我國科學(xué)家正在進(jìn)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(xué)家正在進(jìn)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(yīng)環(huán)境連續(xù)改變能力等特殊性能，那么就可以在復(fù)雜飛行環(huán)境中完成更多更具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。柔性飛行器技術(shù)對提高飛行器的燃油經(jīng)濟(jì)性以及安全性，甚至對提高軍用戰(zhàn)斗機(jī)的作戰(zhàn)性能，都有著巨大的潛力。

大家乘坐飛機(jī)的時候，會注意到飛機(jī)的機(jī)翼并不是完整的一塊，機(jī)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(jī)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(jī)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(xué)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(jié)構(gòu)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(yùn)用特殊材料和智能控制等技術(shù)，柔性飛行器具備變高度、變厚度、變長度、機(jī)翼扭轉(zhuǎn)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(fù)雜的環(huán)境中完成更多的任務(wù)。

第一個飛上空中的柔性飛行器

2014 年，密歇根大學(xué)的教授、FlexSys 公司創(chuàng)始人 Kota 的團(tuán)隊和美國空軍合作，成功的研發(fā)出了柔性機(jī)翼并且進(jìn)行了試飛。這個機(jī)翼采用變形的一體式機(jī)構(gòu)，取消了傳統(tǒng)飛機(jī)機(jī)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(lǐng)域的首次柔性機(jī)翼試飛。

1990 年代早期開始，Kota 教授就產(chǎn)生了制作柔性機(jī)翼的想法。當(dāng)時在密歇根大學(xué)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(qiáng)烈興趣。之后在美國空軍研究實驗室的資助下，Kota 教授的團(tuán)隊進(jìn)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(jī)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(jī)翼，替換了灣流 III 噴氣式飛機(jī)上的主要后緣機(jī)翼襟翼進(jìn)行了試飛。這次試驗的飛機(jī)上只采用了柔性機(jī)翼，并沒有使用任何的備用襟翼。首次試飛進(jìn)行的非常成功，過程中柔性機(jī)翼表現(xiàn)的非常良好和穩(wěn)定。之后的 3 個月內(nèi)，NASA 每周都對 Flexfoil 進(jìn)行各種嚴(yán)苛工況的測試：在 6000米到 12000米的不同的高度、1.7G（連續(xù)負(fù)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(jī)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(jìn)行精確的微調(diào)的機(jī)翼。相比于傳統(tǒng)的機(jī)翼，柔性機(jī)翼更加可靠、安靜、并且更省油。Kota 教授估計，如果將柔性機(jī)翼技術(shù)充分的應(yīng)用到新型的飛機(jī)中，該技術(shù)可以將油耗降低 12%。

想象空間豐富

這項技術(shù)在民用和軍事領(lǐng)域的應(yīng)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(jī)翼。該項目由歐盟資助并且和空客公司技術(shù)合作。這個項目中，提出了兩種柔性機(jī)翼的概念，一種是由慕尼黑技術(shù)大學(xué)開發(fā)的顫振機(jī)翼，采用玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和主動后緣襟翼控制技術(shù)，與標(biāo)準(zhǔn)機(jī)翼相比，可為飛機(jī)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(xué)共同研發(fā)的氣動彈性機(jī)翼，采用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和新型復(fù)合材料剪裁技術(shù)，使機(jī)翼能在載荷作用下彎曲和扭轉(zhuǎn)變形至理想狀態(tài)，與標(biāo)準(zhǔn)機(jī)翼相比，可降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量 20%。

在 2020 年，在項目的結(jié)題測試中，這些技術(shù)通過實驗結(jié)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(jì)性之外，柔性機(jī)翼還有著很多其它潛在的優(yōu)勢。

傳統(tǒng)的剛性機(jī)翼的飛機(jī)，飛行過程中受到氣流的擾動產(chǎn)生顛簸。而柔性機(jī)翼則能預(yù)防這種顛簸的產(chǎn)生，讓飛機(jī)在執(zhí)行任務(wù)的時候自身結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。這個對于民用客機(jī)可以提高乘客的舒適度。對于軍用戰(zhàn)斗機(jī)，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(shè)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(jì)航空領(lǐng)域的研究熱點。不過其發(fā)展仍在起步階段，距離實際應(yīng)用仍面臨很多挑戰(zhàn)。比如如何的提高材料的剛度，防止結(jié)冰，高效的控制系統(tǒng)的設(shè)計等等，需要科學(xué)家和工程師們的持續(xù)努力。

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