4D打印技术在航空飞行器研制中的应用潜力

苏亚东, 王向明, 吴 斌, 王福雨, 汪嘉兴, 邢本东

（沈阳飞机设计研究所，沈阳 110035）

随着科技的进步和战争模式的演变，航空飞行器的性能和功能呈现跨越式发展。机体结构作为航空飞行器的基本承载载体，是实现飞机各项功能和战绩指标的基础，机体结构的成功与否直接决定了该型飞机的研制成败，但随着飞机功能需求的不断增加，对机体结构的性能要求越来越严苛，正在逐渐逼近结构设计极限，机体结构可实现性面临极大挑战。在传统的结构设计技术和制造技术无法满足要求情况下，对新概念结构和先进制造技术提出了迫切需求。近年来，考虑时间和空间维度的4D打印技术逐渐成为研究热点[1-5]，在装备研制领域表现出巨大应用潜力。4D打印的技术特征与航空飞行器多功能融合需求高度契合，可能成为未来飞行器研制不可或缺的重要制造技术，具有重大革命性意义。本文结合战斗机的发展趋势及机体结构的需求，探讨了4D打印的定义、材料、工艺及装备特点，分析了4D打印在航空飞行器上的应用潜力，并探讨了发展4D打印的关键与措施。

1 战斗机的发展趋势及对结构的需求

从1942年在德国赖普海姆机场试飞成功世界上第一架喷气式飞机开始，喷气式战斗机进入了快速发展阶段[6]。随着战场环境复杂性的不断加强，对飞机性能要求也在不断提高。历经大半个世纪的发展，目前歼击机应用已经经历三代，进入第四代研制阶段（美国、俄罗斯等称为第五代）。第一代战斗机以喷气式的高亚音速为主，强调结构的承载特性；第二代战斗机以超音速为标志，对结构的轻质高强提出了较高要求；第三代战斗机追求高机动性，对结构的轻质高效和飞机良好的操控性能需求迫切；第四代战斗机以隐身、超音速巡航、超机动性和先进传感器四项核心指标为典型特征，不仅要求飞机的结构平台具有优良的力学特性，对其功能特性也有一定的要求。进入21世纪后，战斗机的类别也得到持续拓展，各类无人机和高超音速飞行器开始进入工程应用阶段，对战斗机的性能和功能需求更加迫切，表现出明显的隐身化、信息化、智能化、高能化、无人化特点。

隐身化是先进战机的核心能力[7]，在复杂威胁的信息化战场环境下，飞行器的隐身性能对于其生存性和完成任务的能力具有很大影响。隐身性能可以显著提高作战平台的突防能力、生存能力和作战效能，可大幅提高生存概率。多频谱、宽频带、全方位是飞机隐身发展追求的目标。信息化是实现体系互联互通、全方位态势感知和信息综合处理的必要手段，主要用于作战时观察和定位；在电子攻击、电子防护和电子支援方面发挥着重要作用，是决定现代战争胜负的关键。智能化是信息化的发展和延伸，是将人工智能技术融入装备系统的各个作战环节，尤其是决策环节，使信息化装备向目标自主识别、自主决策和攻击等应用领域延伸。高能化以高速飞行为典型代表，高超音速飞行器的结构设计理念与构型特征较传统飞机有着明显区别，其构型复杂度和性能/功能的融合度前所未有，对设计和制造技术均提出了前所未有的挑战。无人化摆脱了人的生理或人为因素限制，无人机在隐身、速度、高度、续航和机动性等诸多方面都可以有很大突破，全寿命周期成本较有人机更低。无人机以其特有的优势和潜在的应用价值，成为各国发展的重点方向。

先进战机的上述特征对飞机结构平台提出了新的要求，往往需要同一构件兼具多项功能，这给结构的物理实现带来严峻挑战。传统飞机结构关注其力学性能，面向新概念结构，从材料体系、设计手段、制造工艺等方面均面临着诸多困难，多功能结构一体化是解决上述矛盾的重要技术途径。航空结构功能一体化主要指以结构平台为依托，以新材料/新工艺/新结构为手段，以功能融合为目标的多功能结构综合技术体系。多功能结构虽然是解决构件多物理场服役的重要技术途径，但其往往构型复杂，制造实现面临重大困难。4D打印在时间维度调节的优势有可能成为解决这一问题的关键，具有重大应用潜力。

