可变形机翼，超材料技术大展身手！

2019 年 4 月 13 日 无人机

据国外媒体报道，美国国家航空航天局和麻省理工学院合作研究出一种可变形机翼，这种所谓的“超材料”采用轻量级的晶格框架，能够根据空气动力自动改变形状，能够让飞机飞行更加节能。

如果你坐在飞机上靠窗的位置，或许能够看到一侧机翼上的襟翼在飞机起飞和降落时抬起或落下。这是因为在飞行的每个阶段，理想的机翼参数各不相同。到目前为止，人们只是通过铰链改变刚性机翼的升力特性。但是，美国国家航空航天局和麻省理工学院正在研究如何让整个机翼改变形状。

在《智能材料与结构》杂志上发表的一篇论文中，研究团队解释了他们是如何重新设计机翼的。这种机翼的新结构是轻量级的晶格框架，由成千上万个重复的、类似火柴棍的小三角形支柱组成，表面覆盖看一层轻薄聚合物。也就是如今最火热的“超材料”。

实际上，到目前超材料还没有统一定义。那超材料到底是什么？我们从其特征就能做出判断：

具有新奇人工结构的复合材料；具有常规（或传统）材料不具备的超常物理性质；超常物理性质主要由新奇的人工结构决定；新奇的人工结构包括单元结构（人工原子和人工分子）和单元结构集合而成的复合结构两个层次。

那么我们就聊聊应用于机翼的“超材料”

一、MADCAT项目背景——3年时间从小尺寸原理验证到大尺寸制造和风洞试验

MADCAT是在NASA的收敛航空解决方案（CAS）计划下推出的首批项目之一。在CAS计划支持下，2016年NASA联合麻省理工学院研制出“积木式”柔性机翼的小尺寸验证机Madcat V0，其翼展1.32米，展弦比3.81，通过数值仿真、风洞试验和飞行试验，完成原理验证。为了确定这种超轻复合材料积木式结构的设计和制造是否可以从试验台扩大到全尺寸飞机，NASA艾姆斯研究中心与兰利研究中心、麻省理工学院、加州大学伯克利分校以及圣克鲁斯进行合作，完成了该飞翼模型的设计和制造，目的是验证积木式结构可以在非常低的质量密度下还具有足够的强度和刚度，以及可编程组件具有调整结构气动弹性响应的能力。

可变形机翼的核心价值在于，以机翼为整体，根据不同飞行状态改变其姿态，从而在各个飞行阶段都获得最大的空气动力效率，大幅提升飞机性能。

二、采用热塑性材料3D打印制造的“体积元”是积木式飞机结构的基础

积木式飞机结构内部不再是传统的离散式的梁肋骨架，而是大量的骨骼状体积元，体积元用螺栓连接在一起，形成一个类似于细胞的积木式结构，该结构不仅可以承受飞行中的气动载荷，还可以在气动载荷下按照特殊的设计产生变形，包括机翼弯度和扭转角的变化。

积木式结构主要由桁架结构、柔性蒙皮、驱动系统三部分组成。桁架结构由八面体体积元通过微型螺栓连接而成，体积元是由高刚度碳纤维复合材料注塑成形的骨骼状多面体；柔性蒙皮为聚酰亚胺薄膜，通过螺栓与桁架结构连接；驱动系统主要包括伺服电机和转向管。转向管在伺服电机的驱动下带动桁架结构连续变形，蒙皮用于维持光滑的气动表面。

体积元材料包括两种不同的聚醚酰亚胺热塑性材料：一是具有20％短切玻璃纤维增强材料的Ultem 2200，二是未增强的Ultem 1000。所有的体积元都具有相同的几何形状，但使用不同的材料，通过注塑成型来生产，这种工艺流程具有尺寸公差小、机械性能变化不大等优点。

目前，尚没有在大规模生产的情况下证明积木式飞机结构的成本优势，但通过此次飞翼模型的制作，展现了其对于提高制造速度的巨大优势。

三、试验过程和初步结论——积木式结构可按飞机要求实现定制化设计

为了完成此次试验，MADCAT项目制造了三个半翼展机翼：其中两个使用相同的材料，仅使用Ultem 2200增强体积元，每个机翼包含2088个体积元；另一个采用不用的材料，包含1741个增强体积元和347个未增强体积元。此外，每个机翼还包含大约2500个接口部件和300个蒙皮壁板。

具有相同材料体积元结构的机翼被用作具有异质结构（由不同材料体积元拼接而成的结构）模型的基线模型（即试验对比项）。初步试验结果显示，异质结构可以被程序化，即具有可编程性，能够智能地产生机翼扭转和增加机翼弯度来提高升力并降低阻力。具体做法是：通过沿展向安装Ultem 1000体积元来实现扭转，通过在内翼段下部沿弦向安装Ultem 1000来降低刚度，从而增加机翼弯度。

四、积木式结构的未来应用方向——变体飞机和空间结构

由于积木式结构柔性机翼通过在飞行过程中连续光滑变形，能有效提升飞机操纵性和经济性，是未来变体飞机的重要技术方案选择。NASA称这种模块化的机翼结构概念，可用于未来新型轰炸机和高空长航时无人机，或将成为未来飞机提高机动性、降低成本的重要途径之一。研究团队已经在 NASA 的高速风洞中测试了机翼原型，表现超过预期。未来，这种刚柔并济的结构还可以拓展到机身和发动机等部位，进一步优化飞行效率。