形狀記憶合金，給飛機一雙柔軟的翅膀

NASA最近研發了一種輕型可轉換金屬，這種金屬可用於支撐飛機機翼，這一技術可以讓飛機能夠轉換機翼的形狀以便進行起飛、降落、巡航等操作，能夠減少阻力，讓飛機更為節能。

美國國家航空航天局（NASA）對裝備了形狀記憶合金機翼的無人駕駛飛機進行了一次測試飛行。

在上周，NASA的順翼展方向自適應機翼項目對裝備了這種特殊金屬的無人機進行了一次成功的測試飛行，這種金屬被命名為形狀記憶合金。在加熱時，這種金屬片段能夠改變形狀，在冷卻時，金屬片段又會恢復原來的形狀。「這一技術就好比通過摺疊彎曲來進行結合處變形，而且不會發生折斷的危險，」NASA格倫研究中心材料科學家奧斯曼·貝納方解釋說：「就像摺紙一樣，折了之後還能夠恢復原狀。」通過對飛機機翼進行更為有效的形狀控制，無人機導航員能夠調整機翼的形狀，讓飛機的形狀更為節能，讓機翼受到的阻力更小，進一步減少飛機消耗燃料的數量。

原型技術評估研究無人飛機降落於愛德華茲空軍基地的NASA阿姆斯特朗飛行研究中心。NASA的順翼展方向自適應機翼項目計劃能進一步提高飛行器的性能，該項目將研發具有自適應摺疊功能的機翼外端部分，以適應不同飛行環境的要求。NASA的工程師認為，該技術將能夠保障無人機具有橫向穩定性，還能夠減少空氣阻力。

這種形狀可轉換合金並非什麼新型材料，實際上，人類在上世紀五十年代就在一次偶然的機會中發明了該種合金，在此之前，這種合金已經用於醫療及航空產業。貝納方說，人們甚至可以在洗碗機、玩具等普通家用產品中發現這種特殊合金。形狀記憶合金具有超彈性，利用形狀記憶合金減振系統，洗碗機機身的諧振頻率可降低到1Hz以下，使用這種洗碗機的廚房要安靜不少。這種合金技術是航空航天事業反哺人類地球生活的一個例證。

對機翼進行摺疊也並非什麼新鮮的想法，但是，具體實現這一想法卻存在不少的技術困難。在此之前就已經提出過不少版本的摺疊機翼設計方案，但這些方案都依賴於傳統的水力或電力驅動引擎來改變處于飛行狀態的機翼形狀。這些附加的設備都非常沉重而且還需要消耗能源，這就抵消了採用摺疊機翼帶來的節能效果，之前的設計方案因為體積大、重量重，還特別不適宜用於小型或不太厚實的機翼。但是，形狀記憶合金重量較輕，不需要大型引擎來進行驅動，這是一種非常具有前景的材料，能夠真正使得形狀可轉換飛機機翼做到更加節能。

以前沒有對這種合金進行試驗的原因是，能夠在飛機機翼上發揮作用的合金還沒有研發出來。之前的科研工作曾經研發過一些合金，但這些合金的變形溫度較低。變形溫度是指合金會發生形態變化所處的溫度。較低變形溫度的後果就是，飛機停在瀝青停機坪上都會發生機翼變形，這種情況非常危險，會帶來災難。飛行員當然希望合金只有在收到變形指令的時候才發生形狀變化。NASA研發工作的主要突破點在於，他們研發了一種優質的合金，這種合金的變形溫度高達150攝氏度。「在瀝青飛機場上是不會出現這種溫度的，」貝納方說：「只有在你下達操作指令的時候，合金才會達到150攝氏度的高溫。」

NASA格倫研究中心的奧斯曼·貝納方展示3D列印的形狀記憶合金激活裝置模型，激活裝置模型將用於測試合金材料與全尺寸機翼之間的適應性，激活裝置將用於F/A-18「大黃蜂」艦載單座雙發超音速多用途戰鬥機。NASA認為，使用先進形狀記憶合金激活裝置對飛行過程中的飛機機翼進行摺疊變形，將徹底改變將來的飛機設計。

為了研發新型合金組合方案，貝納方及其研究小組首先研究了傳統形狀記憶合金的組合方案，傳統方案使用的金屬一般是鎳及鈦，後來，貝納方逐步添加其他元素，並研究添加之後對提高變形溫度發生了何種影響。有一次，他們試驗成功了一個小樣本，該樣本只會隨著溫度的升高而發生形狀變化，他們立即擴大了樣本數量，製造出足夠的材料，以便在工業規模上進行生產。之後，貝納方及其研究小組將使用他們研發合金製造激活裝置，並安裝在一架無人飛機上。

F/A-18「大黃蜂」艦載單座雙發超音速多用途戰鬥機

機翼上可以看見明顯的摺疊裝置

同軍用飛機或商用飛機相比，這家無人機顯得相對較小。但是，無人機的測試工作取得了成功，在今後的研究工作中，研究小組還將克服很多其他的挑戰和困難。目前，合金僅在受控環境中進行過測試，還需要對這種合金進行更多的測試，以確保該合金能夠在幾十年的時間長度內經受雷電、暴風雨、冰雹、鳥類撞擊的嚴峻考驗。研究小組還希望研發更好、更新的方法來執行加熱及冷卻操作，這兩種操作負責激活合金以發生形狀變化，他們希望合金材料能夠更快、更連續地進行形狀變化。然而最後一個要克服的困難是，他們要和工程師合作，以便研究如何將這種合金材料整合到將來的飛機設計方案當中。

非常可惜的是，貝納方及其研究小組所研發合金使用的主要材料包括鎳及鈦，但添加其他金屬元素，這些其他的金屬元素，目前還沒有公布具體細節。

形狀記憶合金轉矩管激活裝置樣品。NASA使用這種合金來對飛行狀態下的飛機機翼進行摺疊變形操作。形狀記憶合金是一種工程鎳鈦合金，這種合金能夠經過訓練，在加熱變形時恢復到期望的形狀。

研究小組的下一步工作將是擴大測試工作的規模，製造可用於F18噴氣式戰鬥機的激活裝置。F18噴氣式戰鬥機已經安裝了可摺疊機翼以便該種飛機在航空母艦上停泊，如果該戰鬥機能夠安裝使用形狀記憶合金製造的可摺疊機翼，就可以拆除笨重的傳統機翼摺疊機械裝置，這將極大地減輕飛機重量，提高飛機性能。

形狀記憶合金摺疊裝置同樣可用於太空飛行。貝納方說，NASA將於2018年3月發射的一顆人造衛星就安裝了另一種形狀記憶合金，這種合金也是由格倫研究中心研發製造的，其變形溫度更高。這種合金的激活裝置在受到陽光照射加熱時將會激活形狀記憶合金，使合金變換形狀，在太空之中完成太陽能電池板陣列的展開及部署工作。

國際空間站及其他航天器均需要在太空中部署大量的太陽能電池板陣列

太陽能電池板陣列前面的支架是形狀記憶合金，形狀記憶合金能夠記住在特定溫度下自己的形狀，這也是相變機理產生的效果。當使用環境溫度發生變化達到特定溫度時，它會按原來設定的形狀自動伸展開來。國際空間站、探測器、人造衛星等航天器上所使用的太陽能電池板陣列就是用形狀記憶合金製作的。當航天器升空後受到太陽輻照，溫度升到特定數值時自動展開，進行工作。

來源：http://www.fastcodesign.com

譯者：朱川

責編：鍾天意

關注「漫步宇宙」

了解中國領先的太空資訊站

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！