美國變形機翼研究進展綜述

原標題：美國變形機翼研究進展綜述

導言

將剛性機翼變為可變形機翼，使其在在飛行過程中改變飛機機翼的形狀，是目前提高燃油效率的最可行方案之一，一旦實現將為航空工業帶來新的未來。因此，作為全球航空業領導者的美國和歐盟都在致力於研究變形機翼這一應用前景廣闊的技術。

為什麼要發展變形機翼？

一個多世紀前，航空業的先驅想出了一種使用帶襟翼的剛性機翼來產生足夠升力的方法，從而將笨重的飛機送上了天空，這是人類歷史上最偉大的進步之一。

在發展了近百年後，燃料方面的高運營成本仍是全球航空工業需要解決的問題。目前商業航空公司在燃料方面的支出仍超過了其運營成本的25％。與此同時，現代飛機機翼和發動機的效率已經達到了接近頂峰的水平，因此要想再在這兩個方面提高效益來節省開支，對工程師來說是極其困難的。對於提高燃油效率還有一種可行方案，也就是將剛性機翼變為變形機翼，使其在在飛行過程中改變飛機機翼的形狀，從而使飛機更接近最佳性能。

美國早期的變形機翼項目成果

早在20世紀80年代，美國就開始致力於研究可以瞬間精確地調整自身形狀的可變形飛機機翼，下面為幾個主要的研發項目及成果。

美國FlexSys公司的自適應柔性後緣襟翼（ACTE）

2014～2015年，美國柔性變形系統公司（FlexSys）開發的「主動柔性後緣襟翼」（ACTE）由NASA和AFRL進行了一系列的地面和飛行測試。ACTE具有柔性的內部結構和無縫彈性蒙皮，使用傳統的作動器即可實現變形。FlexSys公司將其柔性機翼產品命名為FlexFoil。

FlexSys ACTE flap technology bridges gaps in wing for a seamless surface.

[Credits: Flexsys Image]

2014年11月6日，裝有世界上第一對現代化可變形機翼的灣流Ⅲ型噴氣式飛機在加利福尼亞州高原沙漠進行試飛。為了安全起見，實驗並沒有在整個飛行過程中改變機翼的形狀，而是在地面上遠程控制FlexFoil。在位於加利福尼亞州愛德華茲的美國航空航天局阿姆斯特朗飛行研究中心進行的22次飛行中，這些機翼的傾角能夠在2°至32°之間變化，也就是可以改變其彎曲弧度。

ACTE installed on the GIII at a flap deflection of 20°.

測試數據顯示，當FlexFoil彎曲至傳統襟翼所處的角度時，可以產生最大5000千克的升力。在一系列測試中，飛機承受了最大達到每平方米1875千克的動態氣壓，這一數字遠遠超過任何傳統的商用飛機；另外，FlexFoil能夠承受－53℃至82℃的溫度範圍，預計使用壽命是普通商業飛機機翼的5倍。這些結果顯示，FlexFoil更實用、輕便且使用壽命長，能夠實際應用於現代商用飛機，在多種飛行條件下展現出頂尖的性能。

ACTE interface componets (representative cross section).

2015年11月， FlexSys 與AviationPartners公司合資經營，向航空公司銷售能夠提高燃油效率的翼梢小翼。為了將FlexFoil商業化，兩家公司聯合組建了一家名為AviationPartnersFlexSys的新公司，計劃於2020年在商用飛機上對FlexFoil進行測試。

2017年，NASA開始了ACTE項目第二輪飛行試驗（ACTE Ⅱ）。第二輪試驗是在加州愛德華茲阿姆斯特朗飛行研究中心進行的，主要內容是在首輪試驗結果基礎上，繼續開展3個方面的研究，包括驗證更大速度時的技術成熟性、研究新型襟翼對阻力的影響、開展柔性變形襟翼的首次動態變形試飛。

Installation of test instrumentation in preparation for installation of the experimental Adaptive Compliant Trailing Edge flap on NASA』s modified G-III Aerodynamic Research aircraft.

Credits: NASA / Ken Ulbrich

據悉，FlexFoil技術一旦成功將有望應用於下一代飛機。航空業專家預測，下一代飛機有可能採用無縫隙設計，機翼和機身將結合在一起。美國波音公司和美國航空航天局已經試驗了具有未來特點的混合機翼飛機，FlexFoil可以轉變成一種非常平穩、安靜和高效的飛行工具。

NASA的新型可變形機翼

2016年，NASA與美多家高校合作研發了一款由增強碳纖維塑料組成的能夠彎曲的可變形機翼。它可以極大地提高飛機飛行的效率，並且減輕機械機構的重量，使之符合空氣動力學原理。除此之外，這個新型機翼會簡化生產製造的過程，並且通過提高機翼的空氣學動力，極大地降低燃油消耗。

這種新的變形機翼由被稱為「數字化材料」的輕質結構片組成。這些輕質結構可以運動，並且具備空氣動力學屬性。所以，即便這個機翼是一塊整合的整體，但是科學家們還是可以通過對小結構件的再組合實現整體的變形。具體而言，科學家可以使用小型驅動電機，在機翼的翼尖施加一個扭轉壓力，如此一來，機翼沿翼展方向就會產生一致的變形。

MADCAT v0 Wing embedded IMUs

該項目由NASA的自適應數字複合航空結構技術（MADCAT）團隊與來自美國麻省理工學院，康奈爾大學，加州大學聖克魯斯分校，加州大學伯克利分校和加州大學戴維斯分校的學生合作研發。

MADCAT項目由Convergent航空解決方案項目下的ARMD轉型航空概念計劃提供資助，為下一代研究人員提供了探索新方法，實現空氣動力學技術的突破性進展。該團隊最近在加利福尼亞莫德斯託附近的遠程測試機場測試了新的變形機翼，並且計划進一步發展機翼並評估其可行性。

目前，研究團隊正在致力於將這種機翼技術率先使用在無人機的製造上。除此之外，這種材料也可以用於機器人元件以及高樓、橋樑等建築結構件的製造。

除美國以外，歐洲也在開展變形機翼技術的研究。大部分主要項目都是在歐盟框架計劃內開展研究，包括CHANGE項目、Novemor項目、SADE項目、SARISTU項目、SMS項目等，這些項目的詳細情況和研究成果將在下期為大家展示，敬請期待！

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