變形飛機開創(chuàng)飛行新紀(jì)元

黃步紅

若干年之后，我們的飛機將可以像鳥兒一樣，“拍動”著翅膀飛行

世界上最早的飛機其實是有著一對能活動的“翅膀”的。早在1903年12月17日，威爾伯·萊特和奧維爾·萊特兄弟作為人類第一次乘著他們制造的動力飛機飛上了天空。他們的飛機以密度小的木料、布、以及金屬絲作為原材料，靠滑輪帶動，利用翼尖產(chǎn)生滾轉(zhuǎn)力矩而保持平衡。飛機在12秒內(nèi)飛了36公尺遠，然后跌跌撞撞落到沙地上。

一些飛行歷史學(xué)家說，正是這種仿造鳥類翅膀的機翼保證了萊特兄弟能夠駕駛?cè)绱吮恐氐娘w機飛上天空，而這之前，人類史上雖然有著許多次的飛行試驗，卻都以失敗而告終。

飛行理念百年回眸

萊特兄弟的獨到之處在于發(fā)明了一套可以讓飛機在進行飛行調(diào)整時不至于失控的系統(tǒng)。他們的飛機上安裝了一套由飛行員控制、帶鋼纜的拉桿系統(tǒng)，這一系統(tǒng)可以改變機翼的形狀。萊特兄弟所造飛機的機翼彈性很大，正因為如此，機翼才可以發(fā)生彎曲變形，從而控制飛機在3個軸向上的運動。

雖然萊特兄弟的設(shè)計理念一開始就獲得了成功，可是這種技術(shù)很快就隨著航天器的發(fā)展而銷聲匿跡。由于能夠經(jīng)受住飛行加速度帶來的受力和機身的體重，固定機翼成為飛機的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計模式。為了加強飛機的平衡性，設(shè)計師設(shè)計了機翼后部邊緣處活動的小側(cè)板那樣的副翼。在這些小側(cè)板的操作下，氣流發(fā)生改變，飛機得以在可控平衡下上升、翻轉(zhuǎn)、或是傾斜。

人們將12月17日尊為飛航里程碑的紀(jì)念日。一個世紀(jì)后的今天，飛行學(xué)家開始重新關(guān)注萊特兄弟的設(shè)計理念：給飛機加上一對可以“拍動”的翅膀。

科學(xué)家和工程師們已經(jīng)研制出機身外表可以像肌肉一樣伸縮的飛機模型。變形的機身將大大增強飛機的可控制性和其他多種性能——隨著航空路線的日益復(fù)雜，機翼將要求能夠彎曲、折疊，飛機要求能夠根據(jù)具體的情況采用具體的外形來完成任務(wù)。

打破傳統(tǒng)模式

在最近一項由美國國防高級研究計劃局(DARPA)、空軍研究實驗室(AFRL)和航空航天局(NASA)共同參加的項目中，工程師們設(shè)計了一種類似刺狀的結(jié)構(gòu)，將其像蛇一樣分布在機翼的后緣。研究人員在這個稱作“智能機翼”的項目中，使用了重量很輕的鋁作為“刺”嵌入這種結(jié)構(gòu)。每一個“刺”都能夠單獨地傾斜或是延伸，并且由此作用于傳動結(jié)構(gòu)。

在風(fēng)洞測試中，這種特殊結(jié)構(gòu)的機翼模型能夠產(chǎn)生70多種變化。此外，相對于傳統(tǒng)的副翼，在發(fā)生相同變化的前提下，這種可變形的機翼后緣能夠產(chǎn)生更大的滾轉(zhuǎn)力矩(相對于機身)。這種機翼將來很有希望運用到高速、高性能的噴氣式戰(zhàn)斗機中。

在DARPA近來一個已經(jīng)完成的基礎(chǔ)研究中，項目組證明了經(jīng)過設(shè)計改裝后的F-15鷹式戰(zhàn)斗機的飛行路程能夠提高20%。

