4D打印技術(shù)在航空飛行器研制中的應(yīng)用潛力

蘇亞東, 王向明, 吳 斌, 王福雨, 汪嘉興, 邢本東

（沈陽飛機(jī)設(shè)計研究所，沈陽 110035）

隨著科技的進(jìn)步和戰(zhàn)爭模式的演變，航空飛行器的性能和功能呈現(xiàn)跨越式發(fā)展。機(jī)體結(jié)構(gòu)作為航空飛行器的基本承載載體，是實(shí)現(xiàn)飛機(jī)各項(xiàng)功能和戰(zhàn)績指標(biāo)的基礎(chǔ)，機(jī)體結(jié)構(gòu)的成功與否直接決定了該型飛機(jī)的研制成敗，但隨著飛機(jī)功能需求的不斷增加，對機(jī)體結(jié)構(gòu)的性能要求越來越嚴(yán)苛，正在逐漸逼近結(jié)構(gòu)設(shè)計極限，機(jī)體結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)性面臨極大挑戰(zhàn)。在傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)和制造技術(shù)無法滿足要求情況下，對新概念結(jié)構(gòu)和先進(jìn)制造技術(shù)提出了迫切需求。近年來，考慮時間和空間維度的4D打印技術(shù)逐漸成為研究熱點(diǎn)[1-5]，在裝備研制領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力。4D打印的技術(shù)特征與航空飛行器多功能融合需求高度契合，可能成為未來飛行器研制不可或缺的重要制造技術(shù)，具有重大革命性意義。本文結(jié)合戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)展趨勢及機(jī)體結(jié)構(gòu)的需求，探討了4D打印的定義、材料、工藝及裝備特點(diǎn)，分析了4D打印在航空飛行器上的應(yīng)用潛力，并探討了發(fā)展4D打印的關(guān)鍵與措施。

1 戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)展趨勢及對結(jié)構(gòu)的需求

從1942年在德國賴普海姆機(jī)場試飛成功世界上第一架噴氣式飛機(jī)開始，噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)進(jìn)入了快速發(fā)展階段[6]。隨著戰(zhàn)場環(huán)境復(fù)雜性的不斷加強(qiáng)，對飛機(jī)性能要求也在不斷提高。歷經(jīng)大半個世紀(jì)的發(fā)展，目前殲擊機(jī)應(yīng)用已經(jīng)經(jīng)歷三代，進(jìn)入第四代研制階段（美國、俄羅斯等稱為第五代）。第一代戰(zhàn)斗機(jī)以噴氣式的高亞音速為主，強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)的承載特性；第二代戰(zhàn)斗機(jī)以超音速為標(biāo)志，對結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)高強(qiáng)提出了較高要求；第三代戰(zhàn)斗機(jī)追求高機(jī)動性，對結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)高效和飛機(jī)良好的操控性能需求迫切；第四代戰(zhàn)斗機(jī)以隱身、超音速巡航、超機(jī)動性和先進(jìn)傳感器四項(xiàng)核心指標(biāo)為典型特征，不僅要求飛機(jī)的結(jié)構(gòu)平臺具有優(yōu)良的力學(xué)特性，對其功能特性也有一定的要求。進(jìn)入21世紀(jì)后，戰(zhàn)斗機(jī)的類別也得到持續(xù)拓展，各類無人機(jī)和高超音速飛行器開始進(jìn)入工程應(yīng)用階段，對戰(zhàn)斗機(jī)的性能和功能需求更加迫切，表現(xiàn)出明顯的隱身化、信息化、智能化、高能化、無人化特點(diǎn)。

隱身化是先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)的核心能力[7]，在復(fù)雜威脅的信息化戰(zhàn)場環(huán)境下，飛行器的隱身性能對于其生存性和完成任務(wù)的能力具有很大影響。隱身性能可以顯著提高作戰(zhàn)平臺的突防能力、生存能力和作戰(zhàn)效能，可大幅提高生存概率。多頻譜、寬頻帶、全方位是飛機(jī)隱身發(fā)展追求的目標(biāo)。信息化是實(shí)現(xiàn)體系互聯(lián)互通、全方位態(tài)勢感知和信息綜合處理的必要手段，主要用于作戰(zhàn)時觀察和定位；在電子攻擊、電子防護(hù)和電子支援方面發(fā)揮著重要作用，是決定現(xiàn)代戰(zhàn)爭勝負(fù)的關(guān)鍵。智能化是信息化的發(fā)展和延伸，是將人工智能技術(shù)融入裝備系統(tǒng)的各個作戰(zhàn)環(huán)節(jié)，尤其是決策環(huán)節(jié)，使信息化裝備向目標(biāo)自主識別、自主決策和攻擊等應(yīng)用領(lǐng)域延伸。高能化以高速飛行為典型代表，高超音速飛行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計理念與構(gòu)型特征較傳統(tǒng)飛機(jī)有著明顯區(qū)別，其構(gòu)型復(fù)雜度和性能/功能的融合度前所未有，對設(shè)計和制造技術(shù)均提出了前所未有的挑戰(zhàn)。無人化擺脫了人的生理或人為因素限制，無人機(jī)在隱身、速度、高度、續(xù)航和機(jī)動性等諸多方面都可以有很大突破，全壽命周期成本較有人機(jī)更低。無人機(jī)以其特有的優(yōu)勢和潛在的應(yīng)用價值，成為各國發(fā)展的重點(diǎn)方向。

