劉凱 曹曉飛 李營 方岱寧

摘要：安全、穩(wěn)定、高效是當(dāng)前飛機機翼設(shè)計領(lǐng)域重點關(guān)注的問題。機翼是提供升力的主要部件之一，可變形機翼在改善飛機整體性能方面有巨大潛力。以智能材料為代表的新材料的發(fā)展對機翼柔性蒙皮、驅(qū)動裝置、控制技術(shù)以及輕量化結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了革命性的變革，拓展了手性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍。基于手性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、飛機機翼的氣動性能分析、先進的制備工藝等技術(shù)而設(shè)計的變形機翼，可在不同飛行速度、飛行坡度以及周圍流場改變其機翼形狀，從而提高飛行效率，這是飛機機翼結(jié)構(gòu)設(shè)計的前沿領(lǐng)域，也是未來重要的發(fā)展方向。本文介紹了手性超結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法及當(dāng)前的研究現(xiàn)狀，總結(jié)闡述了當(dāng)前國內(nèi)外基于手性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計的可變形機翼的研究進展，為我國可變形飛機機翼的設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：變形機翼；柔性材料；手性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；氣動性能；飛行效率

中圖分類號：224.3文獻標(biāo)識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2022.01.003

基金項目：國家自然科學(xué)基金（11802030）

基于飛行工況進行機翼表面的主動形狀控制是飛機工程中最具挑戰(zhàn)性的問題之一。根據(jù)飛行高度、馬赫數(shù)以及飛機重量（質(zhì)量）進行機翼外形設(shè)計，并對其外形參數(shù)進行優(yōu)化是常用的機翼設(shè)計方法，這種設(shè)計方案形成的機翼具有固定的幾何形狀[1]。固定構(gòu)型機翼可以保證飛行器在一種特定工況下性能達到最優(yōu)。然而，隨著軍民領(lǐng)域復(fù)雜任務(wù)需求的增加，飛行器面臨空中偵察、搶險救災(zāi)、遠程運輸、航空攝影等日益復(fù)雜多變的飛行環(huán)境，如在飛行時旋翼和機身會產(chǎn)生嚴(yán)重的氣動干擾現(xiàn)象，且該現(xiàn)象與飛行速度密切相關(guān)。因此，起降、巡航、高速飛行工況下對飛機機翼的外形參數(shù)均有不同的要求[2-3]。傳統(tǒng)固定構(gòu)型的飛機機翼不能改變其機翼外形以適應(yīng)不同的飛行工況，導(dǎo)致飛行器性能的損耗[4]。自飛機誕生以來，研究者們試圖利用仿生學(xué)的方法設(shè)計出能夠自主變化的機翼，以提高飛行效率。力學(xué)、材料、制造工藝以及控制技術(shù)等學(xué)科的快速發(fā)展為解決此類問題提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

美國于1995年開展智能翼項目研究，截至今日，美國洛克希德-馬丁公司（Lockheed Martin Corporation）、新一代航空公司（NextGen Aeronautics）、波音公司（Boeing）、德國航空航天研究院（DLR）對陸續(xù)原有結(jié)構(gòu)進行改進，分別提出折疊翼[5]、變后掠翼（MFX-1）[6]、展向自適應(yīng)機翼[7]、MFC驅(qū)動機翼[8]等機翼形式，實現(xiàn)了飛行器性能和效率的大幅提升?；谛虏牧?、新構(gòu)型的智能變形機翼的研究已然邁入快速發(fā)展階段。

手性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是由圓環(huán)節(jié)點和韌帶連接而組成的一種新型輕質(zhì)多孔結(jié)構(gòu)，通過圓環(huán)節(jié)點的旋轉(zhuǎn)和韌帶的彎曲變形可實現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)的變形，可滿足變形機翼輕量化、大變形、變形連續(xù)等需求。以北京理工大學(xué)、佐治亞理工學(xué)院等為代表的國內(nèi)外高校對手性結(jié)構(gòu)的動靜態(tài)力學(xué)性能表征、變形機理、結(jié)構(gòu)創(chuàng)新及理論研究進行了大量研究。目前，基于手性結(jié)構(gòu)設(shè)計的變形機翼的大多數(shù)研究還處在從概念設(shè)計到試驗表征的過渡階段，尚未投入大規(guī)模使用。

變形機翼涵蓋的范圍較廣，涉及的材料、構(gòu)型種類眾多。本文著重研究了基于手性結(jié)構(gòu)設(shè)計的變形機翼的研究現(xiàn)狀，綜合目前材料、力學(xué)、控制技術(shù)等領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀，探究未來變形機翼的發(fā)展趨勢。

1發(fā)展現(xiàn)狀

1.1手性超結(jié)構(gòu)

手性超結(jié)構(gòu)由Kelvin于1894年提出?！笆中浴币辉~最初用來描述物理幾何的關(guān)系，它的表述為：如果一個物體不可以由它的鏡像通過旋轉(zhuǎn)和平移得到，那么就稱其為手性[9]。

