變形飛行器發(fā)展現(xiàn)狀及展望

孫安全 關(guān) 莉 張必聰

（1.空軍裝備部駐西安地區(qū)第五軍事代表室，陜西 西安 710065；2.西安飛行自動(dòng)控制研究所，陜西 西安 710065）

0 引言

變形飛行器是指在飛行任務(wù)過程中，飛行器能夠根據(jù)飛行環(huán)境和飛行任務(wù)，局部或整體地改變飛行器的結(jié)構(gòu)，使飛行器始終保持最優(yōu)飛行狀態(tài)。 變形技術(shù)不但能夠改善飛行器的氣動(dòng)特性， 增強(qiáng)續(xù)航能力，隱身能力，機(jī)動(dòng)性能，還能實(shí)現(xiàn)跨越介質(zhì)，多棲使用[1]。將變形控制與飛行控制結(jié)合起來，可以利用變形輔助機(jī)動(dòng)[2]。通過主動(dòng)變形還可以延長(zhǎng)部件疲勞壽命，增強(qiáng)飛行安全性能[3]。由于以上優(yōu)點(diǎn)，變形飛行器成為了國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)。

美國(guó)的變形飛行器研發(fā)起步較早。 1979 年，美國(guó)宇航局就與波音公司聯(lián)合啟動(dòng)了“自適應(yīng)機(jī)翼”項(xiàng)目的研究，該項(xiàng)目利用柔性復(fù)合材料，使機(jī)翼外形主動(dòng)發(fā)生變化[4]。 隨后美國(guó)宇航局又推行了“主動(dòng)柔性機(jī)翼”和“任務(wù)自適應(yīng)機(jī)翼”。完成了這兩個(gè)項(xiàng)目之后，美國(guó)又開展了“智能材料與結(jié)構(gòu)驗(yàn)證”“變形飛行器”和“變形機(jī)構(gòu)”等項(xiàng)目的研究。 隨著研究不斷深入，各式各樣的變形飛行器逐漸出現(xiàn)在歷史舞臺(tái)上，其中最為著名的是洛·馬公司的MAV 系列折疊機(jī)翼變形飛行器和NextGen 公司的MFX 系列滑動(dòng)蒙皮變形飛行器。美國(guó)對(duì)變形飛行器的研究之路可以概括為：“變形飛行器”“自適應(yīng)機(jī)翼”“主動(dòng)氣動(dòng)彈性機(jī)翼”和“智能可變形飛行器[5]”。除美國(guó)外，歐盟也在2002 年啟動(dòng)了多項(xiàng)相關(guān)研究項(xiàng)目，包括“氣動(dòng)彈性飛機(jī)結(jié)構(gòu)”“新一代飛行器概念研究”“智能固定翼飛行器”“變構(gòu)型”等項(xiàng)目。

部分學(xué)者將變形飛行器按照機(jī)翼變化形式、變形產(chǎn)生位置等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類，無法涵蓋變形飛行器的方方面面。 變形飛行器不僅僅是外形發(fā)生明顯變化，流場(chǎng)變化、氣體循環(huán)變化也應(yīng)屬于變形飛行器的范疇[3]。按照變形量的大小可以將變形飛行器分為三類[6]。 第一類是微小尺度形變，包括自適應(yīng)鼓包和翼面微振動(dòng)等；第二類是中尺度變形，包括進(jìn)氣道變形和機(jī)翼的厚度、彎度改變等；第三類是整體大尺度變形，展弦比變化超過200%，翼面積變化超過50%，后掠角變化超過20°的變形都屬于此類[6]。也有學(xué)者認(rèn)為當(dāng)某一部位或參數(shù)的形變量指標(biāo)超過50%，就應(yīng)屬于第三類[7]。按照變形尺度分類不但可以將所有種類的變形形式包含起來，更能體現(xiàn)變形給飛行器帶來的影響以及該類變形的優(yōu)勢(shì)。 因此，本文將按照變形尺度分類標(biāo)準(zhǔn)來概述變形飛行器的發(fā)展現(xiàn)狀，并對(duì)未來變形飛行器的發(fā)展和應(yīng)用進(jìn)行展望。