先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)的上述特征對飛機(jī)結(jié)構(gòu)平臺提出了新的要求，往往需要同一構(gòu)件兼具多項(xiàng)功能，這給結(jié)構(gòu)的物理實(shí)現(xiàn)帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)飛機(jī)結(jié)構(gòu)關(guān)注其力學(xué)性能，面向新概念結(jié)構(gòu)，從材料體系、設(shè)計手段、制造工藝等方面均面臨著諸多困難，多功能結(jié)構(gòu)一體化是解決上述矛盾的重要技術(shù)途徑。航空結(jié)構(gòu)功能一體化主要指以結(jié)構(gòu)平臺為依托，以新材料/新工藝/新結(jié)構(gòu)為手段，以功能融合為目標(biāo)的多功能結(jié)構(gòu)綜合技術(shù)體系。多功能結(jié)構(gòu)雖然是解決構(gòu)件多物理場服役的重要技術(shù)途徑，但其往往構(gòu)型復(fù)雜，制造實(shí)現(xiàn)面臨重大困難。4D打印在時間維度調(diào)節(jié)的優(yōu)勢有可能成為解決這一問題的關(guān)鍵，具有重大應(yīng)用潛力。

2 4D打印的定義、材料體系、工藝裝備及結(jié)構(gòu)特征

2.1 4D 打印的定義

4D打印的概念是在2013年美國Technologyentertainment-design（TED）大會上，由麻省理工學(xué)院計算機(jī)系科學(xué)家Tibbits提出的[8]。4D打印技術(shù)是最近幾年開始出現(xiàn)的新興技術(shù)，是在3D打印基礎(chǔ)上發(fā)展起來的增材制造技術(shù)。對4D打印的定義也存在諸多爭論，這其中主要觀點(diǎn)有三種。

（1）基于智能材料的增材制造技術(shù)

這一類觀點(diǎn)認(rèn)為，專用原材料的選擇是定義4D打印技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)。必須采用智能材料作為原材料，且利用增材制造技術(shù)完成制造工藝過程才可稱之為4D打印。也就是“4D打印 = 增材制造 + 智能材料”。其核心在于制造工藝是增材制造，原材料為智能材料。所用到的材料主要包括形狀記憶合金、形狀記憶聚合物、形狀記憶陶瓷等。

（2）引入其他要素的增材制造技術(shù)（3D+）

這一類觀點(diǎn)認(rèn)為，用什么材料不是重點(diǎn)，重點(diǎn)在于超過現(xiàn)有3D打印之外的其他要素的引入，只要有新的要素增加即為4D打印。它可以是“3D打印 + 特殊材料”，也可以是“3D打印 + 其他工藝”，還可以是“3D打印 + 特殊性能”。堅持這類觀點(diǎn)的學(xué)者們認(rèn)為，引入新的要素是4D打印的核心所在。

（3）打印的構(gòu)件具有時間、空間、性能或功能變化的增材制造技術(shù)

這一類觀點(diǎn)認(rèn)為，特殊的原材料不是重點(diǎn)，引入其他要素也不是重點(diǎn)，重點(diǎn)在于產(chǎn)品屬性的“變化”。也就是說，利用增材制造實(shí)現(xiàn)的產(chǎn)品在時間或空間維度下具有形狀、性能或功能的改變能力，這一類的制造技術(shù)可稱為4D打印技術(shù)。4D打印屬于可編程材料實(shí)現(xiàn)自我構(gòu)建以及重組裝的新型制造技術(shù)[8]，這種改變（編程）可以是主動的（不需外界給予能量的自發(fā)改變），也可以是被動的（需要外界能量刺激的改變）。需要說明的是，這種改變應(yīng)該是結(jié)構(gòu)的主要性能/功能變化，而非次要擾動因素的變化（例如，增材制造承載構(gòu)件在受載下的變形）。

2.2 4D 打印的主干材料

4D打印的定義尚未清晰，對于其材料體系的認(rèn)知也在逐步深入中，但無論4D打印的定義如何，與傳統(tǒng)材料結(jié)合使用及對現(xiàn)有材料的改性兩個特征是明顯的，這也是4D打印技術(shù)的關(guān)鍵與基礎(chǔ)。最近幾年，學(xué)者們嘗試應(yīng)用各種不同材料來研究4D打印的性能，取得了豐富的研究成果。西安交通大學(xué)陳花玲等[9]對近年文獻(xiàn)報道的4D打印材料的工藝及驅(qū)動性能進(jìn)行了比較分析。表1歸納了航空用4D打印典型智能材料。在研究方向上，大量學(xué)者將研究重點(diǎn)聚焦于4D打印材料微觀形貌特征[5,10]、相變行為[11]、力學(xué)性能[4]等。在工程化應(yīng)用上4D打印材料變形過程中的力學(xué)行為、材料性能指標(biāo)的協(xié)調(diào)與匹配、專用原材料的形態(tài)與穩(wěn)定性、專用原材料的4D打印工藝可用性等是制約4D打印材料工程化應(yīng)用的關(guān)鍵。

