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未来的飞机会用上弹性的机翼

时间: 2016年10月20日 | 作者: Sridhar Kota | 来源: IEEE
弹性机翼除了可以有效地降低飞机噪声和油耗,也更结实可靠。

100年前,第一批航空业的先驱者发现了带有襟翼的刚性飞机机翼可以有效地增加升力,从而将飞机送上天空,这是人类历史上值得铭记的伟大进步,同时也开启了交通运输业的新时代。飞机和基于这个发现扩展出航空产业,是目前世界上最大规模的产业之一,整个航空运输业每年的营收甚至超过7000亿美金。

 

然而,在商业航空运输的运营成本中,燃油费用占据了整整四分之一,使这一行业利润微薄。尽管营收金额巨大,但每年实际利润却只有390亿美金左右。现代飞机的机翼和发动机技术已经非常成熟,要想在这两个方面提高效能来节省开支,难度可想而知。

 

还好,我们有另一个办法,在飞行的过程中改变机翼的形状。几十年来,航空公司、高等院校和国防军事科技实验室的工程师、科学家们都在研究可弯折的飞机机翼,他们的目标是制造出可以根据飞行环境的变化快速且精确地调整自身形状的机翼,从而提高飞机的燃油效率。利用这些新型机翼,飞机设计师可以使他们的飞机在不同的飞行速度、飞行高度、大气温度和其他飞行条件下得到更高的升阻比,即提高飞机的气动效率(aerodynamic efficiency)。

 

虽然这是当代的研究项目,但在历史上也有类似的先例。1905年,Orville Wright(莱特兄弟中的弟弟)驾驶着他们兄弟俩发明的飞机飞上了天空,他操纵飞机的方式,是头朝下俯卧于安装在飞机机翼上的马鞍上的,通过连接在臀部的摇架来牵动与机翼相连的缆线,使由织布和木质支架构成的机翼发生弯曲,从而改变飞行方向。不久之后,随着飞机重量的增加,工程师们采用刚性的机翼替代织布制成的柔性机翼,利用襟翼和副翼来控制飞行方向,而是这种材料几乎无法灵活变形。

 

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【图注】在未来,可变形的机翼可以根据不同的飞行环境,调节飞机的升阻比(lift-to-drag ratio),同时,可控的柔性机翼表面将会在未来3年内进行现代商用化测试。

 

数十年之后,在二十世纪八十年代中期,美国空军试验了波音公司制造的安装在F-111战机上的多任务自适应机翼(Mission Adaptive Wing)。自动控制系统根据飞行环境和特定要求改变机翼表面薄膜材料的形状,从而调节机翼的弧度,可以在超音速飞行中将空气阻力降低20%。但是,这种技术增添的重量和能耗使得飞机的总能耗增加了。从1996年到2005年,美国空军和NASA合作开发了一种主动气动弹性机翼,它利用飞行过程中机翼周围的气流使得机翼自主发生弯曲,可以在高速飞行中更好地控制侧滚。但是这种技术只是针对战斗机的,因此项目最终失去了各方的支持。

 

自此之后,柔性机翼的概念逐渐成熟。我们在最近的试验中成功研制出了一种可变形机翼表面材料,利用这种技术,将湾流III喷气式客机上带有襟翼的机翼替换为可变形机翼,可以有效降低空气阻力,使燃油效率提升12%。在飞行试验中,可变形的机翼表面通过调节机翼后缘的弧度,实现最高的升阻比,而目前飞机机翼上的襟翼,只在起飞和降落时分别提高升力和阻力。除了可以节省燃油,NASA和其他研究人员的结果也显示,这样可变形的表面还能降低飞机降落过程中产生的噪声,减少飞行过程中的颠簸。

 

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【图注】NASA和美国空军改装翻新了这架带有FlexFoil可变形机翼的湾流III喷气式飞机,从2004年起,NASA位于加州Edwards的阿姆斯特朗飞行研究中心(Armstrong FlightResearch Center)对这种方案进行了22次飞行试验。

