飛行器新結構技術展望

馬野，宋盛菊，劉焱飛

中國運載火箭技術研究院研究發(fā)展中心，北京 100076

需求牽引是飛行器設計的創(chuàng)新源頭，可以說一代需求牽引一代裝備，飛行器結構設計也是如此。傳統(tǒng)的飛行器結構設計要求主要包括輕質、安全、可維護和低成本等，對于航天飛行器結構設計，在上述要求的基礎上，還重點強調耐高溫、防隔熱承載一體化和可重復使用等特性，這些要求是飛行器結構設計的基本要求。隨著人類科技的進步以及新需求的牽引，面向未來的飛行器面臨更高的要求，在結構設計方面主要體現(xiàn)為隱身、智能、多功能和可變構型等，這些需求將不斷牽引飛行器結構技術向更高的水平發(fā)展。

縱觀飛行器百年發(fā)展歷程，人類發(fā)明了各式各樣的飛行器，在尺寸、速域、空域及功能上都不盡相同，從結構形式、使用載荷條件及應用環(huán)境上來看也是千差萬別。因此，飛行器結構涉及到的范疇比較廣泛，結構形式也多種多樣，結構設計的方法及理念也在不斷發(fā)展，難以統(tǒng)一歸類和歸納，但從飛行器結構技術發(fā)展趨勢上來看，當前已形成了一定的潛在方向，如圖1所示，相信也必將成為未來飛行器結構技術發(fā)展的主要趨勢和方向。

圖1 飛行器結構技術發(fā)展趨勢Fig.1 Developing trend for structure technology of aircraft

飛行器結構的發(fā)展趨勢是飛行器結構發(fā)展需求和技術推動的共同結果，趨勢一旦形成，也會促進飛行器結構的更快發(fā)展，尤其是在當前飛行器設計空天結合的大背景下。本文從飛行器結構技術發(fā)展維度出發(fā)，著重對近幾十年來出現(xiàn)的飛行器結構創(chuàng)新概念及理念進行了匯總和整理，形成了對航空航天飛行器結構技術發(fā)展趨勢的研判，這些結論可對后續(xù)飛行器結構專業(yè)的發(fā)展提供有益借鑒。鑒于很多潛在的發(fā)展概念在內(nèi)容上存在相互重疊，無法嚴格界定和區(qū)分，本文整理的內(nèi)容也會存在一定的交叉，分別從輕質/多功能結構、智能結構、變形/變體結構、仿生材料/結構和防隔熱承載一體化結構5個方面進行論述。

1 輕質/多功能結構

輕質是飛行器對結構的最基本要求。為了實現(xiàn)飛行器對結構的輕質化要求，人們采取了多種途經(jīng)：在材料選擇上，先后出現(xiàn)了鋁合金、鈦合金及復合材料的應用，材料應用已多種多樣；在工藝路線上，金屬材料的加工不再僅是傳統(tǒng)的減材制造，出現(xiàn)了增材制造，甚至復合材料也發(fā)展了增材制造結構；在結構形式上，也不再是傳統(tǒng)的結構設計形式，出現(xiàn)了拓撲優(yōu)化結構、點陣結構等形式。為了提高飛行器的結構效率，必須采取創(chuàng)新性思維拓展結構設計理念，開拓結構設計方法，提升結構設計潛力。

王向明等[1-2]主要基于金屬增材制造技術，提出了飛行器結構大型整體化、梯度復合化、構型拓撲化和結構功能一體化等概念，具有高減重、長壽命、多功能、低成本和快速響應等優(yōu)勢，在我國新型飛機結構設計應用中發(fā)揮了重要作用。

先進復合材料一經(jīng)出現(xiàn)，便憑借著它優(yōu)異的力學性能和重量優(yōu)勢迅速成為飛行器結構的主要材料，占比呈逐年遞增趨勢，甚至一度成為評判飛行器先進程度的標準[3-4]。由于復合材料的可設計性，賦予了它更靈活的設計空間，其在飛行器結構設計領域的應用必將越來越廣泛[5-7]，尤其是隨著增材制造技術、智能材料技術的發(fā)展，先進復合材料也必將成為持續(xù)熱點技術[8]，目前的結構技術發(fā)展已然體現(xiàn)出這種趨勢。圖2為先進復合材料的一些示例。