2.3 4D 打印的工藝與裝備

目前3D打印技術(shù)已經(jīng)形成體系，工藝方法主要有激光同步送粉成形（laser melting deposition ，LMD）送粉、電子束熔絲成形（electron beam direct manufacturing，EBDM）激光鋪粉、激光選區(qū)熔化成形（selective laser melting，SLM）電子束鋪粉、電子束選區(qū)熔化成形（electron beam melting，EBM）、光固化成形（stereo lithography appearance，SLA）、粉末燒結(jié)成形（selective laser sintering，SLS）等[12]（圖2），對制件的控形控性研究也比較深入，目前多種3D打印工藝制件且已進(jìn)入工程化應(yīng)用階段[13-14]?？傮w來看，3D打印的工藝與裝備向著大型整體結(jié)構(gòu)和復(fù)雜精細(xì)結(jié)構(gòu)兩個維度發(fā)展。4D打印構(gòu)件的多數(shù)應(yīng)用環(huán)境是基于性能、面向功能，所以更多偏向復(fù)雜精細(xì)這個維度。這要求4D打印的工藝精度和表面精度更高，幾何偏差更小，也要求其制造效率提升。目前利用增材制造工藝制備的形狀記憶材料，其應(yīng)變恢復(fù)率明顯低于傳統(tǒng)的棒材、絲材及板材[15]，這需要從工藝上著手，開發(fā)性能衰減小的新型工藝方法及后處理方法，以保證4D打印材料的性能。除此之外，制件性能均勻性與穩(wěn)定性、表面質(zhì)量及內(nèi)部缺陷水平、變形能力與響應(yīng)速率、變形壽命、規(guī)格尺寸等是也制約4D打印制件工程化應(yīng)用的關(guān)鍵，而目前這些方面的研究鮮見報道。

2.4 4D 打印的結(jié)構(gòu)特征

“變化”是4D打印結(jié)構(gòu)的重要特征，這種變化一方面來自于材料本身的變形特性，另一方面需要通過復(fù)雜的結(jié)構(gòu)構(gòu)型來實(shí)現(xiàn)。相較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，4D打印結(jié)構(gòu)的構(gòu)型更加復(fù)雜。除此之外，“拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)”、“點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)”、“多材料復(fù)合”是4D打印結(jié)構(gòu)特征的主要關(guān)鍵詞。

拓?fù)鋬?yōu)化因其不依賴初始構(gòu)型及工程師經(jīng)驗(yàn)，可獲得完全意想不到的創(chuàng)新構(gòu)型，受到學(xué)者以及工程人員的廣泛關(guān)注。通俗地講，拓?fù)鋬?yōu)化就是利用優(yōu)化的手段，尋找結(jié)構(gòu)內(nèi)部哪里需要布置材料，布置何種材料，在保證一定約束下獲取最優(yōu)的性能[16]。增材制造與拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)合，使得復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可制造性得到進(jìn)一步加強(qiáng)。4D打印結(jié)構(gòu)實(shí)質(zhì)上多數(shù)是一種考慮時間維度的多功能結(jié)構(gòu)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)多場耦合服役環(huán)境下結(jié)構(gòu)性能與功能的有效手段，大連理工大學(xué)劉書田[17-18]和西北工業(yè)大學(xué)張衛(wèi)紅[19-20]課題組在這些方面開展了大量工作。目前，由于多物理場問題分析求解困難，現(xiàn)有設(shè)計大多集中在只考慮2～3個獨(dú)立的物理場[16]（圖3）?？紤]多物理場耦合、多目標(biāo)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計方法仍處在研究初期，隨著4D打印技術(shù)的發(fā)展，基于智能仿生結(jié)構(gòu)、考慮時間維度的拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)將逐漸成為航空航天領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)。

點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)是對某一單胞結(jié)構(gòu)進(jìn)行周期性或非周期性排列的新型結(jié)構(gòu)構(gòu)型[21-23]（圖4），點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的組成要素是由結(jié)點(diǎn)和連接結(jié)點(diǎn)的桿單元組成的，每個結(jié)點(diǎn)連接的桿單元數(shù)目決定了點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能[24-25]。點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在力學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)等領(lǐng)域均具有獨(dú)特的優(yōu)異性能，是優(yōu)良的多功能化設(shè)計載體，可以有效融合防熱、隱身、變體、減振等功能[19,26]。將點(diǎn)陣要素融入4D打印技術(shù)中（圖5），可能緩解4D打印時間維帶來的功能融合困難，實(shí)現(xiàn)多功能與時間的良好協(xié)調(diào)[27]。

