非牛頓流體材料在柔性變形機(jī)翼上的應(yīng)用初探

李仕鵬

（巴彥淖爾市第一中學(xué)，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015000）

飛機(jī)是20世紀(jì)最為重要的發(fā)明之一，它的出現(xiàn)對(duì)人類社會(huì)的發(fā)展有著至關(guān)重要的作用。不論是民用運(yùn)輸還是軍事戰(zhàn)爭(zhēng)，人們對(duì)飛機(jī)的性能要求越來越高。影響飛機(jī)飛行性能的部件很多，重要部件之一當(dāng)屬飛機(jī)機(jī)翼，它是飛機(jī)飛翔升力的來源，同時(shí)還影響著飛機(jī)的操控性。機(jī)翼的參數(shù)細(xì)節(jié)直接決定了飛機(jī)氣動(dòng)性能，例如減小展弦比可以提升飛機(jī)的最大速度，而增大展弦比可以增加飛機(jī)升阻比提高續(xù)航能力。傳統(tǒng)飛機(jī)的機(jī)翼形狀不可變化，在設(shè)計(jì)時(shí)只能把機(jī)翼參數(shù)調(diào)整為針對(duì)某一特定目標(biāo)，而不能兼顧多種目標(biāo)。隨著電子技術(shù)和材料技術(shù)的進(jìn)步，人們開始設(shè)計(jì)可以變形的機(jī)翼，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)飛機(jī)在不同飛行條件下都能夠有很好的氣動(dòng)性能。當(dāng)前實(shí)現(xiàn)機(jī)翼變形的技術(shù)主要分為兩類，一類是剛性變形，另一類是柔性變形。剛性變形飛機(jī)通常采用桿式鉸鏈實(shí)現(xiàn)變形，其使用的機(jī)翼蒙皮是剛性的鋁合金材料加工而成。比較著名的剛性變形飛機(jī)有Tu-160超音速轟炸機(jī)，其在起降時(shí)主翼后掠20°，巡航時(shí)主翼后掠35°，高速飛行時(shí)主翼后掠65°。目前剛性變形飛機(jī)已經(jīng)在軍事和民用大范圍使用，但是由于變形機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且材料重量大，不僅降低了飛行可靠性，而且明顯增加了飛機(jī)重量。另外，由于剛性材料在連接位置通常存在空隙，這些空隙會(huì)造成掠過機(jī)翼的氣流產(chǎn)生分離，進(jìn)一步影響飛機(jī)氣動(dòng)性能。為了解決剛性變形飛機(jī)的種種問題，人們想到了利用柔性材料制造機(jī)翼，相關(guān)領(lǐng)域越來越受到關(guān)注。

1 柔性變形飛機(jī)機(jī)翼對(duì)蒙皮的要求

柔性變形飛機(jī)機(jī)翼包含變形機(jī)構(gòu)、作動(dòng)器和包裹在外部的蒙皮。變形機(jī)構(gòu)帶動(dòng)機(jī)翼改變形狀，作動(dòng)器為變形機(jī)構(gòu)提供能量，蒙皮隨機(jī)翼結(jié)構(gòu)變形而變形維持機(jī)翼表面的連續(xù)性。傳統(tǒng)蒙皮材料，例如鋁合金，面內(nèi)剛度較大，不能及時(shí)跟進(jìn)機(jī)翼結(jié)構(gòu)變化。柔性變形機(jī)翼蒙皮必須使用新材料，新材料應(yīng)具有以下性質(zhì)。

（1）法向剛度足夠大，能夠承受和傳遞氣動(dòng)載荷。

（2）面內(nèi)變形光滑連續(xù)，易于變形。

（3）密度較小。

以上性質(zhì)中較難實(shí)現(xiàn)的是既有較好的變形性能，同時(shí)又具有較強(qiáng)的剛度。這兩類要求看上去近乎矛盾，若材料變形性能較高，剛度往往較弱；而剛度較好的材料其形變性能較差。目前解決這一問題的主要辦法還是通過蒙皮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，例如日本航空研究局設(shè)計(jì)的面外波紋柔性蒙皮，美國賓夕法尼亞大學(xué)設(shè)計(jì)的埋有柔性基體復(fù)合材料的柔性蒙皮以及美國CRG公司制備的蜂窩結(jié)構(gòu)柔性蒙皮。這些設(shè)計(jì)能夠在一定程度上解決形變與剛度的矛盾，但是帶來了蒙皮結(jié)構(gòu)的復(fù)雜，增大了飛行安全的不確定性。之所以要進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)，主要是沒有找到具備以上性質(zhì)于一身的材料。如果找到合適的材料，機(jī)翼的結(jié)構(gòu)將得到簡(jiǎn)化，相應(yīng)飛機(jī)性能和飛行可靠性都會(huì)得到增強(qiáng)。非牛頓流體材料具備以上性質(zhì)，是一種值得關(guān)注的材料。

2 非牛頓流體材料的性質(zhì)

流體分為牛頓流體和非牛頓流體兩類，牛頓流體的剪切應(yīng)力同剪切應(yīng)變速率呈線性關(guān)系，非牛頓流體呈非線性關(guān)系。直觀上，牛頓流體的黏度與剪切應(yīng)變速率無關(guān)，而非牛頓流體的黏度與剪切應(yīng)變速率有關(guān)。非牛頓流體又分為4類，分別是Bingham流體、非線性Bingham流體、假塑性流體和脹流性流體，它們的性質(zhì)如圖1所示。