2 4D打印的定义、材料体系、工艺装备及结构特征

2.1 4D 打印的定义

4D打印的概念是在2013年美国Technologyentertainment-design（TED）大会上，由麻省理工学院计算机系科学家Tibbits提出的[8]。4D打印技术是最近几年开始出现的新兴技术，是在3D打印基础上发展起来的增材制造技术。对4D打印的定义也存在诸多争论，这其中主要观点有三种。

（1）基于智能材料的增材制造技术

这一类观点认为，专用原材料的选择是定义4D打印技术的标准。必须采用智能材料作为原材料，且利用增材制造技术完成制造工艺过程才可称之为4D打印。也就是“4D打印 = 增材制造 + 智能材料”。其核心在于制造工艺是增材制造，原材料为智能材料。所用到的材料主要包括形状记忆合金、形状记忆聚合物、形状记忆陶瓷等。

（2）引入其他要素的增材制造技术（3D+）

这一类观点认为，用什么材料不是重点，重点在于超过现有3D打印之外的其他要素的引入，只要有新的要素增加即为4D打印。它可以是“3D打印 + 特殊材料”，也可以是“3D打印 + 其他工艺”，还可以是“3D打印 + 特殊性能”。坚持这类观点的学者们认为，引入新的要素是4D打印的核心所在。

（3）打印的构件具有时间、空间、性能或功能变化的增材制造技术

这一类观点认为，特殊的原材料不是重点，引入其他要素也不是重点，重点在于产品属性的“变化”。也就是说，利用增材制造实现的产品在时间或空间维度下具有形状、性能或功能的改变能力，这一类的制造技术可称为4D打印技术。4D打印属于可编程材料实现自我构建以及重组装的新型制造技术[8]，这种改变（编程）可以是主动的（不需外界给予能量的自发改变），也可以是被动的（需要外界能量刺激的改变）。需要说明的是，这种改变应该是结构的主要性能/功能变化，而非次要扰动因素的变化（例如，增材制造承载构件在受载下的变形）。

2.2 4D 打印的主干材料

4D打印的定义尚未清晰，对于其材料体系的认知也在逐步深入中，但无论4D打印的定义如何，与传统材料结合使用及对现有材料的改性两个特征是明显的，这也是4D打印技术的关键与基础。最近几年，学者们尝试应用各种不同材料来研究4D打印的性能，取得了丰富的研究成果。西安交通大学陈花玲等[9]对近年文献报道的4D打印材料的工艺及驱动性能进行了比较分析。表1归纳了航空用4D打印典型智能材料。在研究方向上，大量学者将研究重点聚焦于4D打印材料微观形貌特征[5,10]、相变行为[11]、力学性能[4]等。在工程化应用上4D打印材料变形过程中的力学行为、材料性能指标的协调与匹配、专用原材料的形态与稳定性、专用原材料的4D打印工艺可用性等是制约4D打印材料工程化应用的关键。

2.3 4D 打印的工艺与装备

目前3D打印技术已经形成体系，工艺方法主要有激光同步送粉成形（laser melting deposition ，LMD）送粉、电子束熔丝成形（electron beam direct manufacturing，EBDM）激光铺粉、激光选区熔化成形（selective laser melting，SLM）电子束铺粉、电子束选区熔化成形（electron beam melting，EBM）、光固化成形（stereo lithography appearance，SLA）、粉末烧结成形（selective laser sintering，SLS）等[12]（图2），对制件的控形控性研究也比较深入，目前多种3D打印工艺制件且已进入工程化应用阶段[13-14]。总体来看，3D打印的工艺与装备向着大型整体结构和复杂精细结构两个维度发展。4D打印构件的多数应用环境是基于性能、面向功能，所以更多偏向复杂精细这个维度。这要求4D打印的工艺精度和表面精度更高，几何偏差更小，也要求其制造效率提升。目前利用增材制造工艺制备的形状记忆材料，其应变恢复率明显低于传统的棒材、丝材及板材[15]，这需要从工艺上着手，开发性能衰减小的新型工艺方法及后处理方法，以保证4D打印材料的性能。除此之外，制件性能均匀性与稳定性、表面质量及内部缺陷水平、变形能力与响应速率、变形寿命、规格尺寸等是也制约4D打印制件工程化应用的关键，而目前这些方面的研究鲜见报道。