梯度復(fù)合化結(jié)構(gòu)是指由不同材料組成的同一構(gòu)件[28]（圖6）。均質(zhì)材料的變形效率大多比較單一，無法實(shí)現(xiàn)構(gòu)件服役對結(jié)構(gòu)性能的要求，采用多材料復(fù)合實(shí)現(xiàn)構(gòu)件材料的按需分配是解決這一矛盾的重要途徑，4D打印具有3D打印的工藝優(yōu)勢，可以實(shí)現(xiàn)異種材料梯度結(jié)構(gòu)的制造，可以更好發(fā)揮異種材料梯度結(jié)構(gòu)的性能優(yōu)勢。

3 4D打印在航空領(lǐng)域的典型應(yīng)用

3.1 智能變體飛行器

變體飛機(jī)具有外形可變特征，可有效提高飛機(jī)的機(jī)動性、提升燃油效率，增加飛機(jī)航程，是飛行器重大前瞻性技術(shù)方向。固定翼飛機(jī)及各種飛行器的氣動布局和翼型是針對特定的高度、馬赫數(shù)和重量設(shè)計的，在非設(shè)計點(diǎn)處的氣動性能達(dá)不到最佳。變體飛機(jī)通過智能化的結(jié)構(gòu)對不斷改變的飛行條件做出響應(yīng)，光滑而持續(xù)地改變氣動構(gòu)型，優(yōu)化其飛行性能，使飛機(jī)始終保持最佳的性能和執(zhí)行多種形式的作戰(zhàn)任務(wù)。因此，變體技術(shù)是未來飛行器的核心技術(shù)之一。變體飛機(jī)的主要優(yōu)勢包括：（1）縮短飛機(jī)起降距離；（2）增加航程和作戰(zhàn)半徑，延長在任務(wù)區(qū)的滯空時間；（3）跨音速加速性好，提高突防攻擊性能和作戰(zhàn)生存力；（4）低空或高速飛行穩(wěn)定性好，降低飛行員負(fù)擔(dān)，提高突防和攻擊效率。

變體飛機(jī)結(jié)構(gòu)主要有兩大類，第一大類是機(jī)械變體結(jié)構(gòu)，這一類結(jié)構(gòu)是通過機(jī)構(gòu)和液壓驅(qū)動實(shí)現(xiàn)變體。F111，B1，F(xiàn)-14等飛機(jī)均驗(yàn)證過機(jī)械變體結(jié)構(gòu)，這一類變體結(jié)構(gòu)有比較明顯的使用局限，主要包括：（1）結(jié)構(gòu)重量大，變形部位超重達(dá)30%以上；（2）機(jī)構(gòu)復(fù)雜，可靠性低；（3）通過液壓驅(qū)動實(shí)現(xiàn)變體，對飛機(jī)的能源提取嚴(yán)重。正因?yàn)槿绱?，機(jī)械變體技術(shù)嚴(yán)重影響了飛機(jī)的航程、壽命及戰(zhàn)技指標(biāo)，因此未在飛機(jī)上廣泛應(yīng)用，目前該技術(shù)方向基本被拋棄。第二大類是基于形狀記憶材料的智能變體結(jié)構(gòu)，這一類變體結(jié)構(gòu)的變形機(jī)制是利用形狀記憶材料自身的變形特性，簡化機(jī)械變體結(jié)構(gòu)臃腫的配套體系，通過光、電、力、熱、聲等手段刺激材料，使其發(fā)生結(jié)構(gòu)變形，實(shí)現(xiàn)機(jī)體結(jié)構(gòu)的按需變化。

在智能變體結(jié)構(gòu)研究中，比較典型的實(shí)例是2003年美國國防部預(yù)先研究計劃局（DARPA）正式啟動的“變形飛機(jī)結(jié)構(gòu)”項(xiàng)目，這標(biāo)志著現(xiàn)代飛機(jī)智能變體概念正式進(jìn)入了以應(yīng)用智能材料結(jié)構(gòu)為目標(biāo)的大變形發(fā)展階段。該項(xiàng)目主要研究對象為洛克希德 ? 馬丁公司的折疊機(jī)翼變體飛機(jī)方案。該方案主要是使機(jī)翼可繞數(shù)個與機(jī)體縱向平行的軸進(jìn)行折疊，內(nèi)外翼段能夠大范圍變化上反角與下反角。在完全折疊狀態(tài)，內(nèi)翼段與側(cè)機(jī)身貼合在一起，僅以外翼段暴露在機(jī)身外構(gòu)成小展弦比布局；在機(jī)翼展開狀態(tài)，內(nèi)翼段與外翼段處于同一平面，構(gòu)成大展弦比布局。2014年，美國NASA阿姆斯特朗飛行研究中心、美國空軍研究中心以及Flexsys公司聯(lián)合開發(fā)的名為FlexFoil的自適應(yīng)柔性后緣完成了在NASA“灣流”Ⅲ公務(wù)機(jī)上的改裝與飛行試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了3%～12%的燃油效率提升和40%的降噪效率（圖7）。

