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核算波音公司使用,变形机翼将在出版

时间:2019-05-24 19:59来源:乐百家lo622手机版
可以折叠机翼,甚至在飞行中改变翼型的飞机是存在的(美国的舰载战机很多都能折叠来节省空间),如果应用在商用飞机上的话,飞机的翼展就可以不受限于目前的机场规画,只要在

可以折叠机翼,甚至在飞行中改变翼型的飞机是存在的(美国的舰载战机很多都能折叠来节省空间),如果应用在商用飞机上的话,飞机的翼展就可以不受限于目前的机场规画,只要在滑行中将机翼收起来就好了。甚至如果在空中也可以自由改变机翼的角度的话,它可以在一定的程度上辅助飞机在乱流中的稳定性,让飞机可以用小一点的直尾翼就保持安定。虽然说听起来优点多多,但这在一般商用飞机中却是非常罕见,因为要折叠大片的机翼需要复杂的机械和油压致动系统,这些额外的重量会增加机翼结构的负荷,并且为了加固机翼而进一步增加飞机的重量,在每公斤都是钱的客机来说,是非常划不来的。NASA 这次做的研究,便是利用一种变形记忆合金来控制机翼 -- 这种合金加热后钱延展,冷却后又会缩起,如果做成弹簧状态的话就可以拉动机翼片,大幅减轻控制机构的重量达 80% 之多。NASA 将这套取名为「Spanwise Adaptive Wing」的系统装在了一架名为「PTERA」的实验用模型机上,顺利起飞并且在不同的飞行中进行向上或向下达 70 度的弯折。下一步的计划是要设计一套可以同时向上及向下 70 度的系统,并且将技术移殖到一架 F-18 战机上进行全尺寸的测试。当然,我们要见到这样的系统出现在一般人能搭乘的飞机上恐怕不是十几二十年内可以实现的,但至少知道飞航技术还有进步的空间,也是让人宽慰的一件事呢。

