變形飛機(jī)開創(chuàng)飛行新紀(jì)元

黃步紅

若干年之后，我們的飛機(jī)將可以像鳥兒一樣，“拍動(dòng)”著翅膀飛行

世界上最早的飛機(jī)其實(shí)是有著一對(duì)能活動(dòng)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(dòng)力飛機(jī)飛上了天空。他們的飛機(jī)以密度小的木料、布、以及金屬絲作為原材料，靠滑輪帶動(dòng)，利用翼尖產(chǎn)生滾轉(zhuǎn)力矩而保持平衡。飛機(jī)在12秒內(nèi)飛了36公尺遠(yuǎn)，然后跌跌撞撞落到沙地上。

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

飛行理念百年回眸

萊特兄弟的獨(dú)到之處在于發(fā)明了一套可以讓飛機(jī)在進(jìn)行飛行調(diào)整時(shí)不至于失控的系統(tǒng)。他們的飛機(jī)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(jī)翼的形狀。萊特兄弟所造飛機(jī)的機(jī)翼彈性很大，正因?yàn)槿绱?，機(jī)翼才可以發(fā)生彎曲變形，從而控制飛機(jī)在3個(gè)軸向上的運(yùn)動(dòng)。

雖然萊特兄弟的設(shè)計(jì)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(lái)的受力和機(jī)身的體重，固定機(jī)翼成為飛機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)模式。為了加強(qiáng)飛機(jī)的平衡性，設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)了機(jī)翼后部邊緣處活動(dòng)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(jī)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(gè)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(jì)理念：給飛機(jī)加上一對(duì)可以“拍動(dòng)”的翅膀。

科學(xué)家和工程師們已經(jīng)研制出機(jī)身外表可以像肌肉一樣伸縮的飛機(jī)模型。變形的機(jī)身將大大增強(qiáng)飛機(jī)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(jī)翼將要求能夠彎曲、折疊，飛機(jī)要求能夠根據(jù)具體的情況采用具體的外形來(lái)完成任務(wù)。

打破傳統(tǒng)模式

在最近一項(xiàng)由美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)、空軍研究實(shí)驗(yàn)室(AFRL)和航空航天局(NASA)共同參加的項(xiàng)目中，工程師們?cè)O(shè)計(jì)了一種類似刺狀的結(jié)構(gòu)，將其像蛇一樣分布在機(jī)翼的后緣。研究人員在這個(gè)稱作“智能機(jī)翼”的項(xiàng)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(gè)“刺”都能夠單獨(dú)地傾斜或是延伸，并且由此作用于傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。

在風(fēng)洞測(cè)試中，這種特殊結(jié)構(gòu)的機(jī)翼模型能夠產(chǎn)生70多種變化。此外，相對(duì)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(jī)翼后緣能夠產(chǎn)生更大的滾轉(zhuǎn)力矩(相對(duì)于機(jī)身)。這種機(jī)翼將來(lái)很有希望運(yùn)用到高速、高性能的噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)中。

在DARPA近來(lái)一個(gè)已經(jīng)完成的基礎(chǔ)研究中，項(xiàng)目組證明了經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)改裝后的F-15鷹式戰(zhàn)斗機(jī)的飛行路程能夠提高20%。

新型的變形思路力求根據(jù)簡(jiǎn)單的機(jī)械原理實(shí)現(xiàn)多方面的變形要求。實(shí)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(chǎng)中或者加入磁物質(zhì)后會(huì)變濃；在電或光作用下會(huì)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(jì)劃”的一個(gè)研究?jī)?nèi)容，例如，骨頭很輕很結(jié)實(shí)，因?yàn)樗锌招牡慕Y(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(dòng)系統(tǒng)，就能夠得到一個(gè)非常結(jié)實(shí)、非常輕便、能夠?qū)崿F(xiàn)傳感和自動(dòng)反饋的系統(tǒng)。

變形的作用

2002年春天，來(lái)自AFRL和波音幻影工作室的研究者——目前最先進(jìn)的軍事飛機(jī)研究力量——初步測(cè)試了“活動(dòng)機(jī)翼”在不同飛行條件下的機(jī)翼參數(shù)。投入實(shí)驗(yàn)的是經(jīng)過(guò)改良的F/A-18A超音速戰(zhàn)斗機(jī)。這種噴氣式飛機(jī)的機(jī)翼相對(duì)于其在20世紀(jì)80年代設(shè)計(jì)的樣子，變得異常瘦削，并且扭曲得很厲害，同時(shí)這種飛機(jī)的排放物是無(wú)污染的。

這些“活動(dòng)機(jī)翼”有各種明顯的優(yōu)點(diǎn)：由于它的彈性和瘦削的外表，相對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)翼，在設(shè)計(jì)上能夠減輕機(jī)身15%的重量。更重要的是，完全使用活動(dòng)機(jī)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(rèn)為經(jīng)過(guò)改進(jìn)的F/A-18，比原來(lái)的F/A-18戰(zhàn)斗機(jī)擁有更好的性能，尤其在高速條件下?！盇FRL項(xiàng)目組的組長(zhǎng)彼特M·弗利克說(shuō)道。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，這種外形上的變化能夠使飛機(jī)達(dá)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(chǎng)(例如短跑道起飛場(chǎng))。

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(jì)劃出一種飛機(jī)，它擁有一對(duì)柔軟的“翅膀”；另一個(gè)項(xiàng)目正在研究一種變形機(jī)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(jī)變形結(jié)構(gòu)”的項(xiàng)目中提到，2005年前，他們將研究出能夠在長(zhǎng)度或者面積上變化50%的飛機(jī)。這是一個(gè)巨大的改變：相比較之下，傳統(tǒng)的飛機(jī)最多只能改變外形的5%。

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

隨著“變形規(guī)劃”的研究深入，NASA于2001年出臺(tái)了一個(gè)稱為21世紀(jì)新航空飛行器的“變形”飛機(jī)計(jì)劃。這種飛機(jī)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(duì)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(jī)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(jì)2030年，這種想法能成為現(xiàn)實(shí)。

雖然萊特兄弟在100年前就已經(jīng)使用了變形飛機(jī)，但現(xiàn)代變形飛機(jī)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(huì)進(jìn)入一個(gè)嶄新的階段。