根據(jù)結(jié)構(gòu)的特殊排列與空間維度，手性超結(jié)構(gòu)可以分為二維手性結(jié)構(gòu)和三維手性結(jié)構(gòu)。二維手性結(jié)構(gòu)是將節(jié)點和韌帶在二維平面上進行周期性排列形成的平面結(jié)構(gòu)，在實際的模型制備時需要將平面結(jié)構(gòu)沿著面外方向拉伸一定厚度。三維手性結(jié)構(gòu)是由節(jié)點和韌帶在三維空間上按一定規(guī)則連接的三維結(jié)構(gòu)。與二維平面結(jié)構(gòu)相比，其構(gòu)型更加復(fù)雜，種類更加豐富。根據(jù)圓環(huán)節(jié)點上連接的韌帶數(shù)目，可以分為三、四、六韌帶手性結(jié)構(gòu)；根據(jù)韌帶和圓環(huán)節(jié)點的相對位置又可分為手性和反手性。前人的研究表明，反手性結(jié)構(gòu)受到壓縮時韌帶兩端的圓環(huán)會朝不同方向旋轉(zhuǎn)，使得韌帶彎曲進而產(chǎn)生負(fù)泊松比效應(yīng)。負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)不同于常規(guī)正六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)，它在軸向壓縮時，橫向會收縮，整體結(jié)構(gòu)瞬時密度增加，瞬時彈性模量增加，引起結(jié)構(gòu)剛度增加，可提高結(jié)構(gòu)的承載能力，這一結(jié)論被郭亞鑫等[10]研究中的內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)蜂窩結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)試驗證實。此外，負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)在承受面外載荷時胞壁易屈曲形成拱形，橫向曲率和彎曲的主曲率一樣，被稱為同向曲率或雙曲率現(xiàn)象，這種變形機制提高了面內(nèi)切變模量和壓陷阻力[11]。而常規(guī)的正六邊形蜂窩在承受面外載荷時，會出現(xiàn)馬鞍形狀的反背曲率形變[12]，以該形狀作夾芯結(jié)構(gòu)時會引起蒙皮的不連續(xù)變形[13]。魏路路等[14]將內(nèi)凹六邊形蜂窩頂點替換為圓形節(jié)點，并將相鄰圓形節(jié)點采用反手性的連接方式得到內(nèi)凹-反手性蜂窩，如圖1所示。與傳統(tǒng)蜂窩相比，內(nèi)凹結(jié)構(gòu)和圓環(huán)節(jié)點旋轉(zhuǎn)的協(xié)同作用使得該結(jié)構(gòu)的能量吸收性能更強，負(fù)泊松比效應(yīng)更加明顯[15-24]。因此，與傳統(tǒng)蜂窩結(jié)構(gòu)相比，具有負(fù)泊松比效應(yīng)的手性結(jié)構(gòu)在飛行器變形結(jié)構(gòu)等應(yīng)用中稱為理想的結(jié)構(gòu)材料。常見的二維、三維手性蜂窩結(jié)構(gòu)分別如圖2和圖3所示。

1.1.1手性超結(jié)構(gòu)理論研究

目前，關(guān)于手性超結(jié)構(gòu)的理論研究多集中在探究手性蜂窩靜態(tài)力學(xué)性能與解釋負(fù)泊松比行為的機制上[25]。關(guān)于手性結(jié)構(gòu)公式的推導(dǎo)多基于以下5個假設(shè)：（1）圓環(huán)節(jié)點是完全剛性的，即不考慮圓環(huán)節(jié)點的變形；（2）與施加載荷方向垂直的力忽略不計；（3）內(nèi)力取決于觀察到的結(jié)構(gòu)的變形；（4）韌帶的剪切變形與軸向變形忽略不計；（5）基于小變形假設(shè)，僅考慮韌帶的彈性彎曲變形而忽略塑性變形。

基于上述假設(shè)，國外學(xué)者Prall等[26]根據(jù)能量法，由傳統(tǒng)梁理論首次揭示了面內(nèi)彈性模量、泊松比和結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系，并通過試驗證明了六韌帶手性蜂窩結(jié)構(gòu)的泊松比為-1，該結(jié)果與理論模型吻合較好；Alderson等[27]認(rèn)為上述方法沒有考慮到韌帶厚度與圓環(huán)重合的部分，提出了有效長度的概念，并推出了三、四韌帶手性/反手性和六韌帶手性蜂窩結(jié)構(gòu)在小變形下的解析表達式。研究結(jié)果表明，在相同情況下，不同手性蜂窩結(jié)構(gòu)在壓縮變形時的力學(xué)性能有很大差異，其中，三韌帶手性蜂窩結(jié)構(gòu)的彈性模量最?。恍∽冃吻闆r下，四韌帶手性蜂窩結(jié)構(gòu)的泊松比等于-1。Lorato等[28]進一步研究了三、四、六手性蜂窩結(jié)構(gòu)的面外力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)之間的關(guān)系，計算了不同手性蜂窩結(jié)構(gòu)的切變模量以及橫向剪切剛度的Voigt以及Reuss邊界，研究結(jié)果對手性蜂窩結(jié)構(gòu)的應(yīng)用提供了理論指導(dǎo)。Bacigalupo等[29]基于微極彈性均質(zhì)化和梯度均勻化方法探究了四、六韌帶手性蜂窩結(jié)構(gòu)的均勻化問題，通過彈性模量解析表達式揭示了名義應(yīng)變與非對稱應(yīng)變在微極連續(xù)體的耦合關(guān)系。基于卡式定理，Mousanezhad等[30]系統(tǒng)推導(dǎo)了四、六韌帶手性/反手性結(jié)構(gòu)的彈性模量和泊松比的解析表達式。

