【深度】智能變形飛行器進展及關鍵技術研究

像鳥兒一樣靈活自由的飛翔，一直是人類夢寐以求的理想。人類很早就認識到鳥兒可以根據飛行狀態適時調整飛行姿態，以最佳效率完成滑翔、盤旋、攻擊等動作。隨著飛行器設計對於高機動性、高飛行效率和多任務適應能力等綜合設計需求的不斷提高，像鳥兒一樣高效靈活的智能變形飛行器研究逐漸成為學術界和工程界的研究熱點。

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，使飛行器能夠實時適應多種任務需求，並在多種飛行環境保持效率和性能最優。由此可見，智能變形飛行器是一種具有飛行自適應能力的新概念飛行器，其研究涉及非定常氣動力、時變結構力學、氣動伺服彈性力學、智能材料與結構力學、非線性系統動力學、智能感知與控制科學等多個學科前沿和熱點，代表了未來先進飛行器的一種發展方向。智能變形飛行器具有巨大的應用前景，以美國航空航天局設想的未來智能變形飛機為例，通過新型智能材料、作動器、感測器和控制系統的綜合運用，飛機可以隨著外界環境變化，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，更能提高舒適性並降低成本。

美國航空航天局設想的未來智能變體飛機概念

正是因為其巨大優勢和應用潛能，國內外湧現出了多種多樣的智能變形設計理念和嘗試，比如自適應機翼、主動柔性機翼、主動氣動彈性機翼、智能機翼、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展進行了歸類和總結，詳細介紹了機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類型，提煉了智能變形機翼實現的幾項關鍵技術，通過本文介紹可對智能變形飛行器的設計思路及關鍵技術有更加豐富的認識和了解。

變形機翼的分類與進展

機翼平面形狀合理改變可改善飛行器的氣動性能。下表列出了機翼參數變化對氣動性能的影響，可以看出，通過合理改變機翼形狀參數，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。由於機翼形狀參數帶來的影響多樣，機翼變形的設計方式也多種多樣。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。

機翼參數對氣動性能的影響

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變展長

展長伸縮是最簡單直接的機翼變形方式。展長變化有如下的優點：增大變形飛行器的機翼展長，相當於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；機翼在停放時收縮，可顯著減小飛行器的佔用面積；當兩側機翼展長不同時，左右升力不對稱造成的滾轉力矩，可便于飛行器的橫航向操縱。

早在1929年，美國設計師Vinent就首次提出了變展長機翼的設計思想，並成功製作試飛了GX-3驗證機。1931年，俄國科學家Makhonine設計製作了MAK-10飛機，其展長可從13米增大到21米，改變數超過60%。1947年出現的MAK-123飛機和1972年出現的FS-29飛機均屬於變展長飛機，但由於早期的變形機構均過於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計理念。2003年美國國防預防研究計劃局實施的變形飛機結構項目(MAS)中，伸縮翼就是三種主變形方案之一（其餘為摺疊機翼與滑動蒙皮機翼，後文詳述），該設計以「戰斧」巡航導彈為對象，巡航飛行時機翼展開獲取最大升力、高速俯衝時翼面收縮提高機動性，但由於翼載荷太大、機翼太薄，伸縮機構無法安置，計劃未能推廣。西北工業大學的王江華等人對伸縮翼巡航導彈的氣動外形進行了優化研究，研究表明，伸縮翼設計可使導彈燃料消耗減少12％，明顯提升導彈性能。2007年，馬里蘭大學的Julie等人以充氣伸縮粱當作驅動機構，通過機翼伸縮改變升力和控制滾轉，並進行了風洞試驗，經試驗其展弦比可最大變化230%，升阻比最大可到16，但蒙皮偏軟產生的寄生阻力使氣動性能受一定影響。

