我國科學家正在進行柔性航天器的研究

2020 年 9 月 19-21 日舉辦的中國航天大會上，DeepTech 了解到，我國科學家正在進行柔性航天器的研究。如果航天飛行器具備隨時變形或適應環(huán)境連續(xù)改變能力等特殊性能，那么就可以在復雜飛行環(huán)境中完成更多更具挑戰(zhàn)性的任務。柔性飛行器技術對提高飛行器的燃油經(jīng)濟性以及安全性，甚至對提高軍用戰(zhàn)斗機的作戰(zhàn)性能，都有著巨大的潛力。

大家乘坐飛機的時候，會注意到飛機的機翼并不是完整的一塊，機翼的后面有一部分是可以活動的叫做襟翼。襟翼是安裝在機翼上的活動面，如下圖所示，襟翼可以通過改變角度，在起飛的時候提供更多的升力以及在降落時提供減速作用。襟翼活動部件會增加故障發(fā)生的概率，而柔性機翼可以通過替代襟翼來避免這種事故。

圖｜襟翼示意圖（來源：維基百科）

近幾年來，科學家在不斷地探索柔性飛行器，我們身邊鳥類和昆蟲的翅膀其實就是一種柔性飛行器。它們的翅膀在飛行的過程中有著很大結構上的變形，而這種變形，對于升力和推力的產(chǎn)生起著非常重要的作用。運用特殊材料和智能控制等技術，柔性飛行器具備變高度、變厚度、變長度、機翼扭轉等能力，以及智能飛行等其他性能。在空中隨時變形這一特點，也使得飛行器可以在更復雜的環(huán)境中完成更多的任務。

第一個飛上空中的柔性飛行器

2014 年，密歇根大學的教授、FlexSys 公司創(chuàng)始人 Kota 的團隊和美國空軍合作，成功的研發(fā)出了柔性機翼并且進行了試飛。這個機翼采用變形的一體式機構，取消了傳統(tǒng)飛機機翼上的襟翼。Kota 和他在 NASA 和美國空軍的合作者聲稱，這項測試是航空領域的首次柔性機翼試飛。

1990 年代早期開始，Kota 教授就產(chǎn)生了制作柔性機翼的想法。當時在密歇根大學工作的 Kota 教授給附近的賴特-帕特森空軍基地打了電話，他的想法引起了軍方的強烈興趣。之后在美國空軍研究實驗室的資助下，Kota 教授的團隊進行了 20 年的研究，并且終于在 2014 年成功試飛世界上第一個柔性機翼產(chǎn)品 FlexFoil。

FlexFoil 的第一次的試飛是 2014 年 11 月 6 號，在加利福尼亞州愛德華茲空軍基地。工程師用 5 米長 FlexFoil 柔性可操縱機翼，替換了灣流 III 噴氣式飛機上的主要后緣機翼襟翼進行了試飛。這次試驗的飛機上只采用了柔性機翼，并沒有使用任何的備用襟翼。首次試飛進行的非常成功，過程中柔性機翼表現(xiàn)的非常良好和穩(wěn)定。之后的 3 個月內，NASA 每周都對 Flexfoil 進行各種嚴苛工況的測試：在 6000米到 12000米的不同的高度、1.7G（連續(xù)負載）的各種傾斜動作、以及使 FlexFoil 控制面承受了 18000Pa 的高動態(tài)壓力。在所有的這些測試工況中，F(xiàn)lexfoil 都表現(xiàn)良好。

Kota 教授聲稱，研發(fā)柔性機翼和襟翼的目的是創(chuàng)造一種可以在整個飛行過程中都可以進行精確的微調的機翼。相比于傳統(tǒng)的機翼，柔性機翼更加可靠、安靜、并且更省油。Kota 教授估計，如果將柔性機翼技術充分的應用到新型的飛機中，該技術可以將油耗降低 12%。

想象空間豐富

這項技術在民用和軍事領域的應用上都有著豐富的想象空間。

2015 年，歐盟開始了一項名為 FLEXOP 的項目，來研究高性能的機翼。該項目由歐盟資助并且和空客公司技術合作。這個項目中，提出了兩種柔性機翼的概念，一種是由慕尼黑技術大學開發(fā)的顫振機翼，采用玻璃纖維增強復合材料和主動后緣襟翼控制技術，與標準機翼相比，可為飛機增加 20%的有效載荷或減少 7％的油耗；

另一種是由德宇航氣動彈性研究所和代爾夫特大學共同研發(fā)的氣動彈性機翼，采用碳纖維增強復合材料和新型復合材料剪裁技術，使機翼能在載荷作用下彎曲和扭轉變形至理想狀態(tài)，與標準機翼相比，可降低結構質量 20%。

在 2020 年，在項目的結題測試中，這些技術通過實驗結果展示了可以實現(xiàn)降低 7% 的油耗的可能性。

除了燃油經(jīng)濟性之外，柔性機翼還有著很多其它潛在的優(yōu)勢。

傳統(tǒng)的剛性機翼的飛機，飛行過程中受到氣流的擾動產(chǎn)生顛簸。而柔性機翼則能預防這種顛簸的產(chǎn)生，讓飛機在執(zhí)行任務的時候自身結構更加穩(wěn)定。這個對于民用客機可以提高乘客的舒適度。對于軍用戰(zhàn)斗機，可以提高武器發(fā)射的精確度。

另外一個優(yōu)就是可靠性，由于取消了襟翼的設計，減少了大量的活動部件，從而大大減小了發(fā)生故障的幾率。

柔性和可變性飛行器已經(jīng)成為 21 世紀航空領域的研究熱點。不過其發(fā)展仍在起步階段，距離實際應用仍面臨很多挑戰(zhàn)。比如如何的提高材料的剛度，防止結冰，高效的控制系統(tǒng)的設計等等，需要科學家和工程師們的持續(xù)努力。

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