 

飞机机翼后缘的可变形表面有助于提高燃油效率、降低噪声并减少飞行中的颠簸。这样的可变形表面可以完全替代传统机翼上的襟翼,在全新设计制造的飞机上使用,当然,也能用于改造正在使用的商用飞机。

 

柔性机翼解决了固定刚性机翼不能解决的问题。飞机在面对不同的飞行状况时,需要不同的升阻比。一般来说,飞行员的目标是尽可能地降低空气阻力来节省燃油,但是,飞机的机翼形状,包括相关的各种设计参数,只是在某一种特定飞行环境下能够实现最小阻力,这往往取决于在设计中所预计的飞机重量、飞行速度和高度,以及航程。而襟翼和其他控制部件只能在相对有限的角度内进行调节,所能带来的改善比较有限。

 

 与传统的机翼不同。表面可变形的机翼可以在更广的范围改变机翼的形状,从而在更多的飞行环境中实现最低的空气阻力,这在商用航空中从来没有实现过的。针对这项技术的最新研究成果,我们将会通过改装和翻新应用在目前正在使用的飞机的机翼后缘、与襟翼共同工作,或者是直接替代襟翼。如果一切顺利,我们将在一架民航客机上试验这一技术,时间就在三年以内。

 

最初激发我们想到柔性机翼的,是上世纪90年代初期的一次经历,那是一个雨天,我刚好驾车外出,发现雨刮器的形状并不与弧形的挡风玻璃相贴合。这让我意识到即使是在设计一个雨刮器时,设计人员也只是采用了直线设计,或者是将一段段的直线连接起来,组成一个近似的曲线。

 

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【图注】高效飞行:在起飞过程中,FlexFoil机翼可以弯曲高达40度的角度来实现最大的升阻比。而在巡航阶段,这种机翼会逐渐地降低其弧度来节省燃料。当遇到湍流的时候,FlexFoil机翼可以迅速地弯折,改变形状来重新分配飞机的负载重量。比如说,在某种情况下,飞行控制系统会自动地抬升机翼的一侧同时拉低另一侧。

 

于是我开始考虑有哪些东西可以通过改变形状来提升效用。前不久,我刚好参与过一个关于飞机机翼设计的课题,我了解到,航空专业的设计师们通常预设飞机机翼不会形变。现在,如果这把这些机翼变成无缝衔接的可变形机翼,那将在多种飞行环境中提升燃油效率。

 

传统机翼一般由相对固定的刚性整体结构和一些可移动的控制部件组成,比如说襟翼、副翼和扰流板等。襟翼,是位于机翼后缘的镶板,通过改变其与机翼主体的角度,在起飞和降落这样的低速情况下提供额外的升力。副翼,位于机翼末端的后缘,两侧机翼各有一个,将一侧副翼抬升,将另一侧副翼拉低,就可以控制飞机作横滚转向。扰流板,位于机翼上方,竖起扰流板可以提供额外的阻力从而加速飞机的下降。

 

尽管这些控制部件工作良好,但是它们只能旋转不能改变形状,而且在之前的机型中,襟翼通常是不存在的,因为它们与机翼之间的连接存在很多缝隙,这会增加阻力。虽然一些现代新型客机允许飞行员在巡航阶段调整襟翼和副翼的角度来减小空气阻力,但是在更高的温度、高度和风速等条件下,飞行员依然无法利用传统机翼上的这些控制部件使他们驾驶的飞机达到最高的气动效率。这就像在骑车上山时设定了错误的档位,虽然依然可以到达目的地,但是多花费了不少力气。

 

