互动科普

会拍动的机翼

撰文/Steven Ashley

通常，飞机无论是在空中还是地面上，外观结构都是一样。大多数情况下，机翼都按固定的角度从机身向外伸展，并且足够坚固，因而在飞行时不会移动或扭曲。当然，这也是让飞行员和乘客放心的一种结构特征。

然而，未来几年，将出现一种用于先世飞机的激进式机翼设计，它可能会改变一切。这种所谓的变体机翼(morphing wings)结构十分精密，它可以实现外形和表面结构的重组，以适应监测到的飞行条件变化。这种能力从某些方面模拟了鸟类的飞翔。鸟类飞行时，其翅膀，尾巴和羽毛将根据周围环境变化做出微妙、近乎实时的调整。

变体机翼将调整自身以适应任务，并且在近处游弋。例如，借助其加长、低拖拽式机翼，下一代无人驾驶战斗机可以在潜在目标的上空徘徊几个小时。当需要投下炮弹时，机翼将回扫并且缩短，以便为下一轮快速攻击做好准备。类似地，客机在飞行时也可以转变其机翼，便于省油或者更迅速地抵达目的地。

具备这种灵活性的飞机目前还远未实现，有关的材料和机构还远未到绘图阶段。尽管如此，这类运输机的一个先驱已经处于开发和测试阶段。它利用由相对常规的翼瓣产生的空气动力学力量和飞行控制表面，让比较灵活、重量相对较轻的机翼在飞行时扭转，以便获得最优的飞行效果。这种灵活机翼标志着航空术的一个进步，但从某种意义上说，也可以说是一个倒退。

回顾一下飞机的历史

每位刚开始学骑脚踏车的人首先必须学会让车子平衡，从而让它保持垂直和稳定，无论采取什么机动方式。对于第一批飞行员而言，情况也是一样。

早在威尔伯·莱特和奥维尔·莱特兄弟开始建造滑翔机之前，那些确定脚踏车结构的人就认识到，实现可控制的飞行在很大程度上依赖于找到调节空中横向稳定性的方法。特别是，莱特兄弟需要能够控制翻滚(沿飞机的纵向轴旋转)的方式。只有通过控制翻滚，飞行员才能够保持水平轨线行进，或者让一侧机翼倾斜来实现平稳地转弯。

到1900年，威尔伯·莱特已报道他的观察：“当秃鹰由于风吹而导致身体部分翻转时，它可以通过翅膀末端的扭转来重新获得纵向平衡。”他发现，秃鹰通过扭转一扇翅膀的末梢，将改变它相对于迎面空气的冲角，这可以增加或降低这扇翅膀的升力。这种改变沿整个翼展重新分布了升力的平衡。正如骑手可以通过调整身体重心帮助摇摆不定的脚踏车保持平衡，积极地平衡飞机翼尖的升力是翻滚控制的关键。威尔伯及时地构思出一种精巧的缆索——滑轮机构，它可以跨翼展方向扭转一扇可变形的织物机翼，因而一侧翼尖可以产生较大升力，另一侧产生的升力则较小。这种升力差将使得飞机向升力减小的一侧倾斜。因此，就产生了机翼扭曲操纵(wing warping)的概念。

尽管在随后的数年里，飞行器设计者和工程师仍在继续使用机翼扭曲操纵技术(尤其是在早期的单翼机中，例如Bleriot XI)，但是飞机的飞行速度日益增加，使得他们不得不通过加强机翼结构来抵抗由此产生的应力。僵直的翼间支柱和翼肋意味着机翼太过坚固而难以产生较大幅度的扭转，因此飞机制作者安装了副翼。他们将副翼安置在机翼靠外侧的、机翼后缘的翼瓣。

机翼的可能性

如何保持灵活性

“大黄蜂”项目的管理者将有裂纹的试制品机翼送进储藏库，并且用一种结合了翼肋和更厚、更坚硬的记忆外壳面板的设计取而代之。遗憾的是，这种额外的结构重量降低了飞机的性能。Guffey评论说：“大体上，过去25年来，飞机的机翼结构是比较失败的。”工程师还向原型机中增加了所谓的滚动尾翼(rolling tail)，或称平尾助力器(水平尾翼和升降舵的一种组合)，大多数其他的喷气机也都采用了这种设备，以便在高度动态的压力下提供进一步的滚动控制。

