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          2. 全球熱議:變體機翼結構技術最新進展

            采用新的結構概念形式,提高飛機結構的功能性和智能化,從而顯著提高飛機結構效率,是飛行器發展的一條重要路徑。其中,變體機翼技術在近年來受到重視。

            2022年1月底,歐盟“潔凈天空”計劃支持的“變體翼梢小翼”項目工程樣機在空客C-295運輸機上完成飛行試驗,這是變體機翼技術的又一次里程碑式進展,成功演示了集成新型結構、控制系統的變體機翼的功能實用性,提高了變體機翼結構技術的成熟度,推動了變體機翼的工程應用。變體翼梢小翼工程樣機由機電作動器(EMA)驅動,結構上采用低成本無夾具復合材料工藝技術一體化成型,項目目標是實現結構減重約15%,飛機阻力降低約5%,飛機陣風載荷減緩約10%,從而提高飛機的飛行效率,降低燃油消耗。


            (資料圖片)

            發展背景和概念內涵

            發展背景

            為應對環境挑戰,實現綠色航空目標,未來飛機對節能、減排、降噪的要求越來越苛刻,在飛機結構設計方面,實現這一目標的途徑主要有兩種 :一是在傳統飛機構型的基礎上繼續挖掘結構減重方法,進一步實現輕量化設計 ;二是采用新概念結構,提高飛機結構的功能性和智能化,變革性地提高飛機結構效率。然而,隨著飛機結構的精細化發展,傳統的結構優化設計方法能獲取的減重收益空間已十分有限,且結構形式相對固化。以變體機翼為代表的新概念結構為飛機減阻降噪開辟了新的路徑。

            據美國國家航空航天局(NASA)德萊頓飛行研究中心研究數據顯示,翼型阻力每降低1%,每年將為美國寬體運輸機節省約7.57億L燃油。使用自適應變體機翼的中程運輸機,根據任務距離,可降低燃油消耗3%~5%。近年來,國內外變體機翼的大量研究結果證實,采用變體機翼是未來飛機進一步提高綠色環保性能的重要途徑之一。

            概念內涵

            飛機在飛行過程中通過改變結構形狀,適應不同的飛行環境條件,從而保持性能和效率最優的技術被稱為變體結構技術,采用變體結構技術的機翼或飛機又被稱為變體機翼或變體飛機。理想的變體機翼是基于智能結構理念設計而成的,可感知飛行環境和飛機姿態變化,經處理機進行綜合運算決策后,通過閉環控制,實現機翼結構連續光滑變形。

            國外變體機翼結構技術最新進展

            機翼是決定飛機飛行性能的關鍵部件,變體結構的研究主要集中在機翼上。目前,以美國、歐洲、俄羅斯為代表的航空強國均在變體機翼方面開展大量研究。

            01.美國 ACTE 項目

            “自適應柔性后緣”(ACTE)項目由美國空軍研究實驗室(AFRL)、NASA和柔性系統公司(FlexSys)合作開展。2014—2015 年,ACTE變形襟 翼以“ 灣 流 ”III 公務機為平臺進行了第一輪飛行試驗,試驗中最大飛行高度為12192m,最大飛行速度為Ma0.75,襟翼最大偏轉角度為-2°和+30°。

            在“灣流”III 公務機上試飛的ACTE變形襟翼。

            2017—2018年,ACTE變形襟翼進行了第二輪飛行試驗(ACTE II),主要驗證三個方面的內容 :一是機翼扭轉變形試飛,即內外襟翼偏轉不同的角度,以達到機翼扭轉變形的效果 ;二是驗證在常規巡航速度下變形襟翼的結構可靠性,試驗中最大飛行速度接近Ma0.85,達到“灣流”III 公務機的最大巡航速度 ;三是開展減阻降噪性能驗證。飛行中監測燃油流動和噪聲,對比分析 ACTE變形襟翼對阻力和噪聲的影響。

            ACTE變形襟翼是首個進入到全尺寸飛行驗證的變體機翼,通過機翼后緣的連續變形,有效提升了飛機的升阻比,降低了油耗,增加了航程,由于取消了傳統襟翼的縫隙,在降低噪聲方面也起到重要作用,目前看來是極具發展前景的變體機翼技術方案。

            02.美國 MADCAT 項目

            “任務自適應數字化復合材料航空結構技術”(MADCAT)項目是在NASA的“匯聚航空解決方案”(CAS)計劃下推出的首批項目之一,由 NASA和麻省理工學院合作開展,該項目創新性地采用“積木式”拼裝結構實現變體機翼設計。

