变形飞机开创飞行新纪元

黄步红

若干年之后，我们的飞机将可以像鸟儿一样，“拍动”着翅膀飞行

世界上最早的飞机其实是有着一对能活动的“翅膀”的。早在1903年12月17日，威尔伯·莱特和奥维尔·莱特兄弟作为人类第一次乘着他们制造的动力飞机飞上了天空。他们的飞机以密度小的木料、布、以及金属丝作为原材料，靠滑轮带动，利用翼尖产生滚转力矩而保持平衡。飞机在12秒内飞了36公尺远，然后跌跌撞撞落到沙地上。

一些飞行历史学家说，正是这种仿造鸟类翅膀的机翼保证了莱特兄弟能够驾驶如此笨重的飞机飞上天空，而这之前，人类史上虽然有着许多次的飞行试验，却都以失败而告终。

飞行理念百年回眸

莱特兄弟的独到之处在于发明了一套可以让飞机在进行飞行调整时不至于失控的系统。他们的飞机上安装了一套由飞行员控制、带钢缆的拉杆系统，这一系统可以改变机翼的形状。莱特兄弟所造飞机的机翼弹性很大，正因为如此，机翼才可以发生弯曲变形，从而控制飞机在3个轴向上的运动。

虽然莱特兄弟的设计理念一开始就获得了成功，可是这种技术很快就随着航天器的发展而销声匿迹。由于能够经受住飞行加速度带来的受力和机身的体重，固定机翼成为飞机的标准设计模式。为了加强飞机的平衡性，设计师设计了机翼后部边缘处活动的小侧板那样的副翼。在这些小侧板的操作下，气流发生改变，飞机得以在可控平衡下上升、翻转、或是倾斜。

人们将12月17日尊为飞航里程碑的纪念日。一个世纪后的今天，飞行学家开始重新关注莱特兄弟的设计理念：给飞机加上一对可以“拍动”的翅膀。

科学家和工程师们已经研制出机身外表可以像肌肉一样伸缩的飞机模型。变形的机身将大大增强飞机的可控制性和其他多种性能——随着航空路线的日益复杂，机翼将要求能够弯曲、折叠，飞机要求能够根据具体的情况采用具体的外形来完成任务。

打破传统模式

在最近一项由美国国防高级研究计划局(DARPA)、空军研究实验室(AFRL)和航空航天局(NASA)共同参加的项目中，工程师们设计了一种类似刺状的结构，将其像蛇一样分布在机翼的后缘。研究人员在这个称作“智能机翼”的项目中，使用了重量很轻的铝作为“刺”嵌入这种结构。每一个“刺”都能够单独地倾斜或是延伸，并且由此作用于传动结构。

在风洞测试中，这种特殊结构的机翼模型能够产生70多种变化。此外，相对于传统的副翼，在发生相同变化的前提下，这种可变形的机翼后缘能够产生更大的滚转力矩(相对于机身)。这种机翼将来很有希望运用到高速、高性能的喷气式战斗机中。

在DARPA近来一个已经完成的基础研究中，项目组证明了经过设计改装后的F-15鹰式战斗机的飞行路程能够提高20%。

新型的变形思路力求根据简单的机械原理实现多方面的变形要求。实现这一步，得依赖现在各种高科技材料的发展。例如，一些材料能够拉伸或者弯曲，在重新加热之后又恢复原形；此外，有一些新型液体在磁场中或者加入磁物质后会变浓；在电或光作用下会膨胀或是收缩。这就是所谓的“智能材料”。

除了研究“智能材料”，仿生学也是“变形计划”的一个研究内容，例如，骨头很轻很结实，因为它有空心的结构。科学家正在研究仿造骨骼的材料，如果能够获得这些结构，加入到类似神经系统的传感系统和具有弹性的传动系统，就能够得到一个非常结实、非常轻便、能够实现传感和自动反馈的系统。

变形的作用

2002年春天，来自AFRL和波音幻影工作室的研究者——目前最先进的军事飞机研究力量——初步测试了“活动机翼”在不同飞行条件下的机翼参数。投入实验的是经过改良的F/A-18A超音速战斗机。这种喷气式飞机的机翼相对于其在20世纪80年代设计的样子，变得异常瘦削，并且扭曲得很厉害，同时这种飞机的排放物是无污染的。

这些“活动机翼”有各种明显的优点：由于它的弹性和瘦削的外表，相对于传统机翼，在设计上能够减轻机身15%的重量。更重要的是，完全使用活动机翼能够比传统的折翼产生更大的滚转力矩。“我们认为经过改进的F/A-18，比原来的F/A-18战斗机拥有更好的性能，尤其在高速条件下。”AFRL项目组的组长彼特M·弗利克说道。

从长远来看，这种外形上的变化能够使飞机达到更高的速度，并且拥有高燃油效率、高飞行质量、高安全性能，以及更好的可操作性、更快的着陆速度、适应各种条件的起飞场(例如短跑道起飞场)。

翻开航空史的新篇章

更多的变形研究才刚刚开始。工程师们最近已经计划出一种飞机，它拥有一对柔软的“翅膀”；另一个项目正在研究一种变形机翼，它类似蝙蝠翅膀，具有很好的伸缩性。

在DARPA一年前制定、被称作的“飞机变形结构”的项目中提到，2005年前，他们将研究出能够在长度或者面积上变化50%的飞机。这是一个巨大的改变：相比较之下，传统的飞机最多只能改变外形的5%。

当然，每一个改变都会遇到挑战。当飞机在飞行中折叠翅膀的时候，重心位置会发生巨大的改变，而这些变化能够使飞机产生自旋或者其它不可控变化。工程师利用计算机模拟了机翼变化时会发生的变化,以及应该如何调整和控制飞机的稳定性。

随着“变形规划”的研究深入，NASA于2001年出台了一个称为21世纪新航空飞行器的“变形”飞机计划。这种飞机能够像鸟儿一样，所有的外表面都能敏感地感受外界的气压条件变化。对这些变化的反应能够直接传导给操纵系统，然后，飞机就能够像鸟儿的肌肉一样改变成最适合的形状适应环境。预计2030年，这种想法能成为现实。

虽然莱特兄弟在100年前就已经使用了变形飞机，但现代变形飞机在工程上的探索却直到几年前才开始。在工程师们的努力和探索下，航空史将会进入一个崭新的阶段。