现代飞机的发明源于人们对鸟飞行的认识,然而同样用于产生升力的飞机机翼却无法像鸟的翅膀那样自由地伸展和舞动,所以也就不能像鸟一样适应各种飞行状态。不过,随着技术的发展,像鸟翅膀一样的变形机翼很快将与世人见面。美国防部预先研究计划局于两年前启动的"变形飞机结构"项目目前已获得重要里程碑,两个变形原型机翼将于今年年中展开风洞试验。不久的将来,人们将看到具有一副像鸟翅膀一样的柔软机翼并具有自修复能力的"变形"飞机在空中翱翔。其实,变形结构的概念并非新概念,最早将变形结构应用于飞机设计可追溯到1916年的可改变几何形状的机翼专利技术。现今使用的一些飞机也已经具备了能够调整机翼的能力,如美国海军的F-14"雄猫"战斗机、V-22"鱼鹰"倾转旋翼机,以及F-111隐身战斗机,这些机翼均为刚性结构,需要用大型枢轴装置与机身连接,所谓调整机翼形状是将机翼某一固定部分移动一定角度,即相对于机翼其他部分来说移动了一定位置。这些"调整机翼形状"与真正的变形机翼概念完全不同,即使目前美国NASA/AFRL正在验证的主动气动弹性机翼概念也与变形机翼不同,AAW在概念上与莱特兄弟开发的"机翼翘面"控制系统相类似,采用副翼和前缘襟翼等传统控制面从气动上诱导轻质"柔性机翼"发生扭曲,以改善高性能军用喷气飞机的机动能力。而真正的变形概念是将新型智能材料、新型作动器、激励器、传感器无缝地综合应用于飞行器的一种新的设计概念。变形机翼通过应用灵敏的传感器和作动器,光滑而持续地改变机翼的形状,对不断改变的飞行条件做出响应,从而可使飞机像鸟一样随意地在空中进行盘旋、倒飞和侧向滑行。1.DARPA变形飞机结构项目美国防部预先研究计划局于2003年正式启动"变形飞机结构"项目,该项目旨在通过在飞行中改变飞机的气动外形使飞机在执行不同任务或在不同飞行包线时的飞机性能都保持在最佳状态,即通过变形飞机部件使新一代军用飞机能够用于执行多种形式的作战任务。其长远目标是设计一种续航能力比"全球鹰"无人机更强、机动性比F/A-22战斗机更好的飞机。DARPA要求承包商首先应将精力集中于变形机翼的技术研究,因为机翼是飞行器在飞行中重新构型的主要部件,有目的地在飞行中改变机翼外形特性,如机翼后掠、翼展和弯度等,就可以有效地增加机翼的效率,其中改变翼展和机翼面积的效果最为突出。比如,飞机在巡航时通常要求机翼具有高展弦比和大机翼面积,而要想保持飞行速度快,就要求低展弦比和小的机翼面积。变形机翼的概念就是把二者的特点结合在一起,使机翼面积能够在50%到150%之间变化。变形机翼能够从根本上改善飞机的巡航和冲刺能力,以及飞行机动能力。变形飞机的支持者们认为,未来这种飞机是一种低功耗飞机,可以在较短的跑道上起飞,可以大大增加飞行距离,提高燃油效率。此外,具有变形结构的巡航导弹能够以极快的速度抵达目标,然后又能在目标上空滞留以便认定目标是否被摧毁,在必要的情况下还可以快速转向摧毁另一个新目标。而像"捕食者"这类无人机,如果具有变形机翼将既能获得高速飞行能力又将具有高的机动能力,从而可以用于与敌机进行空中交战。DARPA变形飞机结构项目第一阶段的合同由三家主承包商承担,分别是洛克希德·马丁公司的折叠机翼概念,该公司专门研制一架小型无人机来验证折叠机翼的气动性能;Hypercomp公司/新一代航空技术公司提出的"滑动蒙皮"变形机翼概念,他们将利用海军的"火蜂"无人机机体作为验证平台,以及雷声公司的压缩机翼概念,该公司计划采用美军的"战斧"巡航导弹作为试验平台,这种设计的最大挑战是,在这类武器的机翼上承受的载荷很高,而巡航导弹的机翼又相对较薄,所以用来安装使机翼展开和收回的作动器的空间就很有限。在MAS项目第一阶段,承包商主要是设计、制造和试验能够确保变形机翼在低速和跨声速飞行中伸缩150%的部件及配件(例如作动器、连接件、子系统等)。2004年5月,MAS项目进入历时18个月的第二阶段,第二阶段的合同任务是设计和制造原型变形机翼,并将于2005年年中在NASA兰利研究中心的跨声速风洞中进行试验。如果试验成功,DARPA将选定一家主承包商设计、建造和飞行试验一个50%缩比尺寸的无人技术验证机--称之为MAS X飞机。第二阶段的合同总计1900万美元,洛克希德·马丁公司和Hypercomp公司/新一代航空技术公司各占一半。而雷声公司未能获得第二阶段的合同项目。2."滑动蒙皮"变形概念Hypercomp公司/新一代航空技术公司目前的研究是使机翼在飞行中逐渐变大,通过改变机翼的面积和平面外形优化飞机的性能。这种技术的挑战之一是,机翼"变大"后引起的刚度减小不应影响机翼结构的完整性。该公司使用的是自己开发的取得专利的微型结构技术,它在改变机翼外形的同时,能够经受不同的应力。DARPA认为这是三个合同商设计中最有创意的设计。3."折叠机翼"变形概念如图2所示,洛克希德·马丁公司的变形机翼概念是在不同飞行需求下变化机翼形状,机翼全部展开以利于起飞或巡航,机翼全部收缩以利于高速或机动飞行。为了测试变形机翼的气动性能,洛克希德·马丁公司专门制造一架小型无人机,如图3所示,该机由一个推力20千克力的喷气发动机驱动,机翼设计成折叠式,内段机翼可以对着机身折叠,机翼展开后其机翼有效面积增加2.8倍。该机并未装配形状记忆蒙皮或热聚合激励器,而是采用压电作动器折叠机翼。从某种意义上讲,这种技术代表了后掠机翼的一种先进的应用。但这将带来不利影响,即内段翼倚着机身折叠时将引起局部非定常流动现象。4.形状记忆聚合物新型材料在变形机翼设计中最重要的因素是一种称作形状记忆聚合物的特殊材料,这种材料主要用作变形机翼的蒙皮。SMP具有一种特殊的记忆功能,当机翼被改变为不同形状布局后,SMP分子将会重新组构以恢复其初始形状。SMP材料的初始形态,也就是它的"记忆"形状是一种刚性体即高模量形态。当它受热、高频光或电激励后将变成一种低模量弹性体,从而可被作动器和特殊的控制装置伸展成不同的形状,当它再次被激励后,它将恢复到它的原来的高模量形态。据SMP项目材料供应商Cornerstone 研究集团公司总工程师称,变形部件能够经得起高数次的形状变化,尽管目前还没有确定出变形机翼在需要更换之前到底可以经受多少次循环变形,但据初步试验表明循环变形至少有数百次,执行一次任务平均变形10次,变形一次需要几分钟。变形技术对未来设计将产生深刻的影响,对于大多数设计师来说,SMP的功能性是"违反直觉的",因此设计变形飞机将要求设计师改变传统的设计观念,将原来设计的固定式结构和采用具有不变特性的材料转为考虑复合式结构和可变特性的材料。5.新型压电作动器对于变形机翼来说,最关键的是激励器、作动器、传感器以及锁件机构与软件和控制这些机构的电源能够完全无缝地综合在一起。在MAS项目中,DARPA还资助发展一种新型压电作动器,称之为"紧凑式混合作动器项目",这种作动器相对于传统的作动器来说体积非常小、功效却很大。体积小将带来很大优势,因为如果采用大体积的作动器,其连接机构也将非常大,势必大幅增加机翼重量,有效功率将大大减小。下面图5和图6示出美国宾夕法尼亚州立大学技术研究所在MAS项目支持下为洛克希德·马丁公司的变形折叠机翼设计和制造的应用于折叠机翼和前缘襟翼的压电作动器。变形结构并非只应用于飞机,也可用于卫星或其他航天飞行器。目前美空军/NASA/CRG公司正联合开发在轨道镜(orbital mirrors,收集太阳能以转换成电能)上采用变形结构。在这一设计中,镜子安装在可变形的连接臂上的隔膜内,隔膜与连接臂能够变形折叠起来以便于发射,发射到轨道上后,隔膜与连接臂被激励后展开成所需要的工作形状。DARPA目前首先在无人机上试验变形技术,一旦技术成熟未来还将应用于有人驾驶飞机。DARPA的MAS项目将有助于重新定义战术飞机在未来的作用。随着非常规战争的上涨,许多战斗目标变得小型化、分散广且空防防御能力强,在这种战争环境下,使用具有多任务能力的无人机比常规飞机更加有效且经济。因此开发变形技术并非技术观念上的创新而是从未来作战任务上考虑的结果,可以说是作战任务的变化驱使变形技术的发展。(作者:中国航空工业发展研究中心技术所 张晋平)