圖2 先進復合材料結構示例Fig.2 Examples for advanced composites

無論是金屬材料還是復合材料，飛行器結構在保證輕質的前提下，還應盡可能地承擔更多的功能需求，使飛行器結構能夠承擔更多的角色，發(fā)揮更大的作用。隨著三維打印等加工制造工藝技術的提高，使得輕質/多功能結構的實現(xiàn)變得越發(fā)可行，當前已經(jīng)出現(xiàn)的工程應用包括天線共形結構[9]、管路共形結構[2]、隱身材料結構[10-11]和“零質量”電池儲能結構[12]、智能健康監(jiān)測結構等，如圖3所示。

圖3 多功能結構示例Fig.3 Examples for multifunctional structure

2 智能結構

智能結構的概念主要包括智能健康監(jiān)測結構、智能變形結構（與變形/變體結構有交叉，見第3節(jié)）、智能修復結構（與仿生材料/結構有交叉，見第4節(jié)）等。

智能健康監(jiān)測結構是飛行器結構與結構健康監(jiān)測（SHM）相互結合的多學科技術，如智能蒙皮概念。目前，很多先進的飛行器均安裝有健康監(jiān)測系統(tǒng)，通過智能傳感器陣列布置于飛行器結構指定位置（可在制造環(huán)節(jié)將傳感器植入結構內(nèi)部，形成一體化結構），可實時動態(tài)監(jiān)控飛行器結構的健康狀況，圖4 給出了一些智能傳感器和光纖傳感器示例[13-15]。

圖4 智能傳感裝置示例Fig.4 Examples for smart sensor

3 變形/變體結構

如果變形僅是指飛行器在飛行過程中的構型發(fā)生改變，那么變形并不是一個新概念[16]，飛機正是通過對襟翼、副翼和尾翼等的操控來實現(xiàn)對飛行過程的控制。從技術發(fā)展的時間維度來看，飛機的變形也不是一個新概念，可以說從飛機誕生之初就已經(jīng)存在，一百多年來，飛機設計師和工程師們將各式各樣的飛機變形方式都變成了現(xiàn)實，形成了大量的難以完全統(tǒng)計的飛機方案或驗證方案，圖5僅統(tǒng)計了歷史上最典型的飛機和技術驗證概念[16-42]?？梢钥闯?，飛行器的變形主要是指機翼的變形，機身的變形案例尚不多見（當然，對于翼身融合體或乘波體構型，機翼和機身的區(qū)分并不明顯），機翼變形又以變彎度（扭度）、變后掠、變上反（折疊）和變展長這4 種變形模式為重點發(fā)展方向。本文所涉及的變形結構主要是指飛行器在飛行過程中可以完成變形的結構，因此折疊式的艦載機并不在本文的討論范疇內(nèi)。

圖5 部分變形方式的飛機和驗證概念Fig.5 Some sorts of morphing airplane and concept

主動氣動彈性機翼（AAW）概念最早約出現(xiàn)于1974年，通過前緣襟翼改變機翼的彎度進行總體動力學測試。最近的AAW 測試出現(xiàn)在2002 年，其基于F-18 飛機，通過前緣襟翼和副翼形成機翼扭轉來測試飛機在跨聲速和超聲速的滾轉控制[16,20]，如圖6所示。

圖6 基于F-18飛機的AAWFig.6 AAW based on F-18

任務適應性機翼（MAW）概念出現(xiàn)于20世紀70年代末期，基于F-111 飛機，該機型的機翼可實現(xiàn)變后掠、變前緣和變后緣彎度[21-22]。由圖7可知，其前、后緣結構為多級鉸鏈結構，尤其是后緣結構較為復雜，通過多級鉸鏈可以實現(xiàn)較單級鉸鏈更為順滑和復雜的舵面變形模式，因此可以提升全飛行包線的性能。MAW概念對后續(xù)飛行器設計產(chǎn)生了較大的影響，直到現(xiàn)在該概念依然是設計的主流思想。

