“更柔软”航天飞行器诞生——像鸟一样飞翔​

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“更柔软”航天飞行器诞生——像鸟一样飞翔​
麻省理工科技评论 2020-09-26

2020-09-26

在不久的将来,这个梦想很可能会随着柔性飞机的发展而更进一步。
科学
在不久的将来,这个梦想很可能会随着柔性飞机的发展而更进一步。

2020 年 9 月 19-21 日举办的中国航天大会上,DeepTech 了解到,我国科学家正在进行柔性航天器的研究。如果航天飞行器具备随时变形或适应环境连续改变能力等特殊性能,那么就可以在复杂飞行环境中完成更多更具挑战性的任务。柔性飞行器技术对提高飞行器的燃油经济性以及安全性,甚至对提高军用战斗机的作战性能,都有着巨大的潜力。

大家乘坐飞机的时候,会注意到飞机的机翼并不是完整的一块,机翼的后面有一部分是可以活动的叫做襟翼。襟翼是安装在机翼上的活动面,如下图所示,襟翼可以通过改变角度,在起飞的时候提供更多的升力以及在降落时提供减速作用。襟翼活动部件会增加故障发生的概率,而柔性机翼可以通过替代襟翼来避免这种事故。

“更柔软”航天飞行器诞生——像鸟一样飞翔

图|襟翼示意图(来源:维基百科)

近几年来,科学家在不断地探索柔性飞行器,我们身边鸟类和昆虫的翅膀其实就是一种柔性飞行器。它们的翅膀在飞行的过程中有着很大结构上的变形,而这种变形,对于升力和推力的产生起着非常重要的作用。运用特殊材料和智能控制等技术,柔性飞行器具备变高度、变厚度、变长度、机翼扭转等能力,以及智能飞行等其他性能。在空中随时变形这一特点,也使得飞行器可以在更复杂的环境中完成更多的任务。

第一个飞上空中的柔性飞行器

2014 年,密歇根大学的教授、FlexSys 公司创始人 Kota 的团队和美国空军合作,成功的研发出了柔性机翼并且进行了试飞。这个机翼采用变形的一体式机构,取消了传统飞机机翼上的襟翼。Kota 和他在 NASA 和美国空军的合作者声称,这项测试是航空领域的首次柔性机翼试飞。

1990 年代早期开始,Kota 教授就产生了制作柔性机翼的想法。当时在密歇根大学工作的 Kota 教授给附近的赖特-帕特森空军基地打了电话,他的想法引起了军方的强烈兴趣。之后在美国空军研究实验室的资助下,Kota 教授的团队进行了 20 年的研究,并且终于在 2014 年成功试飞世界上第一个柔性机翼产品 FlexFoil。

FlexFoil 的第一次的试飞是 2014 年 11 月 6 号,在加利福尼亚州爱德华兹空军基地。工程师用 5 米长 FlexFoil 柔性可操纵机翼,替换了湾流 III 喷气式飞机上的主要后缘机翼襟翼进行了试飞。这次试验的飞机上只采用了柔性机翼,并没有使用任何的备用襟翼。首次试飞进行的非常成功,过程中柔性机翼表现的非常良好和稳定。之后的 3 个月内,NASA 每周都对 Flexfoil 进行各种严苛工况的测试:在 6000 米到 12000 米的不同的高度、1.7G(连续负载)的各种倾斜动作、以及使 FlexFoil 控制面承受了 18000Pa 的高动态压力。在所有的这些测试工况中,Flexfoil 都表现良好。

Kota 教授声称,研发柔性机翼和襟翼的目的是创造一种可以在整个飞行过程中都可以进行精确的微调的机翼。相比于传统的机翼,柔性机翼更加可靠、安静、并且更省油。Kota 教授估计,如果将柔性机翼技术充分的应用到新型的飞机中,该技术可以将油耗降低 12%。

想象空间丰富

这项技术在民用和军事领域的应用上都有着丰富的想象空间。

2015 年,欧盟开始了一项名为 FLEXOP 的项目,来研究高性能的机翼。该项目由欧盟资助并且和空客公司技术合作。这个项目中,提出了两种柔性机翼的概念,一种是由慕尼黑技术大学开发的颤振机翼,采用玻璃纤维增强复合材料和主动后缘襟翼控制技术,与标准机翼相比,可为飞机增加 20% 的有效载荷或减少 7% 的油耗;

另一种是由德宇航气动弹性研究所和代尔夫特大学共同研发的气动弹性机翼,采用碳纤维增强复合材料和新型复合材料剪裁技术,使机翼能在载荷作用下弯曲和扭转变形至理想状态,与标准机翼相比,可降低结构质量 20%。

在 2020 年,在项目的结题测试中,这些技术通过实验结果展示了可以实现降低 7% 的油耗的可能性。

除了燃油经济性之外,柔性机翼还有着很多其它潜在的优势。

传统的刚性机翼的飞机,飞行过程中受到气流的扰动产生颠簸。而柔性机翼则能预防这种颠簸的产生,让飞机在执行任务的时候自身结构更加稳定。这个对于民用客机可以提高乘客的舒适度。对于军用战斗机,可以提高武器发射的精确度。

另外一个优就是可靠性,由于取消了襟翼的设计,减少了大量的活动部件,从而大大减小了发生故障的几率。

柔性和可变性飞行器已经成为 21 世纪航空领域的研究热点。不过其发展仍在起步阶段,距离实际应用仍面临很多挑战。比如如何的提高材料的刚度,防止结冰,高效的控制系统的设计等等,需要科学家和工程师们的持续努力。

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