盡管變體飛機(jī)的研究已近半個世紀(jì)，但是到目前為止尚未見技術(shù)成熟度較高且具有較大工程應(yīng)用價值的技術(shù)出現(xiàn)，究其原因主要有三個方面：（1）支撐變體結(jié)構(gòu)的材料技術(shù)成熟度較低，無法滿足使用要求；（2）傳統(tǒng)制造技術(shù)對結(jié)構(gòu)構(gòu)型復(fù)雜度的適應(yīng)性非常有限，大部分復(fù)雜結(jié)構(gòu)無法實(shí)現(xiàn)制造；（3）受制于傳統(tǒng)制造技術(shù)的固有觀念約束，設(shè)計師的設(shè)計理念固化，難以見到創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)構(gòu)型出現(xiàn)。因此變體技術(shù)的成熟度一直無法得到提升，成為制約其工程化應(yīng)用的重大技術(shù)壁壘，迫切需要另辟蹊徑，突破固有理念的限制，協(xié)同運(yùn)用材料、制造及構(gòu)型設(shè)計等技術(shù)進(jìn)行顛覆性創(chuàng)新。

制約變體飛機(jī)結(jié)構(gòu)工程化應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)主要包括三個方面：自適應(yīng)柔性蒙皮、連續(xù)可變主動變形骨架結(jié)構(gòu)、蒙皮與骨架協(xié)調(diào)匹配與驅(qū)動控制。自適應(yīng)柔性蒙皮是為了適應(yīng)飛機(jī)在服役環(huán)境中實(shí)現(xiàn)外形變化的需求，需要蒙皮具有：（1）法向可承受啟動載荷，變形過程中具有一定剛度；（2）蒙皮展向具有較高的抗拉強(qiáng)度；（3）蒙皮材料具有較好的耐磨損和抗化學(xué)腐蝕等環(huán)境適應(yīng)性；（4）高應(yīng)變?nèi)莶钅芰案叩膽?yīng)變恢復(fù)速率；（5）較強(qiáng)的抗疲勞損傷特性等特點(diǎn)。這些功能融合在同一結(jié)構(gòu)上是一項(xiàng)極其困難的事情。目前在自適應(yīng)柔性蒙皮領(lǐng)域的研究主要有魚鱗片結(jié)構(gòu)（圖8）[29]、負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)（圖9）[29]等，這些柔性蒙皮的共同特點(diǎn)是采用離散思維，通過復(fù)雜結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)性能的耦合。這些結(jié)構(gòu)的構(gòu)型復(fù)雜程度較高，很多高效率結(jié)構(gòu)使用傳統(tǒng)制造技術(shù)基本上無法實(shí)現(xiàn)制造，這正是4D打印發(fā)揮潛力的領(lǐng)域。除此之外，這些結(jié)構(gòu)的設(shè)計仍然是在考慮傳統(tǒng)制造工藝實(shí)現(xiàn)下的結(jié)構(gòu)構(gòu)型，尚未完全發(fā)揮結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)勢，如果采用4D打印技術(shù)拓寬結(jié)構(gòu)設(shè)計域，將有可能出現(xiàn)許多更加高效率的新概念結(jié)構(gòu)。

3.2 新型熱防護(hù)結(jié)構(gòu)

高超聲速飛行器具有作戰(zhàn)響應(yīng)快、戰(zhàn)場生存力強(qiáng)、察打效能高、懾戰(zhàn)一體等能力，是快速偵察和精確打擊的重要武器裝備，各國都在競相開展高超聲速飛行器的研制工作。為了滿足現(xiàn)代戰(zhàn)場環(huán)境的需求，高超聲速飛行器將逐步朝著水平起降、重復(fù)使用和快速響應(yīng)特征方向發(fā)展，這三個特征會帶來飛機(jī)服役環(huán)境的急劇惡化。水平起降功能要求飛機(jī)動力加強(qiáng)、結(jié)構(gòu)更加抗震和抗沖擊、輕質(zhì)起落架技術(shù)需求迫切；重復(fù)使用要求結(jié)構(gòu)具有更好的疲勞強(qiáng)度和耐環(huán)境性能；快速響應(yīng)對飛機(jī)的抗服役損傷和快速維護(hù)要求嚴(yán)苛。這些服役需求對熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。國內(nèi)外工程化應(yīng)用的熱防護(hù)結(jié)構(gòu)大多具有大熱流、單次或數(shù)次使用特征，尚未見針對航空服役環(huán)境、考慮壽命與環(huán)境適應(yīng)性的重復(fù)使用熱防護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)。面對重復(fù)使用要求和復(fù)雜環(huán)境服役，現(xiàn)有的熱防護(hù)體系還面臨諸多問題，主要包括：（1）現(xiàn)有熱防護(hù)結(jié)構(gòu)多采用陶瓷類材料，其力學(xué)性能、壽命、抗沖擊特性和耐環(huán)境特性都較差（圖10），無法適應(yīng)具有重復(fù)使用、水平起降、快速響應(yīng)三個典型航空特征的服役環(huán)境需求；（2）陶瓷蓋板式、陶瓷瓦式、金屬蜂窩式等熱防護(hù)結(jié)構(gòu)多以高溫和大熱流密度為主，主要關(guān)注于熱沖擊及短時大劑量防熱。而航空服役環(huán)境下，熱防護(hù)結(jié)構(gòu)以中低溫及熱流密度為主，其服役損傷應(yīng)多考慮持續(xù)發(fā)熱帶來的熱疏導(dǎo)需求、結(jié)構(gòu)高溫力學(xué)性能及高溫蠕變產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)失效等?；谶@些特點(diǎn)，航空服役用熱防護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)具備良好的環(huán)境適應(yīng)性、長壽命服役、大熱沉等性能，這些綜合需求對熱防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計形成嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，成為制約該類熱防護(hù)結(jié)構(gòu)研制的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。

