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在高速飞行的状态下,一个小小的缝隙就可能产生撕裂飞机翅膀的力量。所以机翼的变形过程中,必须是“无缝”的,就像《终结者》片中的液体机器人,可以自我变异。
诸如猎鹰之类的猛禽平时能轻松地展翅翱翔,一旦发现猎物,又能立即收起翅膀,以极高的速度俯冲。其秘诀在于它们能自如控制翅膀边缘的羽毛,通过改变其方向,在飞行中翻滚、变向。这一现象早就为人所注意并刻意模仿,当莱特兄弟于1903年进行首次历史性飞行时,他们就曾试图通过拉拽捆绑机翼的绳索来使机翼的结构发生变化。随着技术的发展,像鸟翅膀一样的变形机翼通过自动改变机翼形状和表面特性,随时适应飞行条件和任务的需要就要成为现实。它将使下一代战斗机既能在战场上空盘旋数小时等待时机,又能迅猛出击。这种能力在电影《变形金刚》中有比较极端的生动体现。影片中,霸天虎的“红蜘蛛”像鸟儿一样随意改变气动外形,将美军的F-22战机打得落花流水。
力求十全十美
目前,飞机机翼设计并不能够同时满足两个目标:既飞得快,又有较长滞空时间。例如,阔机翼飞机的高空滞空性能最佳,但无法在低空高速飞行。变形机翼技术将使飞机快速抵达目标,然后又能长期滞留在目标上空。据美国《航空周刊》网站8月28日报道,五角大楼高级研究计划局(DARPA)早在2003年就启动了“变形飞机结构(MAS)”项目,在近日取得“里程碑式的进展”。该项目旨在通过变形飞机部件使新一代军用飞机能够用于执行多种形式的作战任务。其长远目标是设计一种续航能力比“全球鹰”无人机更强、机动性比F/A-22战斗机更好的飞机。
五角大楼高级研究计划局最近发布了“任务适应旋翼”的变形机翼项目招标公告,包括波音、雷声、西科斯基公司在内的军工巨头均跃跃欲试,有意拿下这份巨额合同。该机构对未来旋翼技术提出了严格甚至苛刻的要求——与固定旋翼相比,新变形机翼须增加30%荷载和40%航程,并减少50%的噪音和90%的震动。机翼需要在满足“节约燃料”及“高机动性”两项条件的前提下变化成不同的形状,要能够改变叶片的直径、旋转范围、翼弦及翼端外形等。单就技术优势来说,变形机翼也是普通固定式机翼无法匹敌的,前者更能适应复杂的气候环境,机动性能更高,实战生存能力更强。
目前,美国防部预先研究计划局的“变形飞机结构”项目中的两个变形原型机翼已经展开风洞试验。变形机翼使机翼面积能够在50%～150%之间变化,分别适应巡航和高速飞行时的需要。其实,变形机翼结构并非新概念。现今使用的一些飞机也已经具备了能够调整机翼的能力,如美国海军的F-14“雄猫”战斗机、V-22“鱼鹰”倾转旋翼机,以及F-111隐身战斗机。不过,这些“调整机翼形状”与真正的变形机翼概念不同。真正的变形机翼通过应用灵敏的传感器和作动器,光滑而持续地改变机翼的形状,对不断改变的飞行条件做出响应,从而可使飞机像鸟一样随意地在空中进行盘旋、倒飞和侧向滑行。这将是新型智能材料、新型激励器、传感器无缝地综合应用于飞行器的一种新的设计概念。
根据试验数据,未来采用变形机翼技术的飞机功耗更低,可以在较短的跑道上起飞,大大增加飞行距离,提高燃油效率。此外,具有变形机翼结构的巡航导弹能够以极快的速度抵达目标,然后又能在目标上空滞留以便认定目标是否被摧毁,在必要的情况下还可以快速转向摧毁另一个新目标。而像“捕食者”这类无人机,如果具有变形机翼将既能获得高速飞行能力又将具有高机动能力,从而可以用于与敌机进行的空中交战。目前DARPA首先在无人机上试验变形技术,据悉,一旦技术成熟未来还将应用于有人驾驶飞机,包括下一代直升机的设计中。
除此之外,变形机翼结构还可用于卫星或其他航天飞行器。目前美空军、航空航天局和美国CRG公司正联合开发一种将用在太空“轨道镜”上的变形结构。在这一设计中,“镜子”安装在可变形的连接臂上,使其能折叠起来以便于发射;发射到轨道上后,连接臂可根据情况“自我”展开成所需要的工作形状,利用镜子收集太阳能转换成电能。
