讓?xiě)?zhàn)斗機(jī)像鳥(niǎo)，機(jī)翼上演變形記

在高速飛行的狀態(tài)下，一個(gè)小小的縫隙就可能產(chǎn)生撕裂飛機(jī)翅膀的力量。所以機(jī)翼的變形過(guò)程中，必須是“無(wú)縫”的，就像《終結(jié)者》片中的液體機(jī)器人，可以自我變異。

諸如獵鷹之類(lèi)的猛禽平時(shí)能輕松地展翅翱翔，一旦發(fā)現(xiàn)獵物，又能立即收起翅膀，以極高的速度俯沖。其秘訣在于它們能自如控制翅膀邊緣的羽毛，通過(guò)改變其方向，在飛行中翻滾、變向。這一現(xiàn)象早就為人所注意并刻意模仿，當(dāng)萊特兄弟于1903年進(jìn)行首次歷史性飛行時(shí)，他們就曾試圖通過(guò)拉拽捆綁機(jī)翼的繩索來(lái)使機(jī)翼的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。隨著技術(shù)的發(fā)展，像鳥(niǎo)翅膀一樣的變形機(jī)翼通過(guò)自動(dòng)改變機(jī)翼形狀和表面特性，隨時(shí)適應(yīng)飛行條件和任務(wù)的需要就要成為現(xiàn)實(shí)。它將使下一代戰(zhàn)斗機(jī)既能在戰(zhàn)場(chǎng)上空盤(pán)旋數(shù)小時(shí)等待時(shí)機(jī)，又能迅猛出擊。這種能力在電影《變形金剛》中有比較極端的生動(dòng)體現(xiàn)。影片中，霸天虎的“紅蜘蛛”像鳥(niǎo)兒一樣隨意改變氣動(dòng)外形，將美軍的F-22戰(zhàn)機(jī)打得落花流水。

力求十全十美

目前，飛機(jī)機(jī)翼設(shè)計(jì)并不能夠同時(shí)滿(mǎn)足兩個(gè)目標(biāo):既飛得快，又有較長(zhǎng)滯空時(shí)間。例如，闊機(jī)翼飛機(jī)的高空滯空性能最佳，但無(wú)法在低空高速飛行。變形機(jī)翼技術(shù)將使飛機(jī)快速抵達(dá)目標(biāo)，然后又能長(zhǎng)期滯留在目標(biāo)上空。據(jù)美國(guó)《航空周刊》網(wǎng)站8月28日?qǐng)?bào)道，五角大樓高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)早在2003年就啟動(dòng)了“變形飛機(jī)結(jié)構(gòu)(MAS)”項(xiàng)目，在近日取得“里程碑式的進(jìn)展”。該項(xiàng)目旨在通過(guò)變形飛機(jī)部件使新一代軍用飛機(jī)能夠用于執(zhí)行多種形式的作戰(zhàn)任務(wù)。其長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)是設(shè)計(jì)一種續(xù)航能力比“全球鷹”無(wú)人機(jī)更強(qiáng)、機(jī)動(dòng)性比F/A-22戰(zhàn)斗機(jī)更好的飛機(jī)。

五角大樓高級(jí)研究計(jì)劃局最近發(fā)布了“任務(wù)適應(yīng)旋翼”的變形機(jī)翼項(xiàng)目招標(biāo)公告，包括波音、雷聲、西科斯基公司在內(nèi)的軍工巨頭均躍躍欲試，有意拿下這份巨額合同。該機(jī)構(gòu)對(duì)未來(lái)旋翼技術(shù)提出了嚴(yán)格甚至苛刻的要求——與固定旋翼相比，新變形機(jī)翼須增加30%荷載和40%航程，并減少50%的噪音和90%的震動(dòng)。機(jī)翼需要在滿(mǎn)足“節(jié)約燃料”及“高機(jī)動(dòng)性”兩項(xiàng)條件的前提下變化成不同的形狀，要能夠改變?nèi)~片的直徑、旋轉(zhuǎn)范圍、翼弦及翼端外形等。單就技術(shù)優(yōu)勢(shì)來(lái)說(shuō)，變形機(jī)翼也是普通固定式機(jī)翼無(wú)法匹敵的，前者更能適應(yīng)復(fù)雜的氣候環(huán)境，機(jī)動(dòng)性能更高，實(shí)戰(zhàn)生存能力更強(qiáng)。