一架能换挡的飞机,也就是可以根据不同飞行环境调整机翼表面形状来达到最佳升阻比的飞机。为了理解这一点,首先要明白飞机的升力从何而来。标准的飞机机翼,其上表面的弧度要大于下表面,因此当气流遇到机翼,更多的空气倾向于从下方通过,从而产生了升力。弯曲的上表面将空气引导至机翼下方,因此上表面的弧度越大,产生的升力越大,所以从某种意义上来说,增加机翼上表面的弧度可以提高飞机的升阻比。

 

不同飞机的重量、飞行高度、飞行速度都不同,对于每架飞机,都有一个最理想的机翼弧度来达到所需的升力,同时将阻力降至最低。但是大部分的气动试验和研究都只是在某种特定飞行条件下实现了最佳的效能,因此这些研究结果对于实际应用来说意义不大。

 

与带有襟翼的刚性机翼不同,可变形的柔性机翼可以轻松地改变其形状从而在飞行过程中降低阻力,实际上,与固定机翼相比,弹性机翼可以应对更多的飞行条件,可以更加精确地控制飞机的升阻比,满足越来越丰富的飞行需求。如果弹性机翼部分可以和其他的刚性部分完美结合,那就不会因为多出来的连接增加阻力了。

 

能够在飞行过程中改变自身形状的机翼,使得设计人员可以根据飞机在不同的特定条件下所需的升力来优化可能遇到的空气阻力。比如说,随着飞机飞行距离的增加,消耗掉的燃油使得飞机总重量下降,因此飞机所需的升力就会逐渐降低。如今,飞行员通过改变飞机的攻角(attack angle),也就是飞机机翼与迎面而来的气流之间的夹角,来应对飞机总重量的变化。而可变形的弹性机翼,则可以简单地通过改变机翼后缘的表面形状,在整个飞行过程中以最理想的机翼弧度实现最佳的效能。

 

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【图注】为了将空气阻力降到最低,FlexFoil机翼的后缘有网状的连接结构,使得弹性机翼部分能够进行大角度的弯折。

 

由于航空规则严格限制飞机的飞行速度和高度,飞机应该适应不同的飞行环境。例如,美国联邦航空局(Federal Aviation Administration)规定向北和向东的航线的飞行高度均为奇数(比如31000英尺),而向南和向西的航线飞行高度则都是偶数。因此飞机在某一高度和速度下总是无法达到最佳的气动效率,而弹性机翼就可以做到这一点,实现更高的效率。

 

除了降低阻力,可变形弹性机翼的另一大优点尤其会受到乘客们的欢迎和赞赏,它们可以抑制机身遇到湍流发生的颠簸。这可以简单地通过调节机翼后缘的弯折角度来实现,改变机翼后缘的形状,从而降低湍流导致的多余负载,减小传导至机身的晃动,这样的调节机制可以利用一套精密的飞行控制系统来完成。

 

早在1994年,当我最初构想这种弹性机翼时,并没有任何航空工程学的背景,也不知道在这之前已经有许多失败的案例,后来才知道,那些失败的设计方案往往都是集合了成百上千的部件和电机的复杂结构。

 

从一开始,我就坚定地认为设计出来的结构应该既有足够的强度,又有足够的弹性,没有任何的连接部件,整个结构就是一块完整的材料。加上一两个电机的驱动,它就应该能完成在复杂多变的空气动力学环境中高速飞行所需的一切功能。

 

那时,我还只是在闲暇时间研究这个项目,没有任何额外的经费可以使用。在完成初步的设计方案后不久,我在一篇杂志报道中得知美国军方最近正在俄亥俄州Dayton的Wright-Patterson空军基地研究可变形机翼。随后我就前往基地向基地的研究团队展示了自己的设计方案。1998年,Wright-Patterson空军研究实验室向我提供了10万美金经费,资助我进行一项可变形机翼的可行性研究。当时我还不知道在接下来的18年内,美国政府将为这个技术概念投资超过5000万研发资金,其中包括在风洞中和在实际飞行中的研究。最开始的时候,我将第一笔来自Wright-Patterson空军基地的经费用在了设计和制造一个塑料机翼模型上,然后,又租用了密歇根大学的一个风洞做试验。这个原始模型在风洞试验中表现良好而稳定。在2001年,美国空军又与我签订了另一份合同,投入更多的资金来设计制造一个更大的原型,从而在更高的速度下的进行试验。