然而，1980年代的一线喷气式战斗机中让人不可接受的东西，如今却成了理想的空气动力学实验平台。AAW研究小组发现，他们可以利用首架F/A-18战斗机软机翼过去的缺点。海军很愿意捐赠这架飞机；那对过于灵活的试制品机翼仍然在，这样就节省了设计新机翼的费用，而且飞机的结构已经经过了飞行测试此外，研究人员还可以从早先的研究计划中获得大量关于F/A-l8的飞行控制信息。最后，F/A-18A采用了机翼合拢机制，因而可以节省航空母舰上的甲板空间，这意味着它具有许多分开的机翼前缘冀瓣，而不是光有一片大副翼。尽管位于标准“大黄蜂”机翼内侧和外侧的前缘翼瓣协调一致地动作，但可以很容易将它们改造为独立地工作——这是以活动式空气弹性变形机翼飞行的一个关键。

用于创建AAW机翼的方法是基于Jan Tulinius在l983年的一个构想，Jan当时是罗克韦尔飞机公司(Rockwell International，后来与波音公司合并)的北美飞机运转部的研究人员。空军AAW项目经理Peter Flick说：“他提出一个概念：既然机翼可以按各种方式扭转，那么为何不让它以对我们有益的方式工作呢?与其去对抗扭转效果，不如对它加以利用。”从1984~1988年，一个研究小组成功地在风洞中验证了该概念的可行性。

对于AAW的推理十分直截了当：首先，刚性机翼比可变形机翼的质量要大，因为必须采用额外的加强结构来对它加固。其次，相对于比较小的常规副翼，一扇完全可变形的机翼能够提供大得多的表面积以偏转气流，从而产生滚动力。通过利用空气流场中可获得的能量来同时控制扭转和机翼的弧高，研究小组成员认为他们可以达到更好的性能。由于这种机翼需要更少的运动部件来控制飞行，因此可以做得更细、更轻、并且更具有空气动力学效率，从而允许飞机在更大范围的有效载荷和燃料效率下飞行。令人惊讶的是，据研究人员宣称，AAW机翼在机动期间，其实际的总体扭转可以少于常规机翼。

对重量减轻的估计是鼓舞人心的。一项设计练习表明，空气弹性变形机翼将使得未来的亚音速战斗机(飞行速度接近声速)重量削减7-10％，或者使高级超音速战斗机的重量减少18％之多。研究人员还认为，AAW概念可以完全排除拖拽诱导(drag-inducing)和雷达反射(radar-reflecting)的飞机尾翼表面，因为他们的功能可以由机翼来完成。

机翼扭转的难度与实现

在NASA的德莱顿中心经过了为期三年的重新改造和地面测试之后，修补后的“大黄蜂”又开始首次飞行。波音公司“幽灵工厂”的技术人员修改了F/A-18A测试飞机，换上了附加致动器、一种机翼前缘翼瓣和较薄的机翼外壳，这使得外侧翼片可以扭转5度(远远大干常规情形)。

Guffey认为，现代机翼扭曲操纵成功的关键是，确保紧密监视并迅速消除机械应力。他说：“我们在机翼和机身安装了数百个传感器，这样就能监视飞机在飞行时的所有结构载荷。通过使用操纵面(翼瓣、副翼等)，我们可以重新分布由于扭转造成的机翼载荷，不让它产生超负荷。”如果没有载荷缓和措施，时间久了，机翼结构会由于材料疲劳而损坏。

据NASA的AAW项目经理Larry Myers解释，今年年初完成的初步数据采集飞行，使得工程师能够建立控制规则，以便利用机翼的空气弹性变形。他说：“一个接一个地，我们逐个评估了每个表面的活动效果。”研究小组成员测量了机翼的性能，以及偏转水平产生的结构反应。“例如对于机翼前缘翼瓣，我们测试了偏转正3度(向上)和负3度(向下)的情形。”然后，熟练的飞行员驾驶实验飞机经过了一系列空中混战式机动飞行，以便考验该技术。