目前，美國(guó)防部預(yù)先研究計(jì)劃局的“變形飛機(jī)結(jié)構(gòu)”項(xiàng)目中的兩個(gè)變形原型機(jī)翼已經(jīng)展開(kāi)風(fēng)洞試驗(yàn)。變形機(jī)翼使機(jī)翼面積能夠在50%～150%之間變化，分別適應(yīng)巡航和高速飛行時(shí)的需要。其實(shí)，變形機(jī)翼結(jié)構(gòu)并非新概念?，F(xiàn)今使用的一些飛機(jī)也已經(jīng)具備了能夠調(diào)整機(jī)翼的能力，如美國(guó)海軍的F-14“雄貓”戰(zhàn)斗機(jī)、V-22“魚(yú)鷹”傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)，以及F-111隱身戰(zhàn)斗機(jī)。不過(guò)，這些“調(diào)整機(jī)翼形狀”與真正的變形機(jī)翼概念不同。真正的變形機(jī)翼通過(guò)應(yīng)用靈敏的傳感器和作動(dòng)器，光滑而持續(xù)地改變機(jī)翼的形狀，對(duì)不斷改變的飛行條件做出響應(yīng)，從而可使飛機(jī)像鳥(niǎo)一樣隨意地在空中進(jìn)行盤(pán)旋、倒飛和側(cè)向滑行。這將是新型智能材料、新型激勵(lì)器、傳感器無(wú)縫地綜合應(yīng)用于飛行器的一種新的設(shè)計(jì)概念。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，未來(lái)采用變形機(jī)翼技術(shù)的飛機(jī)功耗更低，可以在較短的跑道上起飛，大大增加飛行距離，提高燃油效率。此外，具有變形機(jī)翼結(jié)構(gòu)的巡航導(dǎo)彈能夠以極快的速度抵達(dá)目標(biāo)，然后又能在目標(biāo)上空滯留以便認(rèn)定目標(biāo)是否被摧毀，在必要的情況下還可以快速轉(zhuǎn)向摧毀另一個(gè)新目標(biāo)。而像“捕食者”這類(lèi)無(wú)人機(jī)，如果具有變形機(jī)翼將既能獲得高速飛行能力又將具有高機(jī)動(dòng)能力，從而可以用于與敵機(jī)進(jìn)行的空中交戰(zhàn)。目前DARPA首先在無(wú)人機(jī)上試驗(yàn)變形技術(shù)，據(jù)悉，一旦技術(shù)成熟未來(lái)還將應(yīng)用于有人駕駛飛機(jī)，包括下一代直升機(jī)的設(shè)計(jì)中。

除此之外，變形機(jī)翼結(jié)構(gòu)還可用于衛(wèi)星或其他航天飛行器。目前美空軍、航空航天局和美國(guó)CRG公司正聯(lián)合開(kāi)發(fā)一種將用在太空“軌道鏡”上的變形結(jié)構(gòu)。在這一設(shè)計(jì)中，“鏡子”安裝在可變形的連接臂上，使其能折疊起來(lái)以便于發(fā)射;發(fā)射到軌道上后，連接臂可根據(jù)情況“自我”展開(kāi)成所需要的工作形狀，利用鏡子收集太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能。

