒙皮結(jié)構(gòu)，是未來智能變形飛行器設(shè)計的一項重要挑戰(zhàn)。

2.輕質(zhì)高效能的變形驅(qū)動控制技術(shù)

變形機(jī)翼的驅(qū)動及控制也是智能變形飛行器設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一。智能變形飛行器的驅(qū)動裝置應(yīng)具備重量輕、分布式、高效能、響應(yīng)快、低能耗、易控制等特點。傳統(tǒng)的電機(jī)和液壓驅(qū)動方式過于笨重而復(fù)雜難以適應(yīng)設(shè)計需求，基于智能材料的新型驅(qū)動裝置應(yīng)作為后續(xù)發(fā)展的重點，比如磁致伸縮驅(qū)動器、壓電陶瓷驅(qū)動器和形狀記憶材料驅(qū)動器等。

3.適應(yīng)大變形的分布式傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

結(jié)構(gòu)智能變形需要實時檢測并感知周圍環(huán)境與自身狀態(tài)的變化，這就需要機(jī)翼上布滿可感知各種信息的傳感元件，并構(gòu)成一個分布式的多傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。傳感元件不僅要保證足夠的精度和快速響應(yīng)特性，還必須適應(yīng)智能變形飛行器大位移大應(yīng)變的運動特點，這對傳感元件和傳感網(wǎng)絡(luò)提出了新的要求，也是未來面臨的挑戰(zhàn)之一。

智能變形飛行器設(shè)計是一項在民用和軍用飛行器領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用前景的新技術(shù)，可推動新型智能材料、仿生設(shè)計、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、先進(jìn)傳感技術(shù)、多信息融合技術(shù)等學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展，對未來新概念飛行器的預(yù)研和技術(shù)儲備具有深遠(yuǎn)的意義。本文對智能變形技術(shù)的總結(jié)歸納，可以為智能變形飛行器領(lǐng)域的設(shè)計發(fā)展提供相應(yīng)的參考。