新型的變形思路力求根據(jù)簡單的機械原理實現(xiàn)多方面的變形要求。實現(xiàn)這一步，得依賴現(xiàn)在各種高科技材料的發(fā)展。例如，一些材料能夠拉伸或者彎曲，在重新加熱之后又恢復(fù)原形；此外，有一些新型液體在磁場中或者加入磁物質(zhì)后會變濃；在電或光作用下會膨脹或是收縮。這就是所謂的“智能材料”。

除了研究“智能材料”，仿生學(xué)也是“變形計劃”的一個研究內(nèi)容，例如，骨頭很輕很結(jié)實，因為它有空心的結(jié)構(gòu)?？茖W(xué)家正在研究仿造骨骼的材料，如果能夠獲得這些結(jié)構(gòu)，加入到類似神經(jīng)系統(tǒng)的傳感系統(tǒng)和具有彈性的傳動系統(tǒng)，就能夠得到一個非常結(jié)實、非常輕便、能夠?qū)崿F(xiàn)傳感和自動反饋的系統(tǒng)。

變形的作用

2002年春天，來自AFRL和波音幻影工作室的研究者——目前最先進的軍事飛機研究力量——初步測試了“活動機翼”在不同飛行條件下的機翼參數(shù)。投入實驗的是經(jīng)過改良的F/A-18A超音速戰(zhàn)斗機。這種噴氣式飛機的機翼相對于其在20世紀(jì)80年代設(shè)計的樣子，變得異常瘦削，并且扭曲得很厲害，同時這種飛機的排放物是無污染的。

這些“活動機翼”有各種明顯的優(yōu)點：由于它的彈性和瘦削的外表，相對于傳統(tǒng)機翼，在設(shè)計上能夠減輕機身15%的重量。更重要的是，完全使用活動機翼能夠比傳統(tǒng)的折翼產(chǎn)生更大的滾轉(zhuǎn)力矩?！拔覀冋J為經(jīng)過改進的F/A-18，比原來的F/A-18戰(zhàn)斗機擁有更好的性能，尤其在高速條件下。”AFRL項目組的組長彼特M·弗利克說道。

從長遠來看，這種外形上的變化能夠使飛機達到更高的速度，并且擁有高燃油效率、高飛行質(zhì)量、高安全性能，以及更好的可操作性、更快的著陸速度、適應(yīng)各種條件的起飛場(例如短跑道起飛場)。

翻開航空史的新篇章

更多的變形研究才剛剛開始。工程師們最近已經(jīng)計劃出一種飛機，它擁有一對柔軟的“翅膀”；另一個項目正在研究一種變形機翼，它類似蝙蝠翅膀，具有很好的伸縮性。

在DARPA一年前制定、被稱作的“飛機變形結(jié)構(gòu)”的項目中提到，2005年前，他們將研究出能夠在長度或者面積上變化50%的飛機。這是一個巨大的改變：相比較之下，傳統(tǒng)的飛機最多只能改變外形的5%。

當(dāng)然，每一個改變都會遇到挑戰(zhàn)。當(dāng)飛機在飛行中折疊翅膀的時候，重心位置會發(fā)生巨大的改變，而這些變化能夠使飛機產(chǎn)生自旋或者其它不可控變化。工程師利用計算機模擬了機翼變化時會發(fā)生的變化,以及應(yīng)該如何調(diào)整和控制飛機的穩(wěn)定性。

隨著“變形規(guī)劃”的研究深入，NASA于2001年出臺了一個稱為21世紀(jì)新航空飛行器的“變形”飛機計劃。這種飛機能夠像鳥兒一樣，所有的外表面都能敏感地感受外界的氣壓條件變化。對這些變化的反應(yīng)能夠直接傳導(dǎo)給操縱系統(tǒng)，然后，飛機就能夠像鳥兒的肌肉一樣改變成最適合的形狀適應(yīng)環(huán)境。預(yù)計2030年，這種想法能成為現(xiàn)實。

雖然萊特兄弟在100年前就已經(jīng)使用了變形飛機，但現(xiàn)代變形飛機在工程上的探索卻直到幾年前才開始。在工程師們的努力和探索下，航空史將會進入一個嶄新的階段。