近年來，不僅僅國外學(xué)者展開了相關(guān)理論研究，國內(nèi)學(xué)者在手性結(jié)構(gòu)理論研究方面也取得了很大進展。針對現(xiàn)有的非中心對稱的微極理論無法表征二維手性結(jié)構(gòu)的手性效應(yīng)問題，Liu等[31]提出一種連續(xù)介質(zhì)理論模擬二維各向同性手性結(jié)構(gòu)的手性效應(yīng)，并基于此方法確定了手性蜂窩材料的有效材料常數(shù)。該離散模型的精確解驗證了非手性模型無法預(yù)測的結(jié)果，很好地解釋了拉脹-旋轉(zhuǎn)以及剪切-旋轉(zhuǎn)等效應(yīng)。Chen等[32]基于均勻化理論探究了韌帶長度不相等情況下的四邊反手性蜂窩結(jié)構(gòu)的各向異性性能特征，通過研究其彈性力學(xué)性能常數(shù)與幾何參數(shù)之間的關(guān)系，得到了面內(nèi)切變模量和泊松比封閉形式的表達式，該表達式對四邊反手性蜂窩結(jié)構(gòu)的各向異性設(shè)計具有指導(dǎo)意義?；谑中苑涓C結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)機制，F(xiàn)u等[21]將不同層的手性結(jié)構(gòu)通過旋轉(zhuǎn)的韌帶連接設(shè)計出了三維手性結(jié)構(gòu)，并基于梁理論和細觀力學(xué)推導(dǎo)了彈性模量和泊松比的解析表達式。Yuan等[33]構(gòu)造了一種廣義的微極彈性均勻化方法來表征各向異性點陣中的方向模量、泊松比和耦合效應(yīng)。研究結(jié)果表明，可以通過晶格結(jié)構(gòu)的幾何重構(gòu)來調(diào)整結(jié)構(gòu)的各向異性。在手性結(jié)構(gòu)大變形的理論研究方面，Zhong等[34]基于梁的大變形彎曲理論，利用橢圓積分方法推導(dǎo)了手性蜂窩結(jié)構(gòu)的面內(nèi)非線性力學(xué)本構(gòu)關(guān)系，揭示了其非正交各向異性的性質(zhì)。Hu等[35-37]基于試驗現(xiàn)象的觀測先后建立了三韌帶反手性蜂窩受不同方向壓縮的理論模型，該模型能夠很好地預(yù)測結(jié)構(gòu)大變形時的泊松比變化和平臺應(yīng)力。如圖4所示，Qi等[38]設(shè)計并通過理論、模擬和試驗研究了新型三維手性超材料的力學(xué)性能。上述研究為手性結(jié)構(gòu)用于可變形機翼提供理論基礎(chǔ)。

1.1.2基于手性超結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新

隨著生物醫(yī)學(xué)、航空航天、智能制造等高端技術(shù)行業(yè)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的蜂窩結(jié)構(gòu)難以滿足高比吸能、大范圍泊松比可調(diào)可控以及輕量化等多種優(yōu)良性能集于一體的多功能化需求，限制了行業(yè)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。針對這一問題，一個較好的思路是通過創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計來滿足多功能一體化需求。因此，國內(nèi)外學(xué)者在結(jié)構(gòu)創(chuàng)新方面做了大量工作。Alderson等[39]通過將傳統(tǒng)蜂窩結(jié)構(gòu)中桿/板件角點替換為圓形節(jié)點設(shè)計了三韌帶手性/反手性以及內(nèi)凹三韌帶手性/反手性結(jié)構(gòu)。Lakes[40]基于將負(fù)熱膨脹材料與手性結(jié)構(gòu)相結(jié)合的思想，設(shè)計并研究了具有負(fù)熱膨脹系數(shù)的手性超結(jié)構(gòu)的力學(xué)性質(zhì)。Ha等[19]將三維手性結(jié)構(gòu)設(shè)計成具有拉扭耦合特性的立方體結(jié)構(gòu)，并通過經(jīng)典Cosserat彈性理論建立了該模型的本構(gòu)關(guān)系。研究結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)的泊松比具有明顯的尺寸效應(yīng)。隨后，Ha等[41]還通過有限元分析進一步研究了三維各向同性手性結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性。除了周期性的規(guī)則設(shè)計之外，不規(guī)則和無序的手性超結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能也被學(xué)者們廣泛研究。Mizzi等[42-43]基于傳統(tǒng)六韌帶手性蜂窩結(jié)構(gòu)提出了非周期性對稱的六韌帶手性蜂窩結(jié)構(gòu)以及節(jié)點無序結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了更大范圍的負(fù)泊松比調(diào)控，拓寬了手性蜂窩結(jié)構(gòu)的應(yīng)用場景。Pozniak等[44]探究了圓形節(jié)點大小隨機分布的反手性結(jié)構(gòu)的負(fù)泊松比效應(yīng)。

國內(nèi)學(xué)者在結(jié)構(gòu)創(chuàng)新方面也做了大量工作。Fu等[21]通過斜向扭轉(zhuǎn)韌帶將不同平面的二維手性結(jié)構(gòu)連接，形成了平面內(nèi)外均可扭轉(zhuǎn)的新型三維多孔材料。Chen等[32]設(shè)計了韌帶長度不等的四韌帶反手性蜂窩結(jié)構(gòu)。Duan等[45]基于二維手性材料的拉扭耦合效應(yīng)提出三維負(fù)泊松比材料設(shè)計方法，實現(xiàn)了泊松比和彈性模量在更大范圍的調(diào)控。Zhao等[46]設(shè)計并探究了四韌帶和六韌帶結(jié)構(gòu)的形狀記憶效應(yīng)，研究結(jié)果表明手性超結(jié)構(gòu)在開發(fā)可編程超材料等方面具有很大的潛力。傳統(tǒng)的優(yōu)化方法通常是改變圓環(huán)節(jié)點的形狀、韌帶和圓環(huán)節(jié)點的連接方式等，與基于優(yōu)化算法的優(yōu)化方法相比，存在用時時間長、魯棒性差、可解釋性不強、性能不能達到最優(yōu)等缺點。近年來，拓?fù)鋬?yōu)化、機器學(xué)習(xí)等優(yōu)化算法為力學(xué)超材料在承受不同載荷下的優(yōu)化設(shè)計提供了可行的技術(shù)支持。大連理工大學(xué)張會凱[47]基于獨立節(jié)點密度法、多材料模型和漸進均勻化理論設(shè)計的雙材料多孔負(fù)泊松比超材料比單一材料的承載能力、抗剪切能力更強?；谶z傳算法，Qiu等[48]對六韌帶手性蜂窩結(jié)構(gòu)的形狀和尺寸進行優(yōu)化，使得優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)在大變形時彈性模量和泊松比保持在一定的范圍內(nèi)，該結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法對飛機變形的設(shè)計具有重要意義。如圖5所示，北京理工大學(xué)的方岱寧課題組也開展了大量研究工作，并設(shè)計了梯度手性超結(jié)構(gòu)[49]、多級手性超結(jié)構(gòu)[50]和混合手性圓柱超結(jié)構(gòu)[51-53]等創(chuàng)新構(gòu)型，揭示了手性超結(jié)構(gòu)用于可變形機翼的內(nèi)在機制和變形機理。