            2016 年,NASA聯合麻省理工學院(MIT)研制出小尺寸驗證機Madcat V0,其翼展1.32m,展弦比3.81,通過數值仿真、風洞試驗和飛行試驗,完成原理驗證。

            Madcat V0 小尺寸無人機機翼臺架試驗(a)和風洞試驗(b)。

            為了驗證大尺寸模型的變形能力及強度剛度等性能,2019年3月,研究團隊制造了展長4.27m的飛翼模型并開展風洞試驗。

            “積木式”結構組裝的飛翼模型在 NASA 蘭利研究中心進行風洞試驗。

            “積木式”變體機翼主要由體積元、柔性蒙皮、驅動系統三部分組成。試驗分析表明,該設計具有如下優點 :一是改善氣動性能?!胺e木式”變體機翼可實現整個機翼的自適應連續光滑變形,機翼扭轉 6°獲得的氣動效率與襟副翼偏轉 10°相當 ;二是提高結構承載效率?!胺e木式”變體機翼采用超強、超輕復合材料制造的桁架結構,取代了傳統的板梁結構,且能通過變形改變機翼的局部結構密度,從而提高承載效率,減輕結構重量 ;三是簡化飛機結構設計、制造和維修流程?!胺e木式”變體機翼采用拼裝設計,不需專門設計和制造復雜的結構零部件,還可通過替換損壞的體積元進行快速維修。

            03.美國 VCCW 項目

            “變彎度柔性機翼”(VCCW)項目由AFRL開展,旨在通過機翼前后緣變形改變翼型彎度,從而實現在沒有襟副翼情況下對飛機俯仰、滾轉等姿態的控制。

            2015年,研究團隊制造了展長0.3m的臺架模型和展長1.8m的大尺寸模型,臺架模型在懷特帕特森空軍基地的DISCOVERY風洞中進行試驗,驗證該機翼在氣動載荷下的變形能力。大尺寸模型在AFRL的垂直風洞(VWT)中進行試驗,采用3D光學幾何測量系統精確測量機翼的變形情況,建立所施加驅動力和機翼變形角度之間的映射關系。

            VCCW 機翼臺架模型(左)和大尺寸模型(右)風洞試驗。

            2019年9—10月,研究團隊制造了經設計迭代后的第二代機翼,展長2.4m,在商用無人機上完成多次飛行試驗,飛行中翼型彎度變化最高達到 6%。

            AFRL 變彎度柔性機翼進行飛行試驗。

            VCCW變體機翼在設計上具有三大特點:一是采用柔順機構實現分布式變形,可顯著降低應力集中 ;二是使用一體成形的復合材料蒙皮,有助于維持翼面的光滑;三是沿翼展方向設置多個驅動器,可實現三維非均勻、非對稱變形。

            與傳統的帶離散控制面的機翼相比,VCCW變體機翼具有如下優勢 :一是可減緩氣流分離,有利于層流設計,從而降低阻力,提高飛機的燃油經濟性,增加飛機航程。據AFRL評估,VCCW變體機翼的應用可將飛機的油耗降低約 10% ;二是取消縫道,消除了襟副翼噪聲源,大幅降低飛機噪聲 ;三是單體設計使翼肋和蒙皮更加堅固,強化了機翼結構,提高了結構可靠性 ;四是光滑連續的變形能力便于優化機翼外形,有利于飛機結構的隱身設計。

            04.歐盟 SARISTU 項目

            “靈巧智能飛機結構”(SARISTU)項目是歐盟第七框架設立的新概念機翼研究項目,項目經費 5100萬歐元,研究周期為2011年9月至2015年8月,由空客公司牽頭。

            SARISTU項目通過在機翼的前緣、后緣、翼尖集成不同形式的變形結構來改善飛機的性能,可實現飛機減阻約6%,降噪約6dB。該項目設計并制造了大尺寸變體機翼演示樣件,并開展了相關的功能和性能試驗。

            SARISTU 智能機翼結構演示樣件。

            SARISTU項目探索了未來飛機結構智能化、靈巧化的新技術,通過大量的演示驗證,形成了“幾十個演示平臺、幾百個演示部件、上千個子部件和上萬個演示元件”一系列研究成果,相關技術成熟度已達到5~6級。