總體看來，變展長機翼仍需解決伸縮機構的結構減重設計、適應高速飛行的機翼降厚度設計、彈性蒙皮的連續密封性設計等一系列問題，距離工程應用仍有一定距離。

2

變弦長

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

變弦長理念的最典型應用就是傳統飛機的襟副翼設計，通過絲桿機構驅動襟副翼弦向變形可以顯著改善飛機的起降性能及滾轉機動性。對於飛機翼面本身，由於存在梁架、油箱等設備干擾或翼型較小、空間不足等問題，變弦長設計的難度很大，國內外相關研究也相對較少。早在1937年，俄國科學家Bakashaev就設計並製作了第一架變弦長飛機RK-1，飛機通過6個弦向可伸縮的相互疊加的機身實現弦長改變，其初代飛機翼面積變化為44%、改進型變化高達135%，驗證了通過伸縮機構改變弦長的可行性。

近年來，以美國CRG公司為代表的科技公司，通過使用複合材料及智能材料重新開展變弦長機翼研究。2004年，CRG公司的Perkins等人將壓縮比高達400%的形狀記憶合金材料用於變弦長設計，實驗表明材料經過加熱可以達到預期變形量，但由於形狀記憶合金不穩定，冷卻后無法恢復至原始形態。2005年，CRG公司的Reed等人設計了一種翼肋相互穿插的變弦長機翼，在直流電機和導桿的驅動下，機翼面積可以增大將近80%，但是該設計同樣存在機構複雜、表皮材料恢復力太低難以回到變形初始狀態的問題。2011年，賓夕法尼亞州立大學的Barbarino等人將可壓縮的蜂窩細胞結構應用在直升機葉片的弦向變形設計中，變形蜂窩結構可經受循環驅動、其弦向變形可增大30%左右，此外，值得一提的是設計者通過對柔性蒙皮預拉伸保證了機翼表面的連續光滑性。

在形狀記憶合金和複合材料蜂窩結構等新材料新技術的推動下，近年來湧現出了較多的變弦長機翼概念，但面向工程應用，這些新材料的性能穩定性仍有待提升。

3

變厚度

變厚度設計是指在不引起機翼形狀明顯變化的前提下調整機翼的輪廓線，是一種微幅變形設計。機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、控制轉捩位置、控制激波從而降低波阻和抑制抖振等優點。

早在1992年，美國的Austin等人就設計了一種基於桁架結構的變厚度機翼，設計者在桁架上布置線位移驅動器，通過激勵驅動器，可以調節桁架上各條支杆的長度，從而達到調整翼型厚度、優化氣動效率的目的。近年來，加拿大國家研究中心進行了一系列變厚度機翼的理論研究及試驗驗證工作。2007年，該中心的Coutu等人設計了一種自適應變厚度機翼，機翼由剛體部分、柔性蒙皮和安裝在機翼內部的驅動器構成，機翼蒙皮採用碳纖維複合材料製作，具有良好的柔性和足夠的支撐剛度，在驅動器的激勵下機翼厚度產生變化，並有效提高了機翼的層流效應。2008年，該中心的Andrei等人在機翼上表面厚度方向設計激勵裝置，通過對17種不同翼型外形進行數值模擬，均得到轉捩位置向後延遲的結論，證明周期性驅動激勵可應用於轉捩控制中。2009年，在Andrei的研究基礎上Grigorie設計了一個用於變形控制的自適應神經模糊控制器，控制器根據壓力感測器採集的翼型表面壓力，計算參考翼型與優化翼型之間的壓力變化，首次實現了壓力變化和轉捩位置的直接關聯。此外，2009年，英國布里斯托爾大學的Stephen等人採用壓電材料作為驅動器，安裝在機翼蒙皮上表面，通電后驅動器產生固定頻率振動，從而改變蒙皮表面的邊界層流動，風洞試驗表明該驅動方法可使機翼阻力降低、升力提高。

變厚度機翼設計，通過對翼型進行微小改變，就可實現調節流場流動、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展，必將在未來工程應用中產生更多的應用嘗試和更大的經濟價值。

4

變后掠

低速飛行時小後掠角有助於提升機翼的效率，高速飛行時大後掠角有助於降低波阻，不同飛行狀態後掠角自主變化，成為兼顧高低速不同氣動性能的最有效手段。正因為此，變后掠技術也成為最早成熟應用於型號的改變機翼形狀技術。