1.2變形機翼

機翼是提供升力的主要部件，其面內(nèi)設(shè)計參數(shù)主要包括展長、弦長、后掠角；面外設(shè)計參數(shù)主要包括扭轉(zhuǎn)剛度、翹曲度、彎度等[54]，這些結(jié)構(gòu)參數(shù)與決定飛行器飛行狀態(tài)的升力系數(shù)、升阻比、外傾角等參數(shù)密切相關(guān)。變形機翼（morphing wings）也可稱為智能機翼（smart wings）、主動機翼（active wings）或自適應(yīng)機翼（adaptive wings），能夠根據(jù)實際的飛行環(huán)境改變其外形參數(shù)，進而減少或消除顫振，減小氣動阻力，改善操縱特性，使得飛機在飛行任務(wù)中始終處于最優(yōu)狀態(tài)[55-56]。此外，該機翼還可以擴展飛行器的飛行包線，減少襟翼式結(jié)構(gòu)[57]。歐美等發(fā)達國家對變形機翼的研究起步較早，變形機翼的設(shè)計最早可追溯至1890年，Clement Ader基于蝙蝠外形而設(shè)計出具有可折疊翼的飛行器，并將其命名為“Eolo”，如圖6所示。但由于該設(shè)計只是簡單的模仿而缺乏一定的科學(xué)依據(jù)，最終以失敗告終。直至1903年，Wright兄弟設(shè)計出Wright Flyer I”并試飛成功，實現(xiàn)了人類的飛行夢想。此后30年間，歐美等國家先后開發(fā)出變后掠翼、伸縮翼、變展長、變弦長、變彎度等可變形機翼。自20世紀(jì)40年代開始，關(guān)于變形機翼的研究進入快速發(fā)展時期，如意大利、德國的Tornado、美國的X-5、F-111、XB-70，蘇聯(lián)的MAK-10、SU-17、MIG-23、TU-160等變體飛行器為該時期的典型代表[55]。由于早期的機械制造工藝、材料研究水平較低，飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計往往比較復(fù)雜，機身只能采用剛度更大的材料，以滿足更高承載性和更快的飛行速度需求。機翼變形主要通過傳統(tǒng)機械式的剛性結(jié)構(gòu)之間的滑動和轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)。這種機翼結(jié)構(gòu)需要多個鉸鏈和軸承的協(xié)同作用，雖然可以在一定程度上改善飛機性能，但驅(qū)動裝置、變體結(jié)構(gòu)的使用，一方面對制造工藝、控制精度要求較高；另一方面增加了飛機結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，維護成本高，同時增加了飛機的重量（質(zhì)量），限制了飛機的機動性、靈活性以及可操作性，無法滿足未來軍民領(lǐng)域?qū)︼w行器輕量化、智能化、信息化等多功能一體化的需求，因此無法廣泛適用飛行器結(jié)構(gòu)。表1列舉了自1890年至20世紀(jì)80年代研發(fā)的部分變形機翼的型號與及其變形方式。經(jīng)過近百年的發(fā)展，研究者基于變體結(jié)構(gòu)設(shè)計了多種變體機翼。目前，關(guān)于變形機翼的分類有不同的標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)機翼的變形模式，本文將其主要類型大致分為伸縮翼、折疊翼、變后掠翼以及傾轉(zhuǎn)旋翼4種類型，結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。

在航空航天領(lǐng)域，變形機翼最重要的功能是為機翼提供連續(xù)變形的能力。新型變形機翼的研發(fā)已成為各國航空工業(yè)的重要任務(wù)之一。20世紀(jì)80年代以來，柔性材料的研究為解決飛行器高承載性和高機動性之間的矛盾提供了新的方案。同時，計算機仿真技術(shù)的發(fā)展極大地縮短了從設(shè)計到驗證所需的時間，力學(xué)體系的完善為機翼的可靠性驗證提供了理論指導(dǎo)。各國的研究者們從材料研究、制造工藝、結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、控制技術(shù)4個方面相繼提出不同構(gòu)型、不同材料的變形機翼。

本文將變形機翼的發(fā)展歷程分為剛性變形階段和柔性變形階段。第一階段為1890年至20世紀(jì)80年代，這一階段機翼的材料主要為傳統(tǒng)的剛性材料，變形模式以剛性變形為主；第二階段為20世紀(jì)80年代后，這一階段的材料主要為柔性材料，變形模式以柔性變形為主。本文主要介紹柔性變形階段的機翼發(fā)展歷程。

1.2.1基于手性結(jié)構(gòu)設(shè)計的變形機翼

近年來，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和材料選擇方面，多孔材料因其具有良好的比剛度、比強度以及吸能特性而得到廣泛關(guān)注。自然界中存在大量的多孔材料，如木材、蛋殼、蜂窩等，如圖8所示。根據(jù)構(gòu)型排布特點，多孔材料可以分為兩大類：一類是泡沫材料/結(jié)構(gòu)，其典型特征是構(gòu)型無序，進一步地根據(jù)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的連通性可以分為開孔泡沫和閉孔泡沫；另一類是構(gòu)型有序，排列呈周期性分布的多孔結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸較為均勻，也稱為點陣結(jié)構(gòu)。比較常見的點陣結(jié)構(gòu)包括蜂窩結(jié)構(gòu)、格柵結(jié)構(gòu)、桿狀點陣結(jié)構(gòu)等。手性蜂窩是一種有序的多孔結(jié)構(gòu)/材料，與傳統(tǒng)的多孔材料相比，它具有豐富的變形模式、較高的可設(shè)計性以及多樣的設(shè)計參數(shù)。