研究人员认为,2030年以后,改变机翼形状的技术将成为设计主流,并会应用到美国空军的所有飞机中去。除机翼外,包括进气口、推进系统也能从变形机翼技术中受益。最近由DARPA投资,波音“鬼怪”工程队完成的一项研究,验证了F-15战斗机进气喷管的动态可重组技术,可望将F-15的航程增加多达20%。在民航客机上目前采用了一种降噪技术,它将一个锯齿状结构稍稍伸入客机喷流内,可以起到抑制起飞噪音的作用。
关键是找到变形的材料
变形机翼技术当前最大的挑战之一是:机翼在飞行中变形收放时,会引起重心和气动中心迅速而大幅度地变化,从而造成尾旋或失控。目前美国弗吉尼亚理工大学正用计算机研究变形机翼对飞机稳定的影响。另一个问题是:变形机翼不像鸟翼上那样覆盖着柔性的羽毛,它打开任何一个关节时都会露出缝隙而产生极大阻力,完全是“捉襟见肘”。如果采用F-14那种机械变形技术,在高速飞行的状态下,一个小小的缝隙就可能产生撕裂飞机翅膀的力量。为实现机翼等部件的变形,必须将激励器、传感器、锁件等机构等装置,以及控制这些机构的电源无缝地综合在一起。更为重要的是在机翼“变形”过程中,必须是“无缝”的,就像《终结者》片中的液体机器人,可以自我变异。
因此,DARPA正在研究新一代形状记忆材料,它能随机翼伸展和活动,填补机翼开合形成的接缝。这些新型的形状记忆聚合物(SMP)可以被延展和拉伸成不同形状,比如一块做成翼型的SMP可以被弯曲成一块平板。但一旦加热到转变温度以上,它又会“啪”地一下变回原来的翼型。因而可以用来遮盖折叠或伸缩机翼的接头。现在的研究重点是使它既有足够的延展性,又要有足够强度,以适应高速下的反复使用。为了使变形翼像生物体一样刚柔并济,还可能需要用到自适应结构技术,它一般用一整块原料,通过喷射模塑法或切削而成。这种金属或塑料构件可作为机翼边缘或其他韧性部件的内部结构,它能使应力灵活分布,使一部分像编织物一样柔软,而同时另一部分保持刚性。
在MAS项目第一阶段,承包商主要是设计、制造和试验能够确保变形机翼在低速和跨声速飞行中伸缩150%的部件及配件。据SMP项目材料供应商Cornerstone研究集团(CRG)公司总工程师称,变形部件能够经得起高数次的形状变化,尽管目前还没有确定出变形机翼在需要更换之前到底可以经受多少次循环变形,但据初步试验表明循环变形至少有数百次,执行一次任务平均变形10次,变形一次需要几分钟。
诸如猎鹰之类的猛禽平时能轻松地展翅翱翔,一旦发现猎物,又能立即收起翅膀,以极高的速度俯冲。其秘诀在于它们能自如控制翅膀边缘的羽毛,通过改变其方向,在飞行中翻滚、变向。这一现象早就为人所注意并刻意模仿,当莱特兄弟于1903年进行首次历史性飞行时,他们就曾试图通过拉拽捆绑机翼的绳索来使机翼的结构发生变化。随着技术的发展,像鸟翅膀一样的变形机翼通过自动改变机翼形状和表面特性,随时适应飞行条件和任务的需要就要成为现实。它将使下一代战斗机既能在战场上空盘旋数小时等待时机,又能迅猛出击。这种能力在电影《变形金刚》中有比较极端的生动体现。影片中,霸天虎的“红蜘蛛”像鸟儿一样随意改变气动外形,将美军的F-22战机打得落花流水。
力求十全十美
目前,飞机机翼设计并不能够同时满足两个目标:既飞得快,又有较长滞空时间。例如,阔机翼飞机的高空滞空性能最佳,但无法在低空高速飞行。变形机翼技术将使飞机快速抵达目标,然后又能长期滞留在目标上空。据美国《航空周刊》网站8月28日报道,五角大楼高级研究计划局(DARPA)早在2003年就启动了“变形飞机结构(MAS)”项目,在近日取得“里程碑式的进展”。该项目旨在通过变形飞机部件使新一代军用飞机能够用于执行多种形式的作战任务。其长远目标是设计一种续航能力比“全球鹰”无人机更强、机动性比F/A-22战斗机更好的飞机。
五角大楼高级研究计划局最近发布了“任务适应旋翼”的变形机翼项目招标公告,包括波音、雷声、西科斯基公司在内的军工巨头均跃跃欲试,有意拿下这份巨额合同。该机构对未来旋翼技术提出了严格甚至苛刻的要求——与固定旋翼相比,新变形机翼须增加30%荷载和40%航程,并减少50%的噪音和90%的震动。机翼需要在满足“节约燃料”及“高机动性”两项条件的前提下变化成不同的形状,要能够改变叶片的直径、旋转范围、翼弦及翼端外形等。单就技术优势来说,变形机翼也是普通固定式机翼无法匹敌的,前者更能适应复杂的气候环境,机动性能更高,实战生存能力更强。