1 小尺度變形

小尺度變形是為了實(shí)現(xiàn)主動(dòng)流動(dòng)控制， 通過小的結(jié)構(gòu)變化影響流場(chǎng)，以達(dá)到減弱附面層、抵消激波、穩(wěn)定流動(dòng)等目的。該項(xiàng)技術(shù)即“自適應(yīng)機(jī)翼”技術(shù)。實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)機(jī)翼可以通過翼面微振動(dòng)、自適應(yīng)鼓包等方式。

翼面微振動(dòng)技術(shù)通過在直升機(jī)槳葉中埋入主動(dòng)控制單元，使機(jī)翼具有主動(dòng)變形能力，又稱為智能旋翼。 在槳葉發(fā)生振動(dòng)時(shí)，這些主動(dòng)控制單元能夠產(chǎn)生微小形變，抑制結(jié)構(gòu)振動(dòng)，從而達(dá)到保護(hù)槳葉的目的。

智能旋翼的實(shí)現(xiàn)方法多種多樣，包括：電致槳葉扭轉(zhuǎn)技術(shù)，通過將壓電越變（PZT）薄片嵌入槳葉中產(chǎn)生電致扭轉(zhuǎn)或通過扭轉(zhuǎn)板壓電作動(dòng)器產(chǎn)生電致扭轉(zhuǎn)；智能纖維復(fù)合材料扭轉(zhuǎn)技術(shù)，將PZT 纖維連續(xù)，平行地排列進(jìn)環(huán)氧樹脂層和聚酰亞胺電涂膜層。這兩種實(shí)現(xiàn)方法都是將智能材料沿直升機(jī)槳葉展向連續(xù)排布。還有一類實(shí)現(xiàn)方法是通過控制槳尖扭轉(zhuǎn)來控制整個(gè)旋翼的震顫，包括智能槳尖扭轉(zhuǎn)技術(shù)和旋翼槳葉副翼驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)技術(shù)。

美國(guó)開發(fā)了一種壓電材料自適應(yīng)旋翼。這種自適應(yīng)旋翼能夠產(chǎn)生-4°到12°的槳距變化，機(jī)動(dòng)性比鉸鏈?zhǔn)教岣?5%以上，功率消耗降低，質(zhì)量減輕，旋翼雷達(dá)反射面積減小。 MD-900 直升機(jī)就應(yīng)用了該種技術(shù)，其噪聲和振動(dòng)明顯降低（見圖1）。

圖1 MD-900 上的自適應(yīng)旋翼

然而，當(dāng)前可供使用的驅(qū)動(dòng)單元無法提供更大的變形力； 傳感器信號(hào)采集與驅(qū)動(dòng)單元控制無法穩(wěn)定，有效實(shí)現(xiàn)；建模方法與真實(shí)情況匹配度差。 相關(guān)技術(shù)還有待進(jìn)一步研究。

自適應(yīng)鼓包技術(shù)是為了減小波阻。 飛行時(shí)，機(jī)翼的外形會(huì)發(fā)生變化，在激波區(qū)凸起一個(gè)鼓包，降低激波的強(qiáng)度，同時(shí)利用吸除技術(shù)平衡激波前后壓力。 該技術(shù)可以有效降低波阻，不附加黏性阻力。

1992 年Ashill 等第一次提出了這一概念， 隨后NASA 展開相關(guān)研究，在高壓音速條件下，采用固定鼓包進(jìn)行了驗(yàn)證，證明了該項(xiàng)技術(shù)能夠有效降低翼型阻力。 然而，固定鼓包無法在全包線范圍內(nèi)提供有效的減阻效果， 研究人員又提出了自適應(yīng)鼓包的概念（見圖2）。 E.Jinks 等分析了自適應(yīng)鼓包在多個(gè)任務(wù)狀態(tài)下的表現(xiàn)，AV Popov, M Labib 等對(duì)鼓包變形控制進(jìn)行了相關(guān)研究。

圖2 一種SMA 自適應(yīng)鼓包工作原理

小尺度變形結(jié)構(gòu)依賴MEMS 技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前已有大量的研究應(yīng)用。 總體上看，微小變形技術(shù)較多地依賴于變形機(jī)構(gòu)，需要強(qiáng)度高、韌性強(qiáng)的智能材料，也需要更為簡(jiǎn)單、高效的控制方法。