NASA的AAW首席工程师David Vorcek告诉我们，通过仔细测量在试飞期间观测到的空气弹性变形载荷以及机动性效果，AAW工程师现在可以建立与可变形机翼相关联的动力学现象的数字模型。他解释说，有了这些数据，他们就能够开发适当的控制规则，以及快速动作、计算机化的飞行控制，以避免反向效应并且产生有益的效果。

另一种可能性是采用积极的反馈来抑制机翼颤动。

未来机翼的形状

一项投资2500万美圆的研发项目的目标就是针对这种技术，该项目由美国国防部高级研究计划署(DARPA)赞助(NASA和德国航空中心也在进行类似的研究工作)。各种类型的材料被发现可以从内部弯曲机翼，而不是依赖于外部空气。其中包括可以对温度变化做出反应的形状记忆合金，以及压电体、电活化和磁致伸缩材料，它们会由于磁场和电流的应用而收缩或膨胀[参见本期《聚合物人造肌肉》一文]。研究人员警告，这些技术还不是很成熟，因此尚不足以依赖。

DARPA的项目经理们预想的几何调整尺度包括，200％的纵横比(机翼面积除以翼展再取平方)变化，50％的机翼表面积变化，5度的机翼扭转，以及20度的翼扫(Wing sweep)(机翼对机身的角度)变化。此外，DARPA希望，适应性机翼机构的子系统和元件将在2004年底之前被结合到原型机中，以准备随后的风洞测试。

之所以在飞机中使用可变形机翼而不是传统的飞行操纵面，优点之一就是翼瓣等可以成为大的雷达反射体。例如，雷达躲避型B-2“幽灵”(Spirit)战机使用分离的机翼后缘翼瓣来控制，只有当它们展开时，才会暴露轰炸机的秘密特性。

像鸟一样展开翅膀

美国三家主要承包商洛克希德·马丁公司(Lockheed Martin)、雷锡恩导弹系统公司(Raytheon Missile Systems)和基于加州托兰斯的NextGen航空技术公司(NextGen Aeronautics)，以及几个基于大学的研究项目，正在致力于变体机翼技术。洛克希德·马丁正在开发一种用于完成空军任务的、配有折叠式机翼的无人驾驶飞行器(UAV)；雷锡恩导弹系统公司计划则集中研究配有压缩机翼(telescoping wings)的海军战斧式(Tomahawk)巡航导弹。NextGen的研究具有更通用的目标，他们以一架Northrop Grumman Firebee无人驾驶飞机作为基础设计平台。

NextGen公司总裁Jayanth Kudva介绍说：“我们正在研究能够改变机翼面积的技术，并且将低拖拽、高纵横比的机翼改造成某种能够保持高机动性的东西。我们计划缩拢机翼，然后再展开，这样可以减少机翼面积。”[参看36页图示]

尽管NextGen的研究人员正在考虑多种设计概念以完成这种飞行改变，Kudva声称公司“延伸和扩展机翼的更加有机的方式，还存在一些技术障碍。”这包括为机翼开发一种可变形的外壳，其表面积必须能够平稳地按照需要变化；一种能够传送载荷并且可以按要求膨胀或收缩的非传统子结构；一种分布式致动器系统；以及一种合适的控制系统。

他补充说：“如果我们成功地解决这些问题，那么就可能抛弃常规的操纵面，转而采用微分面积变化来控制飞机，这样可以补偿由于增加新机构所带来的重量缺陷。”对于滚动机动控制，你可以略微展开某一侧的机翼面积，让该侧获得更大的升力，从而实现飞机滚动。

Kudva得出结论：“尽管带有一定偏见，我希望在十年左右的时间内，会有一种配备有基本变体机翼的无人驾驶飞机(UAV)走出生产线。”此后，配有变体机翼的客机很快也会出现。如果真是这样，经过一个世纪多一点的时间，模仿鸟类的载人飞行等于兜了整整一个圆圈。

[柯江华/译 李子/校]