利用4D打印技術(shù)從全新的技術(shù)視角研制精巧的熱防護(hù)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)隨服役環(huán)境需求的自適應(yīng)變化，可以有效解決現(xiàn)有熱防護(hù)結(jié)構(gòu)在環(huán)境適應(yīng)性、防熱效率、壽命特性等方面的矛盾，根據(jù)服役的實(shí)時需求改變熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)部特征，通過時間維度化解熱防護(hù)結(jié)構(gòu)多約束應(yīng)用的難題，可能給熱防護(hù)技術(shù)領(lǐng)域帶來顛覆性應(yīng)用效果。

3.3 新一代隱身技術(shù)

隱身技術(shù)是新型戰(zhàn)機(jī)的核心技術(shù)之一。從20世紀(jì)70年代至今，隱身技術(shù)經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，形成了多種隱身手段，部分已經(jīng)在工程應(yīng)用中取得較大實(shí)際價值[30-31]。目前主要的隱身方式包括外形隱身、材料隱身、等離子體隱身等。外形隱身技術(shù)是通過合理的外形設(shè)計，達(dá)到降低雷達(dá)散射截面（RCS）的目的，從而實(shí)現(xiàn)對雷達(dá)探測器的隱身（圖11）。外形隱身技術(shù)的隱身效果明顯，但需要犧牲一定的氣動效率；材料隱身技術(shù)是在飛行器表面涂覆一層吸波材料，利用吸波材料特殊的電磁特性，將入射的電磁波能量轉(zhuǎn)化為其他能量耗散掉，達(dá)到隱身目的[32]。材料隱身是隱身技術(shù)的重要組成部分，但低頻效果有限；等離子隱身技術(shù)是通過圍繞在飛行器表面的等離子體氣氛，實(shí)現(xiàn)對入射電磁波的吸收，從而達(dá)到隱身目的的隱身技術(shù)，該技術(shù)隱身效果好，吸波頻帶寬，但等離子技術(shù)機(jī)載裝備超重，對全機(jī)重量控制影響嚴(yán)重。這些隱身技術(shù)各有特點(diǎn)，在工程應(yīng)用中發(fā)揮了巨大價值，但其短板需要采用新興的隱身技術(shù)予以彌補(bǔ)，智能隱身技術(shù)便是其中重要的技術(shù)途徑之一。

智能隱身技術(shù)是最近發(fā)展起來的新型隱身技術(shù)，它具有感知和信息處理能力，可通過自我指令對環(huán)境做出最佳響應(yīng)，以達(dá)到降低信號特性，與背景匹配、融合的目的。它模仿“變色龍”具有自動適應(yīng)環(huán)境變化的特點(diǎn)?？梢杂行浹a(bǔ)上述隱身技術(shù)的不足，能顯著降低軍事目標(biāo)被探測、發(fā)現(xiàn)、識別及攻擊的概率，提高裝備的戰(zhàn)場生存能力和作戰(zhàn)效能，軍事意義重大。然而，智能隱身技術(shù)的隱身單元精密程度較高，物理實(shí)現(xiàn)困難。4D打印獨(dú)特的時間相關(guān)性與智能隱身技術(shù)結(jié)合，可使隱身結(jié)構(gòu)根據(jù)外界環(huán)境變化調(diào)節(jié)自身的結(jié)構(gòu)和性能，并對環(huán)境做出最佳響應(yīng)，為智能隱身結(jié)構(gòu)物理實(shí)現(xiàn)提供了一種全新的思路，它將有力地推進(jìn)智能隱身技術(shù)的工程化應(yīng)用。

4 結(jié)束語

4D打印的技術(shù)特點(diǎn)決定了其在航空航天、生物醫(yī)療、汽車船舶、精密機(jī)械等領(lǐng)域?qū)a(chǎn)生重大影響。隨著國家對先進(jìn)制造技術(shù)的推進(jìn)和支持力度的加大，4D打印技術(shù)將迎來飛速發(fā)展期。與3D打印相似，4D打印是一項(xiàng)高度設(shè)計/制造一體化技術(shù)，技術(shù)體系的發(fā)展需要結(jié)構(gòu)設(shè)計、專用材料、制造工藝、打印設(shè)備、應(yīng)用驗(yàn)證等多個環(huán)節(jié)的協(xié)同推進(jìn)，任何一環(huán)存在短板都將嚴(yán)重影響4D打印技術(shù)的進(jìn)步。