乐百家lo622手机版,我们不久前曾报道过 NASA 正在试验可以在空中折叠机翼的变形记忆合金,当时有说为了折叠大片的机翼,安装复杂的机械和油压致动系统是件划不来的事,但显然波音并不这么想,反而准备在新款的 777X 客机上搭载这样的一套系统。波音在 777X 上的主要考量还是在油耗方面,将翼展扩大到 71.6 公尺后,可以让飞行更有效率。然而,虽然这不是客机中最大的翼展(这头衔落在了 A380 的 80 公尺翼展上),但 A380 只能降落在特定的机场,想要有大翼展、又要能在大部份机场降落的话,唯有让翼尖可以向上「收」起来一途。

777X 的翼尖是由碳纤打造,比一般飞机更轻,但美国联邦航空署依然担心安全性的问题,特别为 777X 这新设计增添了一连串的新规范,除了要求飞行中翼尖绝对不能改变形态、并且在地面上要能耐受每小时 120 公里的风速外,也要求波音必须要安装警报系统,避免飞机在翼尖未放下前起飞。在获得 FAA 核可后,777X 还有不少事要搞定才能首飞,包括 GE 引擎的压缩器问题,以及 777X 自身的机翼骨架设计问题。波音希望明年第一季可以让 777X 首飞,商转最快则是大约在明年 12 月可以实现。

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