圖7 基于F-111飛機的MAW Fig.7 MAW based on F-111

智能機翼（Smart Wing）概念出現(xiàn)于20 世紀90 年代初期。為了促進智能機翼的研究，智能材料和結構—智能機翼項目分為兩個階段：第一階段以形狀記憶合金（SMA）驅動的無鉸鏈式的后緣操縱面和以SMA 扭力管實現(xiàn)機翼扭轉為主要應用特征，并開展了基于16%縮比模型的風洞試驗測試，如圖8所示；第二階段以SMA驅動的前、后緣和以超聲壓電驅動的后緣為主要應用特征，并開展了全翼展的30%縮比無人駕駛飛行器（UCAV）模型的風洞試驗[23-27]。

圖8 以F-18飛機為示例的Smart Wing 應用Fig.8 Smart Wing examples based on F-18

進入21世紀以后，更多的關于飛行器變形結構的新材料、新技術、新概念和新理念如井噴式涌現(xiàn)，呈現(xiàn)出全面開花的局面，相較于完整的統(tǒng)計和展示，本文僅對一些有典型代表意義的技術驗證概念進行介紹，如圖9所示。

圖9 典型的變形機翼示例Fig.9 Typical morphing wing examples

“下一代”（NextGen）項目起源于2003年的下一代變形飛行器結構（N-MAS）計劃，要求“下一代”飛行器具備大幾何變形能力（包括200%展弦比變化、40%展長變化和70%機翼面積變化等），同時還需滿足飛行控制、變形效率和結構承載等要求，最終選定了蝙蝠翼（batwing）構型并開展了風洞試驗研究和飛行試驗（MFX-1）[28-30]。自適應柔性后緣舵（ACTE）項目源于FlexSys 公司的小企業(yè)創(chuàng)新研究（SBIR）項目，在2009 年對灣流Ⅲ型客機進行改制，采用柔性結構技術實現(xiàn)無縫式柔性后緣舵，完成了動力學積木式試驗驗證，并于2015 年開展了飛行試驗測試[31-35]。柔性結構技術可以幫助飛行器實現(xiàn)結構減載，提升操縱面的效率并減少噪聲。智能飛行器結構機翼（SARISTU）為空客公司組織歐洲16個國家64個參與者在2011—2015 年開展的大型合作項目，集成了機翼翼段產(chǎn)品并完成了風洞試驗考核。該項目旨在通過適應性機翼前、后緣和集成傳感器等技術提升飛行器結構配平能力，提高氣動控制效率，減少燃油消耗和噪聲[36-39]。適應性后緣裝置（ATED）是該項目的一個主要分項目。展向自適應機翼（SAW）是由美國國家航空航天局（NASA）組織開展的應用SMA進行機翼展向折疊的技術驗證項目，于2017年12月利用縮比驗證機完成了利用SMA折疊機翼的試飛[40-41]，2018年8月成功地利用SMA實現(xiàn)一架F-18飛機全尺寸機翼翼段的地面折疊試驗，該項研究工作仍在開展之中。任務適應性數(shù)字復合材料結構技術（MADCAT）項目由NASA 組織開展，2016 年研制出“積木式”柔性機翼的小尺寸驗證機，并完成風洞試驗和飛行試驗[17,42]。2019年，開展了全尺寸樣機的設計、制造和風洞試驗工作，表明這種“積木式”構型可以按飛機設計要求實現(xiàn)定制化設計。

除上述變形結構實踐外，還有非常多的變形結構概念和理念，如變形結構基本圍繞著形狀記憶特性材料（SMA、SMP、SMT 等）、壓電陶瓷材料（AFC、MFC 等）、柔性結構（包括柔性胞元結構、柔性蒙皮、類折紙式結構等）和仿生翼（一般為小型飛行器）等，很多概念和方案已處于實驗室階段或飛行試驗階段，但這部分內(nèi)容十分豐富，且形式多樣、創(chuàng)新性強，難以簡單概述，圖10 僅給出了一些變形概念的圖示[43-48]。關于變體飛機的智能結構技術，參考文獻[49]給出了更加詳細的論述，本文不再介紹。