2 中尺度變形

中尺度變形是為了實(shí)現(xiàn)飛行控制性能的優(yōu)化，通過機(jī)翼、機(jī)身連續(xù)，光滑的形狀變化，或其他飛行器氣動(dòng)部件的可逆變形來提高飛機(jī)的操縱和控制性能。這種變形形式可以把飛機(jī)的氣動(dòng)彈性利用起來，輔助機(jī)動(dòng)。實(shí)現(xiàn)中尺度變形的方式包括：機(jī)翼扭轉(zhuǎn)、自適應(yīng)后緣，導(dǎo)彈彈頭的偏轉(zhuǎn)，進(jìn)氣道和尾噴口的變形等。

主動(dòng)氣動(dòng)彈性機(jī)翼（AAW）就是利用機(jī)翼扭轉(zhuǎn)來增強(qiáng)戰(zhàn)斗機(jī)滾轉(zhuǎn)效能。AAW 通過機(jī)翼的法向扭轉(zhuǎn)，協(xié)同前后緣操縱面，主動(dòng)使機(jī)翼發(fā)生彈性形變。 由變形的機(jī)翼為飛機(jī)運(yùn)動(dòng)提供操縱力。因?yàn)檎麄€(gè)機(jī)翼都參與控制力的產(chǎn)生過程，操縱面偏轉(zhuǎn)量比常規(guī)機(jī)翼小。 F/A-18A 飛機(jī)上已經(jīng)采用了該項(xiàng)技術(shù)，并進(jìn)行了多次試飛驗(yàn)證（見圖3）。

圖3 主動(dòng)氣動(dòng)彈性機(jī)翼F/A-18A

AAW 應(yīng)用于F/A-18 后， 使其重量下降48%，剛度降低40%。 AAW 是無尾布局飛行器的有效控制手段，亞聲速和超聲速飛行器上均可應(yīng)用，并能為飛行器提供更優(yōu)秀的滾轉(zhuǎn)操作效能。

美國(guó)Smart Wing 項(xiàng)目階段2 實(shí)現(xiàn)了智能柔性翼后緣。 2014#2015 年，美國(guó)將之應(yīng)用于灣流III 公務(wù)機(jī)上，并進(jìn)行了22 架次的飛行試驗(yàn)。 該項(xiàng)目開展至今，已經(jīng)能夠使機(jī)翼后緣在-2°到30°范圍內(nèi)變化，有效減輕重量，降低起降噪聲，節(jié)省燃料。

除了自適應(yīng)后緣，還有變弦長(zhǎng)、變厚度等多種中尺度變形形式。

2011 年， 賓夕法尼亞大學(xué)的Barbarino 等人設(shè)計(jì)有一款變弦長(zhǎng)直升機(jī)旋翼（見圖4），能實(shí)現(xiàn)高達(dá)30%的弦長(zhǎng)變化。

圖4 一種變弦長(zhǎng)機(jī)翼

變厚度機(jī)翼主要是為了降低阻力， 降低燃油消耗。 2012 年加拿大，魁北克大學(xué)的Grigorie 等人設(shè)計(jì)了一款變厚度自適應(yīng)機(jī)翼結(jié)構(gòu)（見圖5），在機(jī)翼蒙皮下埋入記憶合金絲驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)變化。該自適應(yīng)翼型能夠有效地減小阻力，并將轉(zhuǎn)捩推遲。

圖5 一種變厚度機(jī)翼示意圖

為了實(shí)現(xiàn)中尺度變形，大量的基于智能復(fù)合材料變形機(jī)構(gòu)的研究被推進(jìn)。比較典型的是應(yīng)用壓電陶瓷薄片設(shè)計(jì)的壓電雙片夾層彎/扭結(jié)構(gòu)， 應(yīng)用SMA 偏離基體結(jié)構(gòu)帶動(dòng)基體結(jié)構(gòu)發(fā)生彎曲或扭曲變形的SMA偏置布置彎/扭結(jié)構(gòu)和應(yīng)用SMA 絲制作的SMA 扭力管結(jié)構(gòu)。

彈頭變化能夠有效地影響導(dǎo)彈的飛行軌跡。彈頭相對(duì)于彈體軸線的變化可以產(chǎn)生氣動(dòng)力， 輔助機(jī)動(dòng)。美國(guó)通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了利用彈頭偏轉(zhuǎn)控制導(dǎo)彈飛行的可行性。Auburn 大學(xué)的Ron Barret 等應(yīng)用壓電致動(dòng)器開發(fā)了一種彈頭偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)（見圖6），實(shí)現(xiàn)了0.12°的彈頭偏轉(zhuǎn)。中北大學(xué)王飛等就偏轉(zhuǎn)彈頭對(duì)火箭彈道的影響進(jìn)行了分析研究，證明了偏轉(zhuǎn)彈頭可以修正彈道，增程率高達(dá)77%。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)楊杰等采用SMA 絲致動(dòng)器實(shí)現(xiàn)了8°偏轉(zhuǎn)角的彈頭偏轉(zhuǎn)。