自上世紀40年代至70年代，變后掠技術已成功應用於多種戰鬥機和轟炸機，如：米格-23、F-14、狂風、B-1B轟炸機等。但早期的變后掠技術因機構及操縱複雜、故障率高、維護困難，且限制了飛機載荷、外型、隱身等性能的提高，逐漸被雙三角設計、鴨翼、大邊條設計、翼身融合技術所取代。

進入21世紀，隨著新材料新技術的發展與運用，變后掠飛行器性能也得到發展和提高。2004年，弗吉尼亞理工大學的Neal等人設計了一種可自適應變形的無人機模型，除了機翼展長能改變17%、機身尾部能壓縮12%、機翼能夠扭轉20°以外，該無人機的後掠角能夠從0°變化到40°，風洞實驗驗證了無人機模型在多種變形形式下的有效性。2006年，佛羅里達大學的Grant等人通過研究海鷗的飛行姿態，設計了一種多節點變后掠微小型飛行器，飛行器機翼的內外翼兩部分具有獨立的變后掠機構，模擬顯示其具有很好的轉向能力和抗側風能力。2013年航天空氣動力技術研究院的陳錢等人對飛機外翼段大尺度剪切式變后掠方式進行了設計與分析，並通過風洞試驗驗證變后掠機翼在蒙皮、結構、驅動、控制等方面滿足氣動特性研究需求，準定常氣動特性曲線顯示出變后掠機翼的較大氣動效益。

最值得一提的是美國NextGen公司針對MAS項目設計的滑動蒙皮變后掠飛機MFX-1，與傳統的機翼埋入機身的變后掠方式不同，該飛機的弦長增減可獨立於後掠角而改變。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%、後掠角從15°改變到35°，且整個過程不超過15s，試驗結果成功證實了飛行器在飛行過程中大面積改變機翼形狀的可行性，在變形飛行器的工程應用上具有很強的指導意義。

5

變彎度

機翼產生升力的最基礎要素是彎度，改變彎度可以有效地控制機翼表面的氣流分離情況，可顯著提高飛行器的飛行機動性能，尤其是對於通常處於低雷諾數飛行條件下、性能主要取決於層流邊界層流動的低速飛行器。

國內外對變彎度機翼已經開展了許多研究，如1981年任務自適應機翼(MAW)項目中的機械鉸鏈式變彎度機翼、1992年Powers等人在F-111戰鬥機上安裝的機械式變彎曲機翼和2004年馬里蘭大學的Poonsong等人設計的機械式多關節變彎度機翼。由於機械結構複雜和質量笨重，大多數的變彎度機翼都沒有得到推廣。

近年來，智能材料和先進位造工藝的發展為變彎度機翼提供了良好的材料和技術基礎。2003年，弗吉尼亞大學的Elzey等人設計了一種形狀記憶合金驅動的鏈環式變彎度機翼，在機翼截面內產生很大的彎曲變形。2009年，德州農工大學的Peel等人自製了通過對中央翼盒內的氣袋加壓驅動機翼前後緣變形的機構，經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。2011年，瑞士結構科技中心的Hasse等人提出了「帶肋結構」的概念，並應用於變形機翼設計，設計者通過採用分散式柔性帶肋結構代替了傳統的鉸鏈結構，具有幾何變形大、承載能力高和重量輕等優點，地面試驗表明，帶肋結構設計可實現翼型從NACA0012到NACA2412之間自主變化。2015年，美國空軍實驗室的James等人設計了基於「順從機構」的保形翼面，順從機構可將智能材料的作動位移放大並傳遞給前後緣，使翼面操控需要的能量更低，去掉操縱面還使機翼的重量減輕、成本也更低，其試驗模型展長為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，義大利的Alessandro等人設計了基於「非對稱結構」的保形機翼，其設計思路與「順從機構」相似，也是設計巧妙的傳力機構，將作動位移放大傳遞至前後緣，該設計可有效避免變形產生的局部應力，設計者通過地面試驗證明了非對稱蜂窩結構自主變形的先進性，並分析了結構的典型失效形式及大變形引起的強非線性響應問題。2015年，英國斯旺西大學的Benjimin等人在生物學的啟發下提出了「魚骨主動彎曲變形」的概念，利用魚骨結構減小翼型的弦向剛度，實現翼型變彎度控制，風洞試驗表明，相同試驗條件下，變形翼相對傳統機翼的升阻比可提升20%~25%，該概念可應用於固定翼、直升機、風力機以及潮汐泵的葉片設計。2016年，瑞士複合材料及自適應結構實驗室的Francesco等人設計了可代替副翼的「增強褶皺蒙皮」機翼，在電流作用下后緣的褶皺蒙皮可伸縮變形並推動尾部上下彎曲，風洞試驗表明該設計可提供高頻滾轉控制力有效替代副翼功能，此外，由於機翼的形狀連續該設計可顯著減小零升阻力。