 

在很多试验中,考虑到安全因素,我们在飞机的底部悬挂了127厘米长的铝制FlexFoil弹性机翼,而不是直接将其粘附在机翼上。试验时,我们可以远程控制机翼的弧度和形状,利用安装在机翼上的压力传感器和热传感器实时监控机翼的状态,从而得到飞机升力和阻力的数据。

 

2006年夏天,WhiteKnight飞机在Mojave沙漠进行了多轮试验,我们发现,FlexFoil在气压、温度等外部条件变化的情况下可以有效地降低空气阻力,同时我们还发现,从起飞到飞行一直到降落的全过程中,FlexFoil都可以在给定升力的情况下减小阻力,而NASA的另一项研究表明,在给定阻力的情况下,利用FlexFoil可以将升力提升10%。

 

而最好的消息在于,测试数据显示,如果将FlexFoil安装在新型飞机的襟翼上,可以将燃油效率提升8%~12%,如果是对现有飞机进行改装,将FlexFoil安装在襟翼的后缘,也可以提高3%的效率。相比之下,最近在新型飞机应用的翼梢小翼(winglet),一对就需要至少100万美金,对燃油效率的提升却只有4~5%。

 

2009年,在这样的研究成果的鼓舞下,Wright-Patterson基地的空军实验室和NASA请求我们改装一架湾流III飞机。这一次,我们将直接在飞机机翼上安装FlexFoil,而不是把它挂在机翼下方。

 

因此,我们制造了一个全新的机翼原型,用7米宽的FlexFoil替代了原有的襟翼,包裹在机翼后缘,这样的方案和在新飞机上的安装方案是类似的。

 

这个机翼原型是由常用的航空级别材料制成,比如说铝合金、铝复合材料等。我们使用自己团队开发的工具和算法进行设计,这使我们可以将弯曲和笔直的横条结合起来,形成一个类似弓型的结构,当这个结构在飞行过程中遇到气流冲击时,就会像拉动弓弦压迫弓臂弯曲一样,使得弹性机翼产生变形。这样的结构就是FlexFoil弹性机翼的内部框架,在机翼的某一点施加作用力,整个机翼表面就会发生形变,至于形变量,则依赖于施加作用力的强度和具体位置。最终制成的可控机翼表面结构重约110千克,和原有的襟翼和相应导轨的重量差不多。

 

在机翼的上下两面,弹性胶形成的弹性机械结构将FlexFoil和机翼主体连接起来,不需要额外的连接部件,就可以使FlexFoil机翼变形之后依然能和机翼主体牢固地结合在一起。

 

NASA的声学专家预测,这样的无缝连接结构能够使FlexFoil弹性机翼相比普通的机翼在着陆过程中降低40%左右的噪声。最近,他们还会用具体验证这个推测。机体噪声(airframe noise),就是飞机在着陆过程中,空气从机翼和襟翼的缝隙中飞速流过产生的巨大噪声,在着陆过程中,音量超过了引擎产生的噪声。

 

在传统的带襟翼机翼技术中,襟翼由一对液压缸(hydraulic cylinder)驱动,为了简化工程技术上的问题,我们的新型机翼也采用液压缸进行控制。但是,如果我们的新型机翼得以商用,飞行控制系统只需要操纵安装在左右机翼上的两台电动马达即可,如果要实现弯曲FlexFoil的功能,则一边机翼就需要两台电动马达(一台在一侧牵拉,另一台在另一侧推斥)。这些马达在传统飞机的机翼中就有,所以这样的设计方案不会需要很多额外的测试,而如果我们的设计方案需要引入新的能源和设备,情况就不会那么简单了。