由于傳統(tǒng)機翼結(jié)構(gòu)的靈活性較差，基于仿生學(xué)思想，從結(jié)構(gòu)設(shè)計的角度出發(fā)，1999年德國航空航天研究院（DLR）提出“手指概念”，其核心是一種由分離的板狀元件構(gòu)成的柔性機翼，元件之間通過旋轉(zhuǎn)接頭連接而成。與傳統(tǒng)機翼結(jié)構(gòu)相比，該機翼呈連續(xù)變化的弧度的外表面可為飛行器提供更好的升力和更小的阻力[58]。隨后，該研究機構(gòu)針對機翼結(jié)構(gòu)中梁、肋、桁條等零部件高度分化帶來的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維修成本過高的問題，提出了皮帶-肋的自適應(yīng)機翼的概念，這種設(shè)計方法是使用新的belt rib將原有零部件高度集中[59]。相比于傳統(tǒng)剛性變形翼形結(jié)構(gòu)，這種設(shè)計方法的主要優(yōu)勢在于：（1）零件大幅減少，維修成本低，質(zhì)量輕；（2）承載能力強，強度大，可靠性高；（3）自主變形，無須借助主動驅(qū)動系統(tǒng)；（4）翼型產(chǎn)生連續(xù)變形，可控制機翼和葉片的氣動彈性和結(jié)構(gòu)性能。

上述研究結(jié)果表明，連續(xù)變化弧度的外表面可提升飛行器性能。手性蜂窩的變形機制能夠很好地產(chǎn)生連續(xù)變形。手性蜂窩結(jié)構(gòu)由圓環(huán)和韌帶組成，在變形過程中韌帶繞圓環(huán)節(jié)點旋轉(zhuǎn)，這種旋轉(zhuǎn)機制允許翼型截面在平面內(nèi)產(chǎn)生連續(xù)的變形。受到上述研究的啟發(fā)，眾多學(xué)者開始思考將具有負(fù)泊松比特性的手性蜂窩結(jié)構(gòu)用于變形機翼，以探究新結(jié)構(gòu)對機翼性能的影響。然而，傳統(tǒng)制造工藝存在周期長、成本高、易產(chǎn)生缺陷等問題，難以發(fā)揮手性結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，極大地限制了手性蜂窩結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用。近年來，增材制造工藝以及計算機數(shù)值仿真技術(shù)的不斷發(fā)展解決了上述問題。2005年，謝菲爾德大學(xué)Bornengo等[60]以賽車車型Eppler 420為研究對象，首次將六邊形手性蜂窩結(jié)構(gòu)作為賽車翼箱的芯層結(jié)構(gòu)（見圖9）。2006年，佐治亞理工學(xué)院Spadoni等[61-62]研究了動態(tài)載荷下手性結(jié)構(gòu)的頻響特性，采用動態(tài)形狀函數(shù)描述手性結(jié)構(gòu)在寬頻率范圍內(nèi)的變形行為。數(shù)值仿真結(jié)果與模態(tài)試驗表明，手性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在固有頻率激勵時具有局部的形變特征，由此可利用共振效應(yīng)來最小化局部變形出現(xiàn)所需的功率?；谇笆鲅芯浚琒padoni等[63]隨后將手性結(jié)構(gòu)應(yīng)用于機翼結(jié)構(gòu)，并通過計算力學(xué)和結(jié)構(gòu)分析的物理耦合模型研究了手性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對機翼氣動性能的影響，基于手性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計的機翼及試驗裝置如圖10所示。2008年，布里斯托大學(xué)Martin等[64]探討了基于手性蜂窩結(jié)構(gòu)設(shè)計的被動變形機翼的弧度隨氣流的變化，試驗結(jié)果表明，機翼的變形與氣動載荷之間呈現(xiàn)非線性關(guān)系，通過調(diào)整手性蜂窩結(jié)構(gòu)參數(shù)可改變機翼的外傾角，從而提供較高的變形能力，同時能保持機翼翼盒的結(jié)構(gòu)完整性。2011年，韓國學(xué)者Heo等[65]以鋁合金為基體材料，基于手性蜂窩、六邊形蜂窩以及內(nèi)凹六邊形蜂窩制備了三種不同類型的機翼結(jié)構(gòu)（見圖11），采用流固耦合模型模擬機翼在流場作用下的變形能力。數(shù)值結(jié)果表明，以負(fù)泊松比蜂窩結(jié)構(gòu)為芯層的機翼能夠兼顧剛度和柔性的需求，同時在相同的載荷時具有更低的局部應(yīng)力。該研究表明，手性蜂窩結(jié)構(gòu)具備用作被動翼型的潛力。2011年，代爾夫特理工大學(xué)Vos等[66]提出一種壓力自適應(yīng)蜂窩結(jié)構(gòu)（見圖12），該結(jié)構(gòu)是利用蜂窩內(nèi)的壓力來自發(fā)改變其結(jié)構(gòu)的剛度和形狀，風(fēng)洞試驗表明壓力自適應(yīng)蜂窩可改變機翼部分的空氣動力學(xué)特性，基于壓力自適應(yīng)蜂窩設(shè)計的變形機翼如圖13所示。趙顯偉[67]通過拉伸試驗和面外承載試驗證明手性蜂窩結(jié)構(gòu)具有面內(nèi)變形、面外承載的雙重作用，并將三、四、六韌帶手性/反手性蜂窩結(jié)構(gòu)材料作為飛機機翼的填充材料，通過改變手性蜂窩結(jié)構(gòu)參數(shù)可得到不同厚度的機翼蒙皮，氣動載荷試驗結(jié)果進一步表明手性蜂窩結(jié)構(gòu)可滿足面內(nèi)低模量和面外高承載需求，它是作為機翼蒙皮合適的填充材料。填充材料為手性蜂窩結(jié)構(gòu)的蒙皮試驗裝置如圖14所示。