圖6 一種彈頭偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

除這些氣動(dòng)外形發(fā)生變化的飛行器變形研究外，為了滿足在不同速度、不同大氣環(huán)境下的發(fā)動(dòng)機(jī)流量和總壓要求，進(jìn)氣、排氣系統(tǒng)也可根據(jù)需要設(shè)計(jì)成可變形結(jié)構(gòu)。

臨近空間飛行器SR-71 采用的是J58 發(fā)動(dòng)機(jī)。該發(fā)動(dòng)機(jī)是一款渦輪機(jī)組和動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)，具有可以調(diào)進(jìn)氣道。進(jìn)氣道外罩、中心錐、前后旁門活路和尾噴口均可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。美國(guó)針對(duì)渦輪基組合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)展開了二元可調(diào)進(jìn)氣道研究。通過可調(diào)進(jìn)氣道解決了邊界層問題和推進(jìn)系統(tǒng)的模態(tài)轉(zhuǎn)換問題。 B787 采用了V 形尾噴口，其起飛和降落過程中鋸齒形的罩圈可以自動(dòng)收縮、張開，能夠提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，有效降低噪聲。 尾噴變形的方式還有矢量噴管，現(xiàn)已成為戰(zhàn)斗機(jī)的基本技術(shù)要求（如圖7 所示）。

圖7 B787 上的V 型尾噴管

中尺度變形可以部分替代舵面控制，通過氣動(dòng)部件變形來產(chǎn)生控制力，能夠提高飛行器的控制效率。

3 大尺度變形

大尺度變形以面向任務(wù)的設(shè)計(jì)為主，通過大幅度改變飛行器的整體氣動(dòng)結(jié)構(gòu)來使飛行器適應(yīng)不同的飛行條件，完成相應(yīng)的飛行任務(wù)。 主要的變形方式包括：變后掠、變展長(zhǎng)、變翼面積和變翼型等。

20 世紀(jì)中后期，各種變后掠角飛行器在歷史舞臺(tái)上大放異彩，如美國(guó)的X-5、F-111、F-14 和B-1，前蘇聯(lián)的圖-160 和米格-23 等。 變后掠能根據(jù)飛行速度調(diào)整后掠角，既能滿足低速飛行時(shí)的升力、阻力要求，又能在高速飛行時(shí)延遲激波的產(chǎn)生，有效降低阻力。但是上述提到的飛行器大多數(shù)采用機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行變形，能源消耗大且笨重繁瑣，維護(hù)成本高，這些弊端遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了變形帶來的優(yōu)勢(shì)，因此變后掠沒有成為主流。

隨著智能材料的發(fā)展，變后掠又逐漸回到研究者們的視野。 NextGen 的MFX-1 滑動(dòng)變形無人機(jī)可以實(shí)現(xiàn)15°～35°的變后掠（見圖8）。 該飛行器采用的是柔性變后掠結(jié)構(gòu)， 鋁條增強(qiáng)的硅橡膠類柔性蒙皮，翼面積和翼展也可發(fā)生大尺度的變化。 2006 年，Grant等人設(shè)計(jì)了一款多自由度變形飛行器，該飛行器每個(gè)機(jī)翼上包含兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，能夠獨(dú)立控制，實(shí)現(xiàn)多種形式的變后掠組合變形方案，具有優(yōu)越的轉(zhuǎn)向能力和側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性。智能材料與柔性變形為變后掠飛行器注入了新的能量。

圖8 MFX-1

小展長(zhǎng)機(jī)翼可以達(dá)到更高的飛行速度，具有良好的機(jī)動(dòng)性能，但升力特性較差，續(xù)航能力弱；大展長(zhǎng)機(jī)翼續(xù)航能力好，但操控性能差。 因此根據(jù)飛行條件和飛行任務(wù)變化機(jī)翼展長(zhǎng)也是一個(gè)重要的研究方向。1931 年， 俄國(guó)的Ivan Makhonine 設(shè)計(jì)的MAK-10 是第一款變展長(zhǎng)飛行器， 其展長(zhǎng)變化范圍從13m 到21m，翼面積變化量可達(dá)57%。2004 年，馬里蘭大學(xué)的Blondeau 等設(shè)計(jì)了三段式的伸縮機(jī)翼， 變形量可達(dá)230%。 2016 年，南安普頓大學(xué)Ajaj 等設(shè)計(jì)了雙翼梁變展長(zhǎng)飛行器，翼展變化量達(dá)100%。