研究人員認(rèn)為，2030年以后，改變機(jī)翼形狀的技術(shù)將成為設(shè)計(jì)主流，并會(huì)應(yīng)用到美國(guó)空軍的所有飛機(jī)中去。除機(jī)翼外，包括進(jìn)氣口、推進(jìn)系統(tǒng)也能從變形機(jī)翼技術(shù)中受益。最近由DARPA投資，波音“鬼怪”工程隊(duì)完成的一項(xiàng)研究，驗(yàn)證了F-15戰(zhàn)斗機(jī)進(jìn)氣噴管的動(dòng)態(tài)可重組技術(shù)，可望將F-15的航程增加多達(dá)20%。在民航客機(jī)上目前采用了一種降噪技術(shù)，它將一個(gè)鋸齒狀結(jié)構(gòu)稍稍伸入客機(jī)噴流內(nèi)，可以起到抑制起飛噪音的作用。

關(guān)鍵是找到變形的材料

變形機(jī)翼技術(shù)當(dāng)前最大的挑戰(zhàn)之一是:機(jī)翼在飛行中變形收放時(shí)，會(huì)引起重心和氣動(dòng)中心迅速而大幅度地變化，從而造成尾旋或失控。目前美國(guó)弗吉尼亞理工大學(xué)正用計(jì)算機(jī)研究變形機(jī)翼對(duì)飛機(jī)穩(wěn)定的影響。另一個(gè)問(wèn)題是:變形機(jī)翼不像鳥(niǎo)翼上那樣覆蓋著柔性的羽毛，它打開(kāi)任何一個(gè)關(guān)節(jié)時(shí)都會(huì)露出縫隙而產(chǎn)生極大阻力，完全是“捉襟見(jiàn)肘”。如果采用F-14那種機(jī)械變形技術(shù)，在高速飛行的狀態(tài)下，一個(gè)小小的縫隙就可能產(chǎn)生撕裂飛機(jī)翅膀的力量。為實(shí)現(xiàn)機(jī)翼等部件的變形，必須將激勵(lì)器、傳感器、鎖件等機(jī)構(gòu)等裝置，以及控制這些機(jī)構(gòu)的電源無(wú)縫地綜合在一起。更為重要的是在機(jī)翼“變形”過(guò)程中，必須是“無(wú)縫”的，就像《終結(jié)者》片中的液體機(jī)器人，可以自我變異。

因此，DARPA正在研究新一代形狀記憶材料，它能隨機(jī)翼伸展和活動(dòng)，填補(bǔ)機(jī)翼開(kāi)合形成的接縫。這些新型的形狀記憶聚合物(SMP)可以被延展和拉伸成不同形狀，比如一塊做成翼型的SMP可以被彎曲成一塊平板。但一旦加熱到轉(zhuǎn)變溫度以上，它又會(huì)“啪”地一下變回原來(lái)的翼型。因而可以用來(lái)遮蓋折疊或伸縮機(jī)翼的接頭?，F(xiàn)在的研究重點(diǎn)是使它既有足夠的延展性，又要有足夠強(qiáng)度，以適應(yīng)高速下的反復(fù)使用。為了使變形翼像生物體一樣剛?cè)岵?jì)，還可能需要用到自適應(yīng)結(jié)構(gòu)技術(shù)，它一般用一整塊原料，通過(guò)噴射模塑法或切削而成。這種金屬或塑料構(gòu)件可作為機(jī)翼邊緣或其他韌性部件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，它能使應(yīng)力靈活分布，使一部分像編織物一樣柔軟，而同時(shí)另一部分保持剛性。

在MAS項(xiàng)目第一階段，承包商主要是設(shè)計(jì)、制造和試驗(yàn)?zāi)軌虼_保變形機(jī)翼在低速和跨聲速飛行中伸縮150%的部件及配件。據(jù)SMP項(xiàng)目材料供應(yīng)商Cornerstone研究集團(tuán)(CRG)公司總工程師稱(chēng)，變形部件能夠經(jīng)得起高數(shù)次的形狀變化，盡管目前還沒(méi)有確定出變形機(jī)翼在需要更換之前到底可以經(jīng)受多少次循環(huán)變形，但據(jù)初步試驗(yàn)表明循環(huán)變形至少有數(shù)百次，執(zhí)行一次任務(wù)平均變形10次，變形一次需要幾分鐘。