圖10 一些變形結構概念Fig.10 Some concepts of morphing structures

對于變形/變體飛行器而言，變形/變體結構需要回答兩個問題：（1）為什么要變形，需要什么樣的變形，變形能夠帶來哪些好處？（2）如何從技術上實現(xiàn)這種變形，技術成熟度如何，費效比如何？首先，飛行器變形的出發(fā)點一定要是任務上的需求或者能夠給飛行帶來更優(yōu)的結果，如減阻、降噪、低碳環(huán)保等；其次，如何從技術上實現(xiàn)這種變形也是非常重要的，不同的技術路線選擇或許可以達到同樣的變形效果，但技術成熟度、費效比卻不相同，在工程上所采用的方案往往更傾向于折中的選項。

一個高效的變形結構技術須考慮三個工程需求，即輕質結構、承載能力及變形能力。如圖11 所示，大部分的變形結構概念能夠滿足其中兩個方面的需求，少有能夠同時實現(xiàn)三個方面需求的結構概念[50]。從一定程度上來看，這三個方面的需求在工程上的交集似乎并不好實現(xiàn)，需要采取創(chuàng)新性思維來引導設計。同時，圖11也能出了三個重要的結構概念，即傳統(tǒng)結構、輕質結構和柔性結構。相對于傳統(tǒng)結構，輕質結構以典型的高強度結構材料應用為代表，但結構過于剛硬；柔性結構以可接受彈性大變形為主要特征，但結構過于柔性、靈活。變形結構的目標在于通過合理的工程設計，平衡并兼顧輕質、承載和變形要求，取得相對于傳統(tǒng)結構更有利的技術進步和工程應用。

圖11 變形結構面臨的工程挑戰(zhàn)Fig.11 Engineering challenges on morphing structure

4 仿生材料/結構

仿生材料/結構源于大自然的生物結構，它可以給人們帶來設計上的靈感，并使人們少走彎路，幫助人們實現(xiàn)更優(yōu)的設計。因此，將生物結構的一些結構特征應用于飛行器材料和結構設計是一種自然而然的想法，近些年逐漸出現(xiàn)了一些基于仿生的材料/結構的研究，并且越發(fā)成為熱點。

生物結構經(jīng)歷了進化的自然選擇，是一種非常有道理的存在。丹麥技術大學學者通過超級計算機，基于拓撲優(yōu)化方法，對民航飛機的機翼進行拓撲優(yōu)化，最后發(fā)現(xiàn)拓撲優(yōu)化的整體機翼內(nèi)部結構與鳥類的嘴部骨骼內(nèi)部結構有異曲同工之妙[51]，如圖12所示。

在飛行器結構設計上，人們可以直接借鑒鳥類或者昆蟲的飛行原理以及結構形式來設計仿生飛行器[52-55]，但這種飛行器一般為小型的撲翼式飛行器或折疊翼飛行器，這方面國內(nèi)外的研究非常多，是近幾年研究的熱點方向，圖13僅給出了一些仿生飛行器概念的圖示[52,55]。

圖13 一些仿生飛行器概念Fig.13 Some concepts of bio-inspired aircraft

人們也可以在飛行器的材料設計上借鑒并利用仿生的一些有益特性形成新材料，如仿生材料具有良好的增韌性能[56]、耐沖擊吸能特性[57]和材料自愈性[58]，然而這部分內(nèi)容目前來看創(chuàng)新性也較強，距離形成有效的飛行器結構工程應用可能還尚需時日，但這種趨勢已然出現(xiàn)。圖14給出了一些仿生材料概念的圖示。