需要指出的是，由于需要同時滿足高承載和高機動性的需求，早期受限于材料科學(xué)的限制，機翼采用的材料多為金屬材料，這在一定程度上抵消了因結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來性能提升的優(yōu)勢。因此，僅通過結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來性能的提升有限。隨著新材料的發(fā)展，研究者們開始將目標(biāo)轉(zhuǎn)向新型材料的應(yīng)用。圖15為近20年基于不同材料制備的手性結(jié)構(gòu)機翼的發(fā)展歷程。從時間歷程可以看出，基體材料逐漸由樹脂、金屬鋁轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)合材料、智能材料和自適應(yīng)材料。

1.2.2基于新材料設(shè)計的變形機翼

智能材料是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的一類新型功能材料。與傳統(tǒng)材料不同，智能材料通常以某一智能化體系方式存在，其定義為：由多種材料通過有機緊密復(fù)合或嚴(yán)格的科學(xué)組裝而成的材料系統(tǒng)[68]。智能材料種類眾多，其中，形狀記憶合金、壓電材料、形狀記憶聚合物、電流變材料、磁流變材料均可歸為智能材料[69]。在新材料中，復(fù)合材料常作為蜂窩結(jié)構(gòu)的基體材料，形狀記憶合金、形狀記憶聚合物以及壓電材料等智能材料通常作為驅(qū)動器來驅(qū)動機翼的變形。

（1）復(fù)合材料

復(fù)合材料是將不同性質(zhì)的材料通過先進的制備工藝組合而成的新型材料，相比于傳統(tǒng)的金屬材料，復(fù)合材料具有熱膨脹系數(shù)小、可設(shè)計性強、比剛度大、比強度大等特點，可滿足輕量化、高承載等需求，已逐漸成為交通運輸、航空航天領(lǐng)域關(guān)注的熱點[70-73]。

2010年，米蘭理工大學(xué)研究了基于長纖維增強聚合物制備的具有手性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜蜂窩結(jié)構(gòu)在載荷作用下的變形模式和失效機理[57]；之后，他們又提出了復(fù)合材料手性蜂窩結(jié)構(gòu)用作機翼內(nèi)部柔性結(jié)構(gòu)的解決方案。具體方法是在復(fù)合材料制備工藝中，將不同的單元黏合，在黏合過程中將彈性嵌件均勻壓在一起，由此產(chǎn)生的復(fù)合材料手性結(jié)構(gòu)可以用非常薄的韌帶和不同類型的復(fù)合材料制成。同時，他們也提出了復(fù)合波紋層合板用作外部柔性蒙皮的設(shè)計方法：將蜂窩結(jié)構(gòu)支撐的彈性層集成到波紋層合板中，以解決波紋板不規(guī)則的表面會增加氣動阻力并降低升力的問題[74]。基于復(fù)合材料制備的手性結(jié)構(gòu)的機翼變形模式如圖16所示。2012年，西班牙航空公司研究了碳纖維/環(huán)氧樹脂增強復(fù)合材料的失效機理以及復(fù)合材料鋪層順序、手性結(jié)構(gòu)幾何尺寸對機翼靜態(tài)和動態(tài)性能的影響[75]。結(jié)果表明，復(fù)合材料手性蜂窩芯用于氣動表面結(jié)構(gòu)在有限的應(yīng)變范圍內(nèi)具有較大的弧度變化，并基于計算結(jié)果進行了數(shù)值優(yōu)化。優(yōu)化結(jié)果表明，在低速飛行模式下，升力曲線斜率增加一倍，在迎角范圍內(nèi)增大了升力系數(shù)。以上研究均表明基于復(fù)合材料制備的手性結(jié)構(gòu)用于變形機翼具有巨大潛力。

（2）形狀記憶合金

形狀記憶合金（SMA）材料因其具有獨特的形狀記憶效應(yīng)、超彈性特性以及生物相容性等優(yōu)勢，具有廣泛的應(yīng)用空間和多元化的發(fā)展前景[76-77]。

為探究形狀記憶合金材料對手性蜂窩結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響，2008年，謝菲爾德大學(xué)Hassan等[78]提出智能蜂窩結(jié)構(gòu)的概念，該結(jié)構(gòu)以形狀記憶合金為基體材料制備手性蜂窩結(jié)構(gòu)，研究了該結(jié)構(gòu)在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮下的泊松比變化歷程，并進一步探究智能蜂窩結(jié)構(gòu)用作可展開桁架的變形行為。2012年，布里斯托大學(xué)設(shè)計了一種基于形狀記憶合金材料制備的天線，該天線由手性結(jié)構(gòu)組成，具有可開展特性。模態(tài)分析表明該結(jié)構(gòu)的模態(tài)響應(yīng)的最小閾值滿足設(shè)計需求。目前，變形飛行器朝著小型化和輕量化的方向發(fā)展，這限制了電池的尺寸和容量。因此，飛行器的飛行時間和航程有限。機翼的變形需要驅(qū)動器的驅(qū)動，得益于材料的形狀記憶效應(yīng)，基于形狀記憶合金制備的智能驅(qū)動器具有能量密度大、輸出位移/力高等優(yōu)點。20世紀(jì)末至今，美國國防預(yù)先研究計劃局（DARPA）、美國空軍研究實驗室（AFRL）、美國國家航空航天局（NASA）等均展開SMA應(yīng)用于機翼的研究[79]。如美國國家航空航天局（NASA）和波音公司合作研發(fā)的一種由SMA驅(qū)動的可變彎度后緣襟翼[80]，SMA驅(qū)動的可變翼梢小翼無人機PTERA[76]，如圖17所示。2014年，印度理工學(xué)院Prajapati等[81]將SMA驅(qū)動器嵌入手性蜂窩結(jié)構(gòu)，為手性結(jié)構(gòu)的變形提供能量。SMA驅(qū)動手性蜂窩結(jié)構(gòu)變形如圖18所示。