目前,美国防部预先研究计划局的“变形飞机结构”项目中的两个变形原型机翼已经展开风洞试验。变形机翼使机翼面积能够在50%～150%之间变化,分别适应巡航和高速飞行时的需要。其实,变形机翼结构并非新概念。现今使用的一些飞机也已经具备了能够调整机翼的能力,如美国海军的F-14“雄猫”战斗机、V-22“鱼鹰”倾转旋翼机,以及F-111隐身战斗机。不过,这些“调整机翼形状”与真正的变形机翼概念不同。真正的变形机翼通过应用灵敏的传感器和作动器,光滑而持续地改变机翼的形状,对不断改变的飞行条件做出响应,从而可使飞机像鸟一样随意地在空中进行盘旋、倒飞和侧向滑行。这将是新型智能材料、新型激励器、传感器无缝地综合应用于飞行器的一种新的设计概念。
根据试验数据,未来采用变形机翼技术的飞机功耗更低,可以在较短的跑道上起飞,大大增加飞行距离,提高燃油效率。此外,具有变形机翼结构的巡航导弹能够以极快的速度抵达目标,然后又能在目标上空滞留以便认定目标是否被摧毁,在必要的情况下还可以快速转向摧毁另一个新目标。而像“捕食者”这类无人机,如果具有变形机翼将既能获得高速飞行能力又将具有高机动能力,从而可以用于与敌机进行的空中交战。目前DARPA首先在无人机上试验变形技术,据悉,一旦技术成熟未来还将应用于有人驾驶飞机,包括下一代直升机的设计中。
除此之外,变形机翼结构还可用于卫星或其他航天飞行器。目前美空军、航空航天局和美国CRG公司正联合开发一种将用在太空“轨道镜”上的变形结构。在这一设计中,“镜子”安装在可变形的连接臂上,使其能折叠起来以便于发射;发射到轨道上后,连接臂可根据情况“自我”展开成所需要的工作形状,利用镜子收集太阳能转换成电能。
研究人员认为,2030年以后,改变机翼形状的技术将成为设计主流,并会应用到美国空军的所有飞机中去。除机翼外,包括进气口、推进系统也能从变形机翼技术中受益。最近由DARPA投资,波音“鬼怪”工程队完成的一项研究,验证了F-15战斗机进气喷管的动态可重组技术,可望将F-15的航程增加多达20%。在民航客机上目前采用了一种降噪技术,它将一个锯齿状结构稍稍伸入客机喷流内,可以起到抑制起飞噪音的作用。
关键是找到变形的材料
变形机翼技术当前最大的挑战之一是:机翼在飞行中变形收放时,会引起重心和气动中心迅速而大幅度地变化,从而造成尾旋或失控。目前美国弗吉尼亚理工大学正用计算机研究变形机翼对飞机稳定的影响。另一个问题是:变形机翼不像鸟翼上那样覆盖着柔性的羽毛,它打开任何一个关节时都会露出缝隙而产生极大阻力,完全是“捉襟见肘”。如果采用F-14那种机械变形技术,在高速飞行的状态下,一个小小的缝隙就可能产生撕裂飞机翅膀的力量。为实现机翼等部件的变形,必须将激励器、传感器、锁件等机构等装置,以及控制这些机构的电源无缝地综合在一起。更为重要的是在机翼“变形”过程中,必须是“无缝”的,就像《终结者》片中的液体机器人,可以自我变异。
因此,DARPA正在研究新一代形状记忆材料,它能随机翼伸展和活动,填补机翼开合形成的接缝。这些新型的形状记忆聚合物(SMP)可以被延展和拉伸成不同形状,比如一块做成翼型的SMP可以被弯曲成一块平板。但一旦加热到转变温度以上,它又会“啪”地一下变回原来的翼型。因而可以用来遮盖折叠或伸缩机翼的接头。现在的研究重点是使它既有足够的延展性,又要有足够强度,以适应高速下的反复使用。为了使变形翼像生物体一样刚柔并济,还可能需要用到自适应结构技术,它一般用一整块原料,通过喷射模塑法或切削而成。这种金属或塑料构件可作为机翼边缘或其他韧性部件的内部结构,它能使应力灵活分布,使一部分像编织物一样柔软,而同时另一部分保持刚性。
在MAS项目第一阶段,承包商主要是设计、制造和试验能够确保变形机翼在低速和跨声速飞行中伸缩150%的部件及配件。据SMP项目材料供应商Cornerstone研究集团(CRG)公司总工程师称,变形部件能够经得起高数次的形状变化,尽管目前还没有确定出变形机翼在需要更换之前到底可以经受多少次循环变形,但据初步试验表明循环变形至少有数百次,执行一次任务平均变形10次,变形一次需要几分钟。