圖1 流體流動(dòng)曲線

值得關(guān)注的是脹流性流體，在剪切應(yīng)變速率較大時(shí)，其黏度變大，能夠承受較大的應(yīng)力，而在剪切應(yīng)變速率較小時(shí)，其黏度較小，就有很好的形變形質(zhì)。生活中經(jīng)常能夠見到這一類物質(zhì)，例如水倒入面粉中形成的糊狀物，當(dāng)緩慢傾斜盛裝糊狀物的容器時(shí)，糊狀物能夠流動(dòng)，但是當(dāng)糊狀物被快速攪動(dòng)時(shí)，糊狀物明顯變硬，能夠承受很大的壓力。面粉糊狀物這一種材料由于受到的外界作用不同，表現(xiàn)出兩種性質(zhì)，而這兩種性質(zhì)正是柔性機(jī)翼蒙皮材料所應(yīng)具備的性質(zhì)。與面粉糊同屬于非牛頓流體的其他材料，有望用于制備柔性機(jī)翼蒙皮。

3 使用非牛頓流體蒙皮的機(jī)翼結(jié)構(gòu)

未來人們一定能夠找到適合制作柔性機(jī)翼蒙皮的非牛頓流體材料。有了相應(yīng)材料，新型柔性機(jī)翼可以按照以下設(shè)計(jì)來制作。首先按照?qǐng)D2中結(jié)構(gòu)制作鈦合金框架（白色），并在表層涂刷非牛頓流體材料（陰影），形成飛機(jī)機(jī)翼的主體架構(gòu)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)于機(jī)翼蒙皮的實(shí)時(shí)監(jiān)控，在蒙皮下層安裝應(yīng)力傳感器檢測(cè)蒙皮的受力情況。檢測(cè)信號(hào)傳導(dǎo)至中控系統(tǒng)，由中控系統(tǒng)根據(jù)機(jī)翼表面的受力情況做出反饋，通過調(diào)節(jié)剪切應(yīng)變速率實(shí)現(xiàn)對(duì)蒙皮黏度的調(diào)整，進(jìn)而伴隨機(jī)翼完成形變，使飛機(jī)氣動(dòng)性能始終處于最優(yōu)狀態(tài)。另外，機(jī)翼內(nèi)部也設(shè)置可人工控制的手動(dòng)控制系統(tǒng)，以便在電控出現(xiàn)問題時(shí)進(jìn)行絕對(duì)的手動(dòng)控制，確保乘客以及機(jī)組成員的安全。譬如在所有飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)失效時(shí)，機(jī)翼轉(zhuǎn)變?yōu)榈退俑呱π停谙聣嬤^程中保持一定升力，保持姿態(tài)，甚至直接進(jìn)入滑翔的狀態(tài)，以便飛機(jī)平穩(wěn)降落，盡最大可能減小地面對(duì)飛機(jī)的沖擊力。

圖2 非牛頓流體材料柔性機(jī)翼結(jié)構(gòu)（白色部分為鈦合金框架，陰影部分為非牛頓流體材料）

4 非牛頓流體機(jī)翼蒙皮的優(yōu)點(diǎn)與不足

非牛頓流體以其特殊的性質(zhì)將在未來使用中展現(xiàn)特殊的優(yōu)點(diǎn)，例如傳統(tǒng)軍事飛機(jī)由于在格斗中機(jī)翼中彈而導(dǎo)致飛機(jī)氣動(dòng)性能喪失甚至飛機(jī)墜毀，而由非牛頓流體制成的機(jī)翼在被炮彈命中時(shí)彈片會(huì)穿越機(jī)翼，非牛頓流體蒙皮會(huì)在強(qiáng)大的氣流的作用下填補(bǔ)機(jī)翼被彈片打出的漏洞，就如同自動(dòng)補(bǔ)胎的輪胎一樣。戰(zhàn)機(jī)安全降落后做相應(yīng)的檢修，仍能恢復(fù)戰(zhàn)機(jī)性能，飛機(jī)的可靠性大幅提升。

非牛頓流體材料的密度有望較鋁合金更輕。更輕的非牛頓流體材料將使飛機(jī)更加節(jié)省燃油，增加飛機(jī)巡航距離。對(duì)于民用和軍用飛機(jī)而言，大幅節(jié)省燃油費(fèi)用可以用于提升旅客服務(wù)和其他飛機(jī)性能研發(fā)，促進(jìn)航空事業(yè)的發(fā)展。

相伴于優(yōu)點(diǎn)，非牛頓流體材料的應(yīng)用也會(huì)帶來新的問題。機(jī)翼上安裝的傳感器的數(shù)量將明顯多于傳統(tǒng)機(jī)翼，這不僅增加了控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度，同時(shí)也增加了機(jī)翼的重量，對(duì)飛機(jī)的可靠性造成了挑戰(zhàn)。

5 結(jié)語

傳統(tǒng)飛機(jī)機(jī)翼由于不能方便有效地調(diào)整形狀，并不能適應(yīng)任意飛行情況。柔性變形機(jī)翼是當(dāng)前解決飛機(jī)飛行適應(yīng)性的主要方向。利用非牛頓流體材料在不同外界條件下，既可以具有流動(dòng)性又可以承受較大應(yīng)力的性質(zhì)，選用合適的非牛頓流體材料制作柔性變形機(jī)翼蒙皮，將從根本上消除傳統(tǒng)機(jī)翼的不足。雖然非牛頓流體材料的使用會(huì)增加控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，但是它對(duì)于飛機(jī)氣動(dòng)性能的改進(jìn)提升值得人們進(jìn)一步的探索研究。