未來科技「可變形機翼」，超材料技術大展身手！
據國外媒體報道，美國國家航空航天局和麻省理工學院合作研究出一種可變形機翼，這種所謂的「超材料」採用輕量級的晶格框架，能夠根據空氣動力自動改變形狀，能夠讓飛機飛行更加節能。
如果你坐在飛機上靠窗的位置，或許能夠看到一側機翼上的襟翼在飛機起飛和降落時抬起或落下。這是因為在飛行的每個階段，理想的機翼參數各不相同。到目前為止，人們只是通過鉸鏈改變剛性機翼的升力特性。但是，美國國家航空航天局和麻省理工學院正在研究如何讓整個機翼改變形狀。
在《智能材料與結構》雜誌上發表的一篇論文中，研究團隊解釋了他們是如何重新設計機翼的。這種機翼的新結構是輕量級的晶格框架，由成千上萬個重複的、類似火柴棍的小三角形支柱組成，表面覆蓋看一層輕薄聚合物。也就是如今最火熱的「超材料」。
實際上，到目前超材料還沒有統一定義。那超材料到底是什麼？我們從其特徵就能做出判斷：
具有新奇人工結構的複合材料；具有常規（或傳統）材料不具備的超常物理性質；超常物理性質主要由新奇的人工結構決定；新奇的人工結構包括單元結構（人工原子和人工分子）和單元結構集合而成的複合結構兩個層次。
那麼我們就聊聊應用於機翼的「超材料」
一、MADCAT項目背景——3年時間從小尺寸原理驗證到大尺寸製造和風洞試驗
MADCAT是在NASA的收斂航空解決方案（CAS）計划下推出的首批項目之一。在CAS計劃支持下，2016年NASA聯合麻省理工學院研製出「積木式」柔性機翼的小尺寸驗證機Madcat V0，其翼展1.32米，展弦比3.81，通過數值模擬、風洞試驗和飛行試驗，完成原理驗證。為了確定這種超輕複合材料積木式結構的設計和製造是否可以從試驗台擴大到全尺寸飛機，NASA艾姆斯研究中心與蘭利研究中心、麻省理工學院、加州大學伯克利分校以及聖克魯斯進行合作，完成了該飛翼模型的設計和製造，目的是驗證積木式結構可以在非常低的質量密度下還具有足夠的強度和剛度，以及可編程組件具有調整結構氣動彈性響應的能力。
二、採用熱塑性材料3D列印製造的「體積元」是積木式飛機結構的基礎
積木式飛機結構內部不再是傳統的離散式的梁肋骨架，而是大量的骨骼狀體積元，體積元用螺栓連接在一起，形成一個類似於細胞的積木式結構，該結構不僅可以承受飛行中的氣動載荷，還可以在氣動載荷下按照特殊的設計產生變形，包括機翼彎度和扭轉角的變化。
積木式結構主要由桁架結構、柔性蒙皮、驅動系統三部分組成。桁架結構由八面體體積元通過微型螺栓連接而成，體積元是由高剛度碳纖維複合材料注塑成形的骨骼狀多面體；柔性蒙皮為聚醯亞胺薄膜，通過螺栓與桁架結構連接；驅動系統主要包括伺服電機和轉向管。轉向管在伺服電機的驅動下帶動桁架結構連續變形，蒙皮用於維持光滑的氣動表面。
體積元材料包括兩種不同的聚醚醯亞胺熱塑性材料：一是具有20％短切玻璃纖維增強材料的Ultem 2200，二是未增強的Ultem 1000。所有的體積元都具有相同的幾何形狀，但使用不同的材料，通過注塑成型來生產，這種工藝流程具有尺寸公差小、機械性能變化不大等優點。
目前，尚沒有在大規模生產的情況下證明積木式飛機結構的成本優勢，但通過此次飛翼模型的製作，展現了其對於提高製造速度的巨大優勢。
三、試驗過程和初步結論——積木式結構可按飛機要求實現定製化設計
為了完成此次試驗，MADCAT項目製造了三個半翼展機翼：其中兩個使用相同的材料，僅使用Ultem 2200增強體積元，每個機翼包含2088個體積元；另一個採用不用的材料，包含1741個增強體積元和347個未增強體積元。此外，每個機翼還包含大約2500個介面部件和300個蒙皮壁板。
具有相同材料體積元結構的機翼被用作具有異質結構（由不同材料體積元拼接而成的結構）模型的基線模型（即試驗對比項）。初步試驗結果顯示，異質結構可以被程序化，即具有可編程性，能夠智能地產生機翼扭轉和增加機翼彎度來提高升力並降低阻力。具體做法是：通過沿展向安裝Ultem 1000體積元來實現扭轉，通過在內翼段下部沿弦向安裝Ultem 1000來降低剛度，從而增加機翼彎度。
四、積木式結構的未來應用方向——變體飛機和空間結構
由於積木式結構柔性機翼通過在飛行過程中連續光滑變形，能有效提升飛機操縱性和經濟性，是未來變體飛機的重要技術方案選擇。NASA稱這種模塊化的機翼結構概念，可用於未來新型轟炸機和高空長航時無人機，或將成為未來飛機提高機動性、降低成本的重要途徑之一。
輕量的可變形機翼引發了人們對理想飛機外形的思考。有了這項技術，我們或許能夠擺脫傳統飛機設計。當然，在萬米高空看到機翼形狀發生變化還存在於理論之中。目前的研究距離商用飛機還有很長一段路要走。與此同時，這種研究成果還具有重新設計其他結構的潛力，比如風力渦輪機的翼狀葉片。
來源：網易科技、國際航空、智能材料與結構、宋剛、材料
TAG:航空製造網 |