圖14 一些仿生材料概念Fig.14 Some concepts of bio-inspired material

5 防隔熱承載一體化結構

空天飛行器的結構與熱防護系統(tǒng)向一體化方向發(fā)展的趨勢已越發(fā)顯著[59-60]。如圖15所示，從20世紀美國的航天飛機剛性陶瓷瓦開始[61]，美國和歐洲對空天飛行器的熱防護系統(tǒng)（TPS）進行了持續(xù)的研究。X-33的研制提出了金屬TPS的應用，其采用機械連接方式，提高了可靠性[62-63]。X-37B 的熱防護結構為防/隔熱一體化概念，其基于航天飛機TPS技術，提出整體增韌抗氧化復合材料（TUFROC）方案，采用梯度處理涂層和抗氧化難熔碳瓦，具有耐溫高、耐久性好和輕質化的效果，同時通過提高結構系統(tǒng)使用溫度來降低熱防護系統(tǒng)的重量，提升了維修性，進一步減少了系統(tǒng)重量，體現(xiàn)出一體化的優(yōu)勢[64-69]。過渡試驗飛行器（IXV）的蓋板式熱防護結構相對于航天飛機已體現(xiàn)出易維護和一體化優(yōu)勢[70-72]，為了應對更高的溫度條件，歐洲航天局的IXV采用了陶瓷蓋板式TPS，通過特殊的應變支架實現(xiàn)變形協(xié)調和密封[73]，易于更換和維護。云霄塔（SKYLON）組合動力飛行器提出了一種“貯箱+立體網(wǎng)架+隔熱+防熱”的功能一體化結構設計理念，使得其結構系數(shù)達到0.164（理論值）[74-76]，其創(chuàng)新性地提出了復合材料空間立體網(wǎng)架結構以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機體結構，通過其貯箱和網(wǎng)架結構共同承載，充分挖掘了各結構件的潛能，并與防/隔熱結構實現(xiàn)功能性的一體化設計，進而在理論上達到了減重的顯著效果[77]。但云霄塔的這種網(wǎng)架結構由于在節(jié)點處與金屬接頭采用了黏結的連接方式，存在低溫力學性能不佳和疲勞強度不足的問題[76-77]，容易在網(wǎng)架結構復合材料桿件最外層出現(xiàn)纖維斷裂和分層失效，針對這些問題，新型的碳纖維桿件也在研究中，并已完成階段性試驗[78]，值得持續(xù)關注。此外，雙層夾芯防/隔熱承載一體化結構、輕質夾層多功能結構、輕質多層熱防護結構等也是當前國內(nèi)外研究的熱點[79-81]，該類型結構具有防/隔熱和承載的綜合性能。綜上所述，防/隔熱和承載一體化設計具有顯著的優(yōu)勢，是未來值得關注的發(fā)展方向。因此，防/隔熱和承載一體化結構設計概念是未來提升空天飛行器總體性能的關鍵，開展結構與熱防護系統(tǒng)的一體化設計研究具有重要的意義。

圖15 典型熱防護概念示意圖Fig.15 Typical TPS concept diagram

6 結束語

本文分別從以上5個方面闡述了飛行器新結構技術的一些發(fā)展趨勢，綜合來看，這些趨勢代表了飛行器結構未來發(fā)展的一些方向，但很多技術尚處于探索階段，到具體應用可能還有很長時間。另外，新結構技術僅是一個時間上的相對概念，而且新結構技術的出現(xiàn)并不能代替現(xiàn)有結構技術，但可以作為現(xiàn)有結構技術必要的補充?？梢酝茰y后續(xù)飛行器結構主要的發(fā)展趨勢包括如下幾個方面：（1） 從學科發(fā)展趨勢來看，飛行器結構設計已由專業(yè)獨立的學科不斷向交叉學科方向發(fā)展，更加智能化、多功能化，且逐漸會帶入更多的仿生和多學科特性；（2） 從結構承載特性來看，飛行器結構的發(fā)展經(jīng)歷了從一開始的柔性結構到輕質剛性結構（金屬、復合材料及混合結構），再到輕質—柔性混合結構方向的發(fā)展；（3） 變形/變體飛行器一直是國外研發(fā)的重點，國外在剛性變體飛行器已有大量應用，柔性變體飛行器也在持續(xù)研發(fā)，而我國在變形/變體飛行器上尚沒有成熟的型號應用，因此基于多任務模式的變形/變體飛行器應是我國后續(xù)發(fā)展的重點方向之一；（4） 防隔熱/承載一體化結構技術是航天飛行器結構未來發(fā)展的重要方向之一，隨著航天飛行器向可重復使用、多任務化、高效化等方向發(fā)展，這一技術也必將越來越受到重視。