除了變后掠、變展長(zhǎng)外，另一大尺度變形形式是機(jī)翼的展向彎曲、折疊。 該種變形形式能夠通過翼面外彎曲實(shí)現(xiàn)飛行器姿態(tài)控制，減小阻力，增強(qiáng)其過失速性能。 其中以Lockheed Matrin 公司的Z 形翼變形方案最具代表性（見圖9）。 該變形方案能夠大范圍改變翼面積，控制巡航阻力。 然而該類方案對(duì)變形部位的蒙皮要求苛刻，既要承擔(dān)強(qiáng)大的氣動(dòng)載荷，又要保證變形面的光滑連續(xù)。 除了Z 型翼，Lee 等人還提出了一種柔性薄膜機(jī)翼，可以卷曲變形，能有效地提高機(jī)翼的氣動(dòng)性能。

圖9 Z 形折疊翼示意圖

折疊機(jī)翼的另一成功應(yīng)用便是“鸕鶿”號(hào)變形無人機(jī)。 它可以從“俄亥俄”級(jí)潛艇的導(dǎo)彈管中發(fā)射出來，能夠承受水下45.72 m 的壓力。 在無人機(jī)彈出水面后，助推器開火，無人機(jī)脫離水面飛行。完成任務(wù)后可以在陸地著陸并被回收。該類無人機(jī)的出現(xiàn)極大拓寬了潛艇武器的實(shí)戰(zhàn)效能，可以執(zhí)行情報(bào)偵察、目標(biāo)監(jiān)視與打擊、中繼制導(dǎo)等多種任務(wù)，對(duì)于反海、反潛、防控和對(duì)陸作戰(zhàn)用處極大。折疊機(jī)翼技術(shù)在其中發(fā)揮了重要的作用（如圖10 所示）。

圖10 柔性薄膜機(jī)翼的折疊狀態(tài)（a）與展開狀態(tài)（b）

4 未來發(fā)展

從歷史發(fā)展的角度上看，在美國(guó)“變形飛行器結(jié)構(gòu)”計(jì)劃實(shí)施之前，變形飛行器的形式主要以小尺度和中等尺度變形為主，在“變形飛行器結(jié)構(gòu)”計(jì)劃實(shí)施之后，變形尺度逐漸擴(kuò)大，并出現(xiàn)了NextGen 公司的滑動(dòng)蒙皮變形飛行器和Lockheed Matrin 公司的折疊機(jī)翼變形飛行器等優(yōu)秀方案。因此大尺度變形飛行器是未來發(fā)展的趨勢(shì)。

然而，機(jī)翼大尺度變形對(duì)蒙皮而提出了更高的要求。 當(dāng)前變形蒙皮研究一類以橡膠或記憶聚合物為主；一類依靠多段式變形；一類依靠波紋結(jié)構(gòu)。第一類橡膠蒙皮容易出現(xiàn)界面脫粘，材料分離；第二類多段式蒙皮氣密性差；第三類波紋結(jié)構(gòu)表面凹凸不平容易引起阻力增大。因此既能滿足變形需求又能保障氣密性和表面平整度的蒙皮尚需要進(jìn)行研究。

圖11 “鸕鶿”號(hào)變形無人機(jī)

同時(shí)， 變形飛行器的應(yīng)用場(chǎng)景也需要進(jìn)行擴(kuò)展。單一針對(duì)空中飛行任務(wù)設(shè)計(jì)的，以優(yōu)化各任務(wù)階段空氣動(dòng)力學(xué)性能為目的的變形飛行器潛力并不大。變形飛行器更廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景在于多棲和多域飛行。

變形飛行器的研究和發(fā)展是漫長(zhǎng)的。不論是變形驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)還是變形飛行器的建模與控制律設(shè)計(jì)都有待進(jìn)一步的研究，其對(duì)于智能材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、傳感技術(shù)、信息處理、控制律設(shè)計(jì)等多學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展都將具有深遠(yuǎn)的意義。