【变形机翼】欧洲研究团队取得变形机翼技术重要进展

来源：民机战略观察

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美国航空周刊近日报道，1支欧洲的研究团队已经取得了变形机翼技术研究的重要进展，将人类长期以来梦寐以求的像鸟类一样高效飞行的梦想带到离现实更进一步。研究团队成功进行了缩比机翼翼段变形的风洞试验，试验结果使空客公司看到了该技术的发展前景，空客决定继续推进该技术研究，计划2020年进行全尺寸变形机翼飞行验证。

2017年，欧盟委员会在地平线2020计划下资助了一项为期3年（20170501-20200430）、总投资近4亿欧元的“智能变形与传感技术（SMS）”项目。该项目由法国国家理工学院、法国宇航院、图卢兹流体力学研究所（IMFT)、法国电子电气计算机水利电信学校拉普拉斯实验室（法国最大的等离子&电气工程研究所）、意大利米兰理工大学、希腊雅典国家技术大学、德国CFD软件开发有限公司等10多家大学、研究机构和企业联合承担。在欧盟委员会的支持下，研究团队建造了一个几乎全尺寸的“电活性（electroactive）”机翼翼段，即将用于在低速风洞中进行评估。该“电活性”机翼结合了形状记忆合金和压电作动器，能够光滑地改变弯度和抑制湍流，未来将在A340飞行试验平台上评估全尺寸的变形翼段。

据团队成员介绍，他们的变形机翼结合了形状记忆合金适用于低频、大变形的特点以及压电作动器适合高频、小变形的优点。

在亚声速风洞中的A320缩比变形机翼翼段，图中叠加了CFD计算的流场图像。（图片来源：IMFT/Laplace）

在起降阶段，利用形状机翼合金可以实现类似于鸟类的高升力襟翼连续变弯度，相比现在的分段式襟翼设计效率更高。在巡航阶段，利用压电作动器可以实现机翼后缘的小幅振荡。压电作动器和相应的传感器、处理器形成一个闭环系统，可使后缘产生最优的周期性位移——1.016毫米（0.04英寸），能够控制湍流，从而降低阻力和噪声。这种控制装置模拟了猛禽飞行中煽动翅膀后缘羽毛以降低阻力和噪声的动作。

研究团队已经完成了小尺寸的机翼翼段（后缘襟翼弦长30厘米）的地面试验，更大尺寸的试验机翼正在装配中（后缘襟翼弦长1米）。这将更易于实现电驱动的形状记忆合金，也可使燃油系统更好地集成。

电驱动的形状记忆合金可实现光滑、连续地改变襟翼弯度（图片来源：IMFT/Laplace）

该项技术目前处于技术成熟度3级（技术概念和应用设想通过可行性论证：验证了技术概念的关键功能、特性，具有转化为实际应用的可能性），意味着还需要更多的研究证明其实际应用的可行性。一个关键的问题是压电作动器在全尺寸机翼上应用的适应性。SMS项目的目标是将该技术的成熟度提高至5级。研究人员计划2020年5月在空客A340飞行试验平台BLADE（欧洲突破性层流飞机验证机）上进行变形襟翼的飞行演示验证。

对于商业应用来说，这项变形技术预计可改善3-4%的燃油消耗；但是军方对该技术也表现出了兴趣。SMS项目的核心成员乔纳斯·舍勒博士在博士论文中对上述两家研究机构在变形机翼技术方面的研究进行了详细介绍，上个月他获得了法国武器采购机构的奖励。

【延伸阅读】变形机翼技术研究历程回顾

过去几十年间已经开展了若干变形机翼演示验证项目。1985-1988年，美国空军和NASA联合开展了F-111任务自适应机翼（MAW）演示验证。MAW将可变掠角和无缝变弯度技术进行结合以维持不同速度下的气动效率。1994-2001年，美国DARPA开展的智能机翼（Smart Wing）项目对一个无尾飞翼布局无人作战飞机的柔性后缘控制面进行了风洞测试。2003-2007年，DARPA的变形飞机结构（MAS）项目对可改变飞机机翼掠角、弦长和面积的无人机方案进行了验证试飞。

上述项目向人们展示了在飞行中进行大的性能变化是可行的。然而，这些项目并没有做出引人注目的变形案例，没有吸引客户进一步投资、推动该技术走向系统开发阶段，而摆在人们面前更多的却是关于优化、集成、取证、可靠性、维护性等其他的需要解决的负面问题。

如今，变形飞机技术再次回到人们的视野可能有以下三点原因。一是它能够给予无人机设计师更大的设计自由度以消除取证要求的限制；第二是商用飞机增加效率、减少排放的驱动；第三则是柔性结构技术的进步推动了简便、稳健的变形装置的发展。

对于商用飞机设计师来说，下一步提高飞机气动效率意味着将采用更加细长、低阻的机翼，而机翼柔性的增加需要采用主动控制技术抑制颤振和减缓载荷，这就需要采用飞行中可变弯度的机翼后缘。此外，层流机翼也可进一步提高商用飞机的气动效率，而这需要采用无缝机翼前缘以保持层流状态。这些都对机翼变形提出了明确的需求。

2014-2017年，美国柔性变形系统公司（FlexSys）开发的“主动柔性后缘襟翼（ACTE）”由NASA和AFRL进行了一系列的地面和飞行测试。ACTE具有柔性的内部结构和无缝弹性蒙皮，使用传统的作动器即可实现变形。美国空军下一步计划在KC-135加油机上测试柔性襟翼调整片，如果顺利的话可进一步发展成产品。与此同时，柔性变形系统公司已经与航空伙伴公司合作探索该技术在变形翼梢方面的商业应用。

AFRL内部正在研究一种可同时偏转前后缘实现机翼在多种条件下优化的变弯度柔性技术。这种技术类似于F-111的任务自适应机翼，但是具有更简单的机构，即通过在柔性翼肋的某个位置和方向加力实现前后缘的同时变形。

除美国外，欧洲也在开展变形机翼技术的研究。DLR的复合材料和自适应系统研究所从1995年对变形机翼结构就开展了研究。从一开始的内部投资到后来的德国航空研究计划（LuFo）投资，后来又在欧盟第6、第7框架计划内开展研究。DLR自投资项目包括机翼智能结构（ADIF），自适应机翼技术（AWiTech）；LuFo投资项目包括自适应缝隙控制（Pro-HMS），智能翼梢（IHK），智能前缘装置（SmartLED），未来民用飞机高升力基础研究（SFB880）；欧盟框架计划投资的项目包括下一代机翼智能高升力装置（SADE），低噪声影响飞机优化（OpenAir），智能飞机结构（SARISTU），智能固定翼飞机（SWFA）。

除了DLR开展的大量研究，欧洲还开展了Change、Novemor等项目研究。Change项目的研究目标是获得一种可以在起降高升力阶段增加弯度、高速飞行状态减小翼展、空中待命阶段增加翼展并减小弯度的技术，已经在无人机上测试了变形机翼前后缘，并且能够改变翼展。Novemor项目由巴西航空工业公司领导，为一个未来喷气支线客机的概念方案设计变弯度机翼。该机翼具有无缝、无铰接结构的前后缘。研究人员认为该技术可以用于对现役飞机的传统机翼进行改装以减小噪声和阻力。截至目前，该项目只进行了一个小型模型的风洞试验。

从目前的情况看，美欧都未停止对变形机翼技术的研究。虽然该技术的可行性早已得到验证，应用前景异常广阔，但是要真正走向现实还有很长的路要走。