 

在空军方面邀请我们改装湾流III飞机5年之后,我们的工作完成了,包括设计、改装、地面测试和首次试飞前的准备工作。FlexFoil和装着FlexFoil弹性机翼的飞机再一次接受NASA的检验,测试它在高风速、低气温和气压突变等情况下的表现。为了得到精确完整的数据,在FlexFoil机翼部分就安装了多达112个应变片(strain gauge)、60个加速度计和不计其数的传感器,这些设备收集着机翼上4300个位置的飞行状态相关的数据和信息。

 

2014年11月6日,我们的湾流III飞机在加州大沙漠进行了试飞,展示了世界上最先进的可变形弹性机翼。为了保证安全,我们并没有在飞机上控制改变机翼形状,而是在地面远程控制FlexFoil。经过在NASA的阿姆斯特朗飞行研究中心进行的22次飞行试验,我们的弹性机翼可以向上弯曲2度,向下弯曲的角度最大可达32度,换言之,这样的安装在机翼后缘的弹性机翼可以轻微地向上弯曲,而向下弯曲则可以起到与传统的襟翼相同的作用。

 

我们的测试数据显示,当FlexFoil弯曲至传统襟翼所处的角度时,可以产生最大5000千克的升力。这样的表现是飞机在20000至40000英尺高度,载有很大负重的条件下实现的。在一系列测试中,我们试验所用的飞机受到最大1875千克的飞行动压(dynamic pressure,单位面积机翼的升力),这一数据远远超过传统的商用飞机。在任何方面,FlexFoil都是无懈可击的。

 

基于测试数据,我们认为,FlexFoil可以在零下53摄氏度至82摄氏度的温度范围正常工作,使用寿命是商用飞机周期的5倍左右。这样的结果表明,我们的FlexFoil弹性机翼实用、轻便且可靠,可以实际应用在现代商用飞机上,在多种飞行条件下展现出顶尖的性能。

目前,我们的首要任务是让航空业的领导者了解可变形机翼的优势,而这一点还有些困难,因为他们对于新技术总是持谨慎态度。去年11月,我们去了西雅图的Aviation Partners公司的一家合资企业,他们的主要业务是制造和销售客机上用于提升燃油效率的翼梢小翼。我们一起合作成立了一家名叫Aviation Partners FlexSys的公司来推广FlexFoil。我们还计划,在2020年将FlexFoil装在商用飞机上进行测试。

 

航空业专家预测,下一代飞机将采用无缝隙设计,这项技术也可以应用于下一代飞机,把飞机机身和机翼集合成一个整体来制造。波音公司和NASA已经对此进行了一些试验,包括混合翼飞机,如果把FlexFoil融合进去,在不久的将来,飞机就可以更加安静高效。

 

在更遥远一些的未来,我们的弹性可控机翼表面可以在固定翼飞机之外的领域发现更多的应用。任何在空气中或在水中运动的部件,都可以利用弹性表面来改善性能。我和同事们已经开始研究在直升机的螺旋桨叶片的前端和后缘利用弹性材料来改变叶片表面形状,从而改善螺旋桨的性能。先前的一些研究表明,这些可变形叶片每秒可以15次改变形状,从而改善直升机的升阻比并且减小振动。其他的应用可能包括了潜水艇的相关部件,汽车以及风力涡轮机。

 

在商用航空业,研发和试验一种新技术,往往要花费15年甚至更长的时间,但是如果可以像我所期望的那样,飞机工程师们能够以更加开放的心态接受弹性机翼的设计,整个行业做出技术调整的时间就可以大大缩短。

 

撰文:Sridhar Kota

翻译:刘卓  

审稿:赵昌昊

 

原文链接:http://spectrum.ieee.org/aerospace/aviation/future-airplanes-will-fly-on-twistable-wings

 


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