2.4 4D 打印的结构特征

“变化”是4D打印结构的重要特征，这种变化一方面来自于材料本身的变形特性，另一方面需要通过复杂的结构构型来实现。相较传统结构，4D打印结构的构型更加复杂。除此之外，“拓扑结构”、“点阵结构”、“多材料复合”是4D打印结构特征的主要关键词。

拓扑优化因其不依赖初始构型及工程师经验，可获得完全意想不到的创新构型，受到学者以及工程人员的广泛关注。通俗地讲，拓扑优化就是利用优化的手段，寻找结构内部哪里需要布置材料，布置何种材料，在保证一定约束下获取最优的性能[16]。增材制造与拓扑优化的结合，使得复杂拓扑结构的可制造性得到进一步加强。4D打印结构实质上多数是一种考虑时间维度的多功能结构，拓扑结构是实现多场耦合服役环境下结构性能与功能的有效手段，大连理工大学刘书田[17-18]和西北工业大学张卫红[19-20]课题组在这些方面开展了大量工作。目前，由于多物理场问题分析求解困难，现有设计大多集中在只考虑2～3个独立的物理场[16]（图3）。考虑多物理场耦合、多目标的拓扑优化设计方法仍处在研究初期，随着4D打印技术的发展，基于智能仿生结构、考虑时间维度的拓扑优化技术将逐渐成为航空航天领域关注的重点。

点阵结构是对某一单胞结构进行周期性或非周期性排列的新型结构构型[21-23]（图4），点阵结构的组成要素是由结点和连接结点的杆单元组成的，每个结点连接的杆单元数目决定了点阵结构的力学性能[24-25]。点阵结构在力学、热学、声学等领域均具有独特的优异性能，是优良的多功能化设计载体，可以有效融合防热、隐身、变体、减振等功能[19,26]。将点阵要素融入4D打印技术中（图5），可能缓解4D打印时间维带来的功能融合困难，实现多功能与时间的良好协调[27]。

梯度复合化结构是指由不同材料组成的同一构件[28]（图6）。均质材料的变形效率大多比较单一，无法实现构件服役对结构性能的要求，采用多材料复合实现构件材料的按需分配是解决这一矛盾的重要途径，4D打印具有3D打印的工艺优势，可以实现异种材料梯度结构的制造，可以更好发挥异种材料梯度结构的性能优势。

3 4D打印在航空领域的典型应用

3.1 智能变体飞行器

变体飞机具有外形可变特征，可有效提高飞机的机动性、提升燃油效率，增加飞机航程，是飞行器重大前瞻性技术方向。固定翼飞机及各种飞行器的气动布局和翼型是针对特定的高度、马赫数和重量设计的，在非设计点处的气动性能达不到最佳。变体飞机通过智能化的结构对不断改变的飞行条件做出响应，光滑而持续地改变气动构型，优化其飞行性能，使飞机始终保持最佳的性能和执行多种形式的作战任务。因此，变体技术是未来飞行器的核心技术之一。变体飞机的主要优势包括：（1）缩短飞机起降距离；（2）增加航程和作战半径，延长在任务区的滞空时间；（3）跨音速加速性好，提高突防攻击性能和作战生存力；（4）低空或高速飞行稳定性好，降低飞行员负担，提高突防和攻击效率。

变体飞机结构主要有两大类，第一大类是机械变体结构，这一类结构是通过机构和液压驱动实现变体。F111，B1，F-14等飞机均验证过机械变体结构，这一类变体结构有比较明显的使用局限，主要包括：（1）结构重量大，变形部位超重达30%以上；（2）机构复杂，可靠性低；（3）通过液压驱动实现变体，对飞机的能源提取严重。正因为如此，机械变体技术严重影响了飞机的航程、寿命及战技指标，因此未在飞机上广泛应用，目前该技术方向基本被抛弃。第二大类是基于形状记忆材料的智能变体结构，这一类变体结构的变形机制是利用形状记忆材料自身的变形特性，简化机械变体结构臃肿的配套体系，通过光、电、力、热、声等手段刺激材料，使其发生结构变形，实现机体结构的按需变化。