4D打印技術(shù)在功能驅(qū)動方面具有顯著優(yōu)勢，所以4D打印的應(yīng)用應(yīng)更加關(guān)注精細(xì)化、微/細(xì)觀及功能優(yōu)先。構(gòu)型與時間及空間的強(qiáng)相關(guān)性是4D打印的最顯著特征，這實(shí)質(zhì)上是要求4D打印制件在“變化”過程中其性能/功能具有良好保持率，所以4D打印材料全服役周期的性能/功能表現(xiàn)可能會成為制約其工程化應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)壁壘，這方面應(yīng)格外關(guān)注。

除此之外，與3D打印相比，4D打印有更明顯的多學(xué)科融合特質(zhì)，建議加強(qiáng)與其他學(xué)科的交叉與融合，促進(jìn)其良性發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

［1］BORMANN T, MULLER B, SCHINHANNER M, et al.Microstructure of selective laser melted nickel–titanium[J].Materials Characterization, 2009, 94: 189-202.

［2］李滌塵, 劉佳煜, 王延杰, 等.4D打印-智能材料的增材制造技術(shù)[J].機(jī)電工程技術(shù), 2014, 5: 1-9.（LI D C, LIU J Y, WANG Y J, et al.4D Printing-additive manufacturing technology of smart materials[J].Mechanical & Electrical Engineering Technology, 2014,5: 1-9.）

［3］耿云玲.4D打印現(xiàn)狀及未來發(fā)展動向[J].國防科技,2016, 37（3）: 24-27.（GENG Y L.Present situation and future development trends of 4D printing[J].National Defense Science and Technology, 2016, 37（3）: 24-27.）

［4］HABIJAN T, HABERLAND C, MEIER H, et al.The biocompatibility of dense and porous nickel–titanium produced by selective laser melting[J].Materials Science and Engineering: C, 2013, 33: 419-426.

［5］BORMANN T, MULLER B, SCHINHAMMER M, et al.Microstructure of selective laser melted nickel–titanium[J].Materials Characterization, 2014, 94: 189-202.

［6］小約翰·D·安德森.飛機(jī)技術(shù)發(fā)展歷程[M].宋筆鋒, 裴揚(yáng), 鐘小平, 等譯.北京: 航空工業(yè)出版社, 2012.（ANDERSON J D.The airplane: a history of its technology[B].Translated by SONG B F, PEI Y, ZHONG X P,et al.Beijing: Aeronautical Industry Press, 2012.）

［7］桑建華, 飛行器隱身技術(shù)[M].北京：航空工業(yè)出版社,2013.（SANG J H.Low-observable technologies of aircraft[M].Beijing: Aeronautical Industry Press, 2013.）

［8］蘇瑾.4D打印-智能材料的增材制造技術(shù)[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備, 2017（3）: 143-145.（SU J.4D Printing-intelligent material of the material manufacturing technology[J].Modern Manufacturing Technology and Equipment, 2017（3）: 143-145.）

［9］陳花玲, 羅斌, 朱子才, 等.4D打印-智能材料與結(jié)構(gòu)增材制造技術(shù)研究進(jìn)展[J]．西安交通大學(xué)學(xué)報，2018，12：1-12．（CHEN H L, LUO B, ZHU Z C, et al．4D printing:progress in additive manufacturing technology of smart materials and structure[J]．Journal of Xi’an Jiaotong University，2018，12：1-12.）

［10］LI S, HASSANIN H, MOATAZ M, et al.The development of TiNi-based negative Poisson's ratio structure using selective laser melting[J].Acta Materialia, 2016, 105:75-83.

［11］HALANI P R, KAYA I, SHIN Y C, et al.Phase trans-formation characteristics and mechanical characterization of nitinol synthesized by laser direct deposition[J].Materials Science and Engineering, 2013, 559: 836-843.

［12］張學(xué)軍, 唐思熠, 肇恒躍, 等.3D打印技術(shù)研究現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)[J].材料工程, 2016, 44（2）: 122-128.（ZHANG X J, TANG S Y, ZHAO H Y, et al.Research status and key technologies of 3D printing[J].Journal of Materials Engineering, 2016, 44（2）: 122-128.）

［13］楊平華, 高祥熙, 梁菁, 等.金屬增材制造技術(shù)發(fā)展動向及無損檢測研究進(jìn)展[J].材料工程, 2017, 45（9）: 13-21.（YANG P H, GAO X X, LIANG J, et al.Development tread and NDT progress of metal additive manufacture technique[J].Journal of Materials Engineering, 2017,45（9）: 13-21.）

［14］MARATTUKALAM J J, SINGH A K, DATTA S, et al.Microstructure and corrosion behavior of laser processed NiTi alloy[J].Materials Science and Engineering: C,2015, 57: 309-313.