            05.歐盟“變體翼梢小翼”項目

            2021年,“變體翼梢小翼”項目完成了變體翼梢小翼數字模型設計和工程樣機研制。2022年1月,工程樣件在空客C-295運輸機上完成飛行試驗。

            變體翼稍小翼數字模型和工程樣件。

            06.空客“超性能機翼”項目

            “超性能機翼”項目由空客公司設立,于2021年9月啟動,目標是通過仿生設計改善機翼氣動性能,從而減少二氧化碳排放。

            2022年4月,空客公司完成“超性能機翼”演示樣機風洞試驗,試驗模型通過3D打印技術制造而成。根據項目計劃安排,未來將使用縮比樣機在賽斯納“獎狀 VII”公務機試驗平臺上進行試飛。

            “超性能機翼”項目重點研究和驗證4項技術 :一是加裝陣風傳感器,使飛機能自動調整機翼控制面以應對陣風載荷 ;二是采用半氣動彈性鉸鏈翼尖,飛行中根據需要,翼尖可自動折疊或展開,該技術曾在空客“信天翁 1號”項目中進行過小尺寸樣機的飛行驗證 ;三是采用多功能變體機翼,可在飛行中改變機翼后緣形狀,從而提高飛機的總體氣動性能 ;四是安裝彈出式擾流板,可根據氣流狀況快速偏轉至所需角度,從而優化機翼性能。

            “超性能機翼”(eXtra Performance Wing)項目演示樣機風洞試驗。

            空客“信天翁1號”進行過“超性能機翼”的折疊翼尖飛行試驗。

            07.俄羅斯“無人機柔性前后緣機翼”

            項目

            “無人機柔性前后緣機翼”是俄羅斯斯科爾科沃科學與技術研究所開展的研究性項目,旨在探索變體機翼對無人機氣動性能的影響。

            2018年,研究團隊以中型無人機為對象,設計了一種具有自適應后緣襟翼和前緣縫翼的變體機翼模型。

            處于不同狀態的可變形縫翼和襟翼。

            該團隊采用丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)塑料和硅樹脂通過3D打印方法制造了原理樣機并開展風洞試驗。

            用于變體機翼試驗的風洞,其中1-粒子源,2-進氣口,3-試驗艙,4-高速攝像機,5-激光示蹤系統,6-電機和出氣口

            風洞試驗結果表明,與傳統帶有離散式縫翼、襟翼的機翼相比,自適應變體機翼的升力系數小幅提升,阻力系數有較大程度降低,某些工況下的升阻比提高20%~30%。因此,該變體機翼可降低無人機的能耗,從而提高無人機的航程和續航時間。

            未來趨勢分析

            變體機翼因具有提高飛機的氣動效率、降低油耗和噪聲等優點,已成為軍民用飛機新概念結構發展的熱點。目前,部分變體機翼方案已經完成風洞試驗和飛行試驗,工程化進展迅速??偨Y國外最新進展,有幾點發展趨勢需要注意。

            局部自適應變形是未來熱點

            早期變體機翼結構技術的研究主要在美國,以折疊機翼、滑動蒙皮、壓縮機翼為代表的技術使機翼可大范圍變形,旨在提高軍用飛機機動性,改善飛機高速巡航時的氣動性能。由于受到驅動技術、控制技術等的限制,大范圍改變機翼形狀帶來了較大的重量代價,且結構穩定性和可靠性降低,進而影響飛機的安全性。20世紀90年代以來,歐洲 DLR、空客公司開始在變體機翼方面開展研究,通過智能后緣、智能翼梢、智能前緣的研究,在材料、結構、氣動等方面積累了的大量的基礎數據。

            近年來,變體機翼的研究重點逐步由機翼的整體大范圍機械式變形轉向了機翼前后緣、翼尖的局部連續光滑變形,局部自適應變形降低了對于驅動力的需求,重量代價小,可實現性強,是變體機翼未來研究的熱點和趨勢之一。

            智能化程度將不斷提高

            變體機翼結構技術通常與自適應結構、智能結構等概念緊密相關。通過對國外相關項目的研究分析發現,變體機翼正向著更加智能化的方向發展,主要體現在兩個方面 :一是以壓電陶瓷、形狀記憶合金 / 聚合物等為代表的智能驅動材料和系統得到越來越充分的研究和驗證,為變體機翼提供更加智能化的驅動方式 ;二是從國外飛行試驗的發展歷程可知,從對稱固定偏角試飛,到扭轉構型試飛,再到動態改變偏角試飛,變體機翼正一步步增加變形的復雜度和智能化。在空客“超性能機翼”項目中,已計劃根據陣風傳感器獲取的數據,自動調整機翼形狀以應對陣風載荷。未來,隨著傳感器、控制系統、變形裝置的集成度越來越高,變體機翼的智能化程度也將大幅提升。

            (中國航空工業發展研究中心:宋剛)

            關鍵詞: 最新進展

            來源:國際航空
            編輯:GY653

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