（3）形狀記憶聚合物

形狀記憶聚合物（SMP）是一種可實現(xiàn)大應(yīng)變的高分子聚合物，由于溫度變化會引起聚合物分子鏈的熔融結(jié)晶，因此會在聚合物中產(chǎn)生形狀記憶效應(yīng)。相比其他形狀記憶材料，形狀記憶聚合物具有形變大、溫度轉(zhuǎn)換易控以及成本低等優(yōu)勢[82-84]。

2014年，波士頓大學(xué)Rossiter等[85]利用熱響應(yīng)形狀記憶聚合物（SMP）制備了六韌帶手性結(jié)構(gòu)，通過熱循環(huán)試驗使其表現(xiàn)出自展開功能，并進一步研究了韌帶和圓環(huán)夾角對其變形性能和變剛度性能的影響。2017年，布里斯托大學(xué)Neville等[86]以剪紙技術(shù)Kirigami為設(shè)計靈感，使用SMP制備了具有可調(diào)變形和形狀變形性能的六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)。2018年，Huang等[87]將ABS塑料的內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)用SMP的薄板相連接，由于SMP材料的形狀記憶效應(yīng)，該結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出形狀記憶效應(yīng)和變剛度特性，并通過試驗進一步研究了薄板厚度、溫度等對形狀記憶效應(yīng)和變剛度性能的影響。基于形狀記憶聚合物制備的零泊松比蜂窩結(jié)構(gòu)如圖19所示。SMP也可用作驅(qū)動器，2021年Tao等[88]基于蜂窩結(jié)構(gòu)的接觸摩擦帶電波狀表面，設(shè)計了一種用于生物力學(xué)和無人機變形機翼能量收集的蜂窩式摩擦電納米發(fā)電機，能夠在飛行器飛行過程中收集機翼振動產(chǎn)生的動能并將其轉(zhuǎn)化為電能。變形機翼發(fā)電機裝置如圖20所示。

（4）壓電材料

壓電材料是一種具有壓電效應(yīng)的多晶體，能夠?qū)C械能和電能相互轉(zhuǎn)換，即材料尺寸的變化會產(chǎn)生電流，電流也會引起材料尺寸的變化。壓電效應(yīng)的特殊性質(zhì)決定了基于壓電材料的驅(qū)動器比傳統(tǒng)的機械式以及液壓式驅(qū)動器的響應(yīng)速度更快、能量密度更大、結(jié)構(gòu)更簡單且更易于控制，因此，被廣泛應(yīng)用在結(jié)構(gòu)振動、變形控制等方面[56-77]。因此，一般情況下，壓電材料較少地用于手性蜂窩的基體材料，而是為驅(qū)動裝置為結(jié)構(gòu)的變形提供動力。

2011年，加拿大航空航天研究所Wickramasinghe等[89]提出以壓電陶瓷纖維作為主驅(qū)動機構(gòu)，電活性聚合物作為輔助驅(qū)動機構(gòu)的雙活性材料系統(tǒng)的智能變形機翼方案，如圖21所示。具體方法是在雙晶片驅(qū)動器外圍覆蓋一層預(yù)拉伸蒙皮，通過蒙皮的軸向壓縮載荷進而使驅(qū)動器產(chǎn)生壓電效應(yīng)，最終發(fā)現(xiàn)這種設(shè)計方案可以提高機翼的變形能力。EA-MAV智能機翼模型如圖22所示。2019年，普渡大學(xué)Henry等[90]在NACA 0012翼型的基礎(chǔ)上進行改裝，內(nèi)部結(jié)構(gòu)使用桁架結(jié)構(gòu)進而引導(dǎo)外層蒙皮的變形，采用壓電纖維復(fù)合材料（MFC）驅(qū)動器驅(qū)動整體結(jié)構(gòu)的變形，并采用多學(xué)科優(yōu)化技術(shù)對驅(qū)動方案以及蒙皮材料參數(shù)進行優(yōu)化，最終使?jié)L轉(zhuǎn)力矩增加27.67%，飛行速度提升83.4%。2020年，俄亥俄州立大學(xué)Chillara等[91]提出一種由壓電PVDF薄膜分層而成的雙穩(wěn)態(tài)層合板，將壓電纖維復(fù)合材料、形狀記憶合金嵌入其中，利用壓電材料的壓電效應(yīng)可有效捕捉由結(jié)構(gòu)形變引起的電荷變化，進而將其轉(zhuǎn)化為電信號，可有效捕捉結(jié)構(gòu)中的微小變形。

2當(dāng)前研究面臨的難點

早期的變形機翼多采用傳統(tǒng)的機械或液壓驅(qū)動，機翼材料多為金屬材料，變形模式以剛性變形為主。近年來，隨著形狀記憶合金、壓電材料、復(fù)合材料、電感材料、可自愈材料等智能材料的興起，深度學(xué)習(xí)、強化學(xué)習(xí)、多傳感器融合等智能控制技術(shù)的發(fā)展，增材制造、復(fù)合材料成形工藝等先進制造方法的應(yīng)用，非線性動力學(xué)、流固耦合等仿真技術(shù)的完善，推動變形機翼完成了由剛性變形階段到柔性變形階段的轉(zhuǎn)變。然而，基于手性結(jié)構(gòu)設(shè)計的變形機翼的研究還存在以下幾方面問題。