［15］王向明, 蘇亞東, 吳斌.增材技術(shù)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)研制中的應(yīng)用[J].航空制造技術(shù), 2014, 22: 16-20.（WANG X M, SU Y D, WU B.Application of additive manufacturing technology on aircraft structure development[J].Aeronautical Manufacturing Technology, 2014,22: 16-20.）

［16］劉書田, 李取浩, 陳文炯, 等.拓?fù)鋬?yōu)化與增材制造結(jié)合:一種設(shè)計與制造一體化方法[J].航空制造技術(shù) , 2017,10: 26-31.（LIU S T, LI Q H, CHEN W J, et al.Combination of topology optimization and additive manufacturing: an integration method of structural design and manufacturing[J].Aeronautical Manufacturing Technology, 2017, 10: 26-31.）

［17］劉書田, 王奇.基于拓?fù)鋬?yōu)化的均勻磁場勵磁結(jié)構(gòu)設(shè)計方法[J].計算力學(xué)學(xué)報, 2013, 4: 479-484.（LIU S T, WANG Q.Topology optimization based method for coil arrangement for homogeneous magnetic field[J].Chinese Journal of Computational Mechanics,2013, 4: 479-484.）

［18］陳文炯, 劉書田, 張永存.基于拓?fù)鋬?yōu)化的自發(fā)熱體冷卻用植入式導(dǎo)熱路徑設(shè)計方法[J].力學(xué)學(xué)報, 2016, 2:406-412.（CHEN W J, LIU S T, ZHANG Y C.Optimization design of conductive pathways for cooling a heat generating body with high conductive inserts[J].Journal of Mechanics, 2016, 2: 406-412.）

［19］張衛(wèi)紅, 孫士平.多孔材料／結(jié)構(gòu)尺度關(guān)聯(lián)的一體化拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)[J].力學(xué)學(xué)報, 2006, 4: 522-529.（ZHANG W H, SUN S P.Integrated design of porous materials and structures with scale-coupled effect[J].Journal of Mechanics, 2006, 4: 522-529.）

［20］王振海, 張衛(wèi)紅 .柔性結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計發(fā)展概況[J].機(jī)械設(shè)計, 2004, 3: 1-4.（WANG Z H, ZHANG W H.Topological optimization design for flexible structure[J].Journal of Machine Design, 2004, 3: 1-4.）

［21］WADLEY B G.Multifunctional periodic cellular metals[J].Phil Trans R Soc A, 2006, 364: 31-68.

［22］EVANS A G, HUTCHINSON J W, ASHBY M F.Multifunctionality of cellular metal systems[J].Progress in Materials Science, 1999, 43: 171-221.

［23］EVANS A G, HUTCHINSON J W, FLECK N A.The topological design of multifunctional cellular metals[J].Progress in Materials Science, 2001, 46: 309-327.

［24］魏華林, 楊衛(wèi).輕質(zhì)高強(qiáng)點(diǎn)陣材料及其力學(xué)性能研究進(jìn)展[J].力學(xué)進(jìn)展, 2007, 1: 99-112.（WEI H L, YANG W.Development of lattice materials with high specific stiffness strength[J].Advances in Mechanics, 2007, 1: 99-112.）

［25］MOONGKHAMKLANG P, DESHPANDE V S, WADLEY H N G.The compressive and shear response of titanium matrix composite lattice structures[J].Acta Materialia, 2010, 58: 2822-2835.

［26］WADLEY H N G, QUEHEILLALT D T.Thermal applications of cellular lattice structures[J].Materials Science Forum, 2007, 539/540/541/542/543: 242-247.

［27］SCHAEDLER T A, JACOBSEN A J, TORRENTS A , et al.Ultralight metallic microlattices[J].Science, 2011,334（6058）: 962-965.

［28］蘇亞東, 吳斌, 王向明.增材制造技術(shù)在航空裝備深化應(yīng)用中的研究[J].航空制造技術(shù), 2016, 12: 42-48.（SU Y D, WU B, WANG X M.Research on further application of additive manufacturing[J].Technology on Aviation Equipment, 2016, 12: 42-48.）

［29］ADLER L, WARMUTH F, LODES M, et al.The effect of a negative Poisson's ratio on thermal stresses in cellular metallic structures[J].Smart Materials and Structures,2016, 25: 1-9.

［30］范文正, 趙振宇, 于海濱, 等.飛機(jī)隱身技術(shù)[J].航空科學(xué)技術(shù), 2012, 1: 84-91.（FAN W Z, ZHAO Z Y, YU H B, et al.Stealth technology of aircraft[J].Aeronautical Science and Technology,2012, 1: 84-91.）

［31］邢麗英, 張佐光 .結(jié)構(gòu)隱身復(fù)合材料的發(fā)展與展望[J].材料工程, 2002（4）: 48-51.（XING L Y, ZHANG Z G.The development of structural absorbing composites[J].Journal of Materials Engineering, 2002（4）: 48-51.）

［32］哈恩華, 黃大慶, 丁鶴雁.新型輕質(zhì)雷達(dá)吸波材料的應(yīng)用研究及進(jìn)展[J].材料工程, 2006（3）: 55-59.（HA E H, HUANG D Q, DING H Y.Application research and prospects of new and light mass radar absorbing materials[J].Journal of M aterials Engineering,2006（3）: 55-59.）