目前，國外對變彎度機翼的研究相當重視，伴隨著智能材料的發展湧現出了多種多樣的設計理念。基於變彎度的保形翼面設計，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置不同彎度實現翼面的翹曲、控制飛行器的滾轉機動，可有效代替襟副翼等控制面，具有較高的應用價值和工程可實現性。

變形機翼的關鍵技術

根據以上介紹可知，雖然機翼變形的方式多種多樣，但是所有變形機翼都離不開大尺度光滑連續的柔性蒙皮結構、輕質高效的變形驅動系統和快速靈敏的感測控制系統。因此，實現機翼變形的關鍵技術可以歸為以下幾類：

光滑連續的柔性蒙皮技術

變形機翼與常規機翼相比對蒙皮結構提出了新的要求，即蒙皮不僅要保持常規蒙皮重量輕、在面法向剛度大、可以承受並傳遞氣動載荷的特點，同時還要具備足夠的光滑連續性和大尺度變形特性。因此，將傳統材料和新型材料相結合，在結構設計上進行創新，設計重量、變形能力和承載能力滿足變形方案的柔性蒙皮結構，是未來智能變形飛行器設計的一項重要挑戰。

輕質高效能的變形驅動控制技術

變形機翼的驅動及控制也是智能變形飛行器設計的關鍵技術之一。智能變形飛行器的驅動裝置應具備重量輕、分散式、高效能、響應快、低能耗、易控制等特點。傳統的電機和液壓驅動方式過於笨重而複雜難以適應設計需求，基於智能材料的新型驅動裝置應作為後續發展的重點，比如磁致伸縮驅動器、壓電陶瓷驅動器和形狀記憶材料驅動器等。

適應大變形的分散式感測網路技術

結構智能變形需要實時檢測並感知周圍環境與自身狀態的變化，這就需要機翼上布滿可感知各種信息的感測元件，並構成一個分散式的多感測網路系統。感測元件不僅要保證足夠的精度和快速響應特性，還必須適應智能變形飛行器大位移大應變的運動特點，這對感測元件和感測網路提出了新的要求，也是未來面臨的挑戰之一。

智能變形飛行器設計是一項在民用和軍用飛行器領域都有廣泛應用前景的新技術，可推動新型智能材料、仿生設計、結構優化設計、先進感測技術、多信息融合技術等學科領域的發展，對未來新概念飛行器的預研和技術儲備具有深遠的意義。本文對智能變形技術的總結歸納，可以為智能變形飛行器領域的設計發展提供相應的參考。

作者：許雲濤

本文選自《戰術導彈技術》2017年第2期

《戰術導彈技術》由航天科工集團公司主管，航天科工飛航技術研究院主辦，北京海鷹科技情報研究所承辦，是為導彈的研究、設計、製造、試驗、使用等服務的學術期刊。刊物創刊於1980年、雙月刊、是「中文核心期刊」，國內外公開發行。刊物主要刊登導彈和導彈武器系統總體技術，任務規劃技術，推進技術，制導、導航與控制技術等方面的學術論文。

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