（1）材料性能存在缺陷

表2為幾種基于智能材料制備的智能作動器的性能對比，從表中可以看出沒有一種作動器能夠同時滿足響應(yīng)速度快、能量密度高、輸出位移大、輸出力大、剛度大的需求。現(xiàn)代飛行器面臨更加復(fù)雜的飛行任務(wù)，需要進一步研發(fā)新材料以解決現(xiàn)有智能作動器的缺陷，同時更好地平衡飛行器面臨的高承載與高機動性之間的矛盾。

（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計較為單一

在手性超結(jié)構(gòu)的胞元構(gòu)型設(shè)計方面，主要研究對象仍以傳統(tǒng)節(jié)點-韌帶型手性結(jié)構(gòu)為主，其韌帶多是實心的桿或板，不能滿足當(dāng)前對結(jié)構(gòu)設(shè)計輕量化、隔熱、抗爆、抗沖擊等多功能一體化的需求。目前，關(guān)于基于手性結(jié)構(gòu)設(shè)計的變形機翼研究僅停留在二維層面，多數(shù)研究的結(jié)論僅是通過數(shù)值仿真得出的，缺乏試驗驗證。

（3）理論研究不夠完善

目前，關(guān)于手性結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能研究主要集中在準(zhǔn)靜態(tài)面內(nèi)力學(xué)和面外力學(xué)性能研究方面。在動態(tài)沖擊變形方面，還缺乏手性結(jié)構(gòu)的沖擊吸能理論模型，有關(guān)實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的吸能效率和沖擊吸能能力方面的提升還需深入研究。另外，很多復(fù)合材料、形狀記憶合金以及形狀記憶聚合物等材料還缺乏準(zhǔn)確描述其力學(xué)行為的本構(gòu)模型。

（4）控制技術(shù)不夠全面

變形機翼的設(shè)計主要集中在結(jié)構(gòu)設(shè)計以及材料選擇上，局限于驅(qū)動性能的研究以及一些靜態(tài)的分析，對于智能變形機翼的動態(tài)特性分析較少；非定常氣動力、柔性結(jié)構(gòu)等因素使得飛行器的動力學(xué)模型往往涉及非線性、高維度、多參數(shù)等問題，增大了仿真求解時間，數(shù)值模擬難以做到與實際情況同步。強非線性對變形機翼的主動控制和精確驅(qū)動提出了更高的控制技術(shù)需求，而目前關(guān)于控制技術(shù)的研究仍不夠全面，僅僅處于起步階段。

3結(jié)束語

基于手性結(jié)構(gòu)設(shè)計的變形機翼大多還處于試驗驗證階段，還未投入大規(guī)模量產(chǎn)。一方面，制造成形控制技術(shù)不夠成熟，在制造過程中會出現(xiàn)不可預(yù)測的缺陷，影響飛行器的安全；另一方面，實際飛行環(huán)境遠比試驗環(huán)境復(fù)雜，從概念設(shè)計到試驗驗證需要足夠的時間加以驗證。

智能材料、增材制造以及人工智能等技術(shù)的發(fā)展推動了變形機翼由剛性變形到柔性變形的轉(zhuǎn)變。近年來，變形機翼智能材料的本構(gòu)理論及其可應(yīng)用場景研究，增材制造成形缺陷理論及新成形工藝研究，機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、強化學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)研究引起了廣泛關(guān)注。隨著增材制造工藝的發(fā)展與完善，變形機翼將很可能實現(xiàn)低成本、大尺寸、大規(guī)模和標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。人工智能理論的發(fā)展將極大地推動多目標(biāo)優(yōu)化、拓?fù)鋬?yōu)化等優(yōu)化算法的求解效率。根據(jù)變形方式，本文將現(xiàn)有的變形機翼大致分為伸縮翼、折疊翼、變后掠翼和傾轉(zhuǎn)旋翼4類。在未來，隨著變形蒙皮、驅(qū)動裝置、變形機構(gòu)、控制技術(shù)的發(fā)展，機翼的變形方式將會朝著多種變形組合的方向發(fā)展，輕量化多孔材料由傳統(tǒng)的設(shè)計到驗證的設(shè)計方法將難以滿足復(fù)雜動態(tài)多變的載荷需求?；谌斯ぶ悄芮蠼獾膬?yōu)化方法將縮短結(jié)構(gòu)優(yōu)化時間，使得多孔材料能更好地滿足載荷需求，實現(xiàn)材料、結(jié)構(gòu)和分布驅(qū)動參數(shù)的最佳匹配。

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Research Progress of Deformable Aircraft Wing Based on Chiral Superstructures Design

Liu Kai1，2，Cao Xiaofei1，2，Li Ying1，2，F(xiàn)ang Daining1，2

State Key Laboratory of Explosive Science and Technology，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China

Abstract： Safety， stability and efficiency are the key issues in the field of aircraft wing structure design. Wing is one of the main components to provide lift， and deformable wing has great potential in improving the overall performance of aircraft. The development of new materials represented by smart materials has revolutionized the wing flexible skin， driving device， control technology and lightweight structure， and expanded the application range of chiral superstructures. The deformable wing designed based on chiral structure， aerodynamic performance analysis of aircraft wing and advanced preparation technology can change its wing shape at different flight speeds， flight slopes and surrounding flow fields， so as to improve flight efficiency， which is not only the frontier field of aircraft wing structure design， but also an important development direction in the future. This paper introduces the design method and theoretical method of chiral superstructures， and summarizes the research progress of deformable aircraft wing at home and abroad so as to provide

3336500338247