在智能变体结构研究中，比较典型的实例是2003年美国国防部预先研究计划局（DARPA）正式启动的“变形飞机结构”项目，这标志着现代飞机智能变体概念正式进入了以应用智能材料结构为目标的大变形发展阶段。该项目主要研究对象为洛克希德 • 马丁公司的折叠机翼变体飞机方案。该方案主要是使机翼可绕数个与机体纵向平行的轴进行折叠，内外翼段能够大范围变化上反角与下反角。在完全折叠状态，内翼段与侧机身贴合在一起，仅以外翼段暴露在机身外构成小展弦比布局；在机翼展开状态，内翼段与外翼段处于同一平面，构成大展弦比布局。2014年，美国NASA阿姆斯特朗飞行研究中心、美国空军研究中心以及Flexsys公司联合开发的名为FlexFoil的自适应柔性后缘完成了在NASA“湾流”Ⅲ公务机上的改装与飞行试验，实现了3%～12%的燃油效率提升和40%的降噪效率（图7）。

尽管变体飞机的研究已近半个世纪，但是到目前为止尚未见技术成熟度较高且具有较大工程应用价值的技术出现，究其原因主要有三个方面：（1）支撑变体结构的材料技术成熟度较低，无法满足使用要求；（2）传统制造技术对结构构型复杂度的适应性非常有限，大部分复杂结构无法实现制造；（3）受制于传统制造技术的固有观念约束，设计师的设计理念固化，难以见到创新的结构构型出现。因此变体技术的成熟度一直无法得到提升，成为制约其工程化应用的重大技术壁垒，迫切需要另辟蹊径，突破固有理念的限制，协同运用材料、制造及构型设计等技术进行颠覆性创新。

制约变体飞机结构工程化应用的关键技术主要包括三个方面：自适应柔性蒙皮、连续可变主动变形骨架结构、蒙皮与骨架协调匹配与驱动控制。自适应柔性蒙皮是为了适应飞机在服役环境中实现外形变化的需求，需要蒙皮具有：（1）法向可承受启动载荷，变形过程中具有一定刚度；（2）蒙皮展向具有较高的抗拉强度；（3）蒙皮材料具有较好的耐磨损和抗化学腐蚀等环境适应性；（4）高应变容差能力及高的应变恢复速率；（5）较强的抗疲劳损伤特性等特点。这些功能融合在同一结构上是一项极其困难的事情。目前在自适应柔性蒙皮领域的研究主要有鱼鳞片结构（图8）[29]、负泊松比结构（图9）[29]等，这些柔性蒙皮的共同特点是采用离散思维，通过复杂结构实现各项性能的耦合。这些结构的构型复杂程度较高，很多高效率结构使用传统制造技术基本上无法实现制造，这正是4D打印发挥潜力的领域。除此之外，这些结构的设计仍然是在考虑传统制造工艺实现下的结构构型，尚未完全发挥结构设计的优势，如果采用4D打印技术拓宽结构设计域，将有可能出现许多更加高效率的新概念结构。

3.2 新型热防护结构

高超声速飞行器具有作战响应快、战场生存力强、察打效能高、慑战一体等能力，是快速侦察和精确打击的重要武器装备，各国都在竞相开展高超声速飞行器的研制工作。为了满足现代战场环境的需求，高超声速飞行器将逐步朝着水平起降、重复使用和快速响应特征方向发展，这三个特征会带来飞机服役环境的急剧恶化。水平起降功能要求飞机动力加强、结构更加抗震和抗冲击、轻质起落架技术需求迫切；重复使用要求结构具有更好的疲劳强度和耐环境性能；快速响应对飞机的抗服役损伤和快速维护要求严苛。这些服役需求对热防护结构的实现提出了严峻挑战。国内外工程化应用的热防护结构大多具有大热流、单次或数次使用特征，尚未见针对航空服役环境、考虑寿命与环境适应性的重复使用热防护结构出现。面对重复使用要求和复杂环境服役，现有的热防护体系还面临诸多问题，主要包括：（1）现有热防护结构多采用陶瓷类材料，其力学性能、寿命、抗冲击特性和耐环境特性都较差（图10），无法适应具有重复使用、水平起降、快速响应三个典型航空特征的服役环境需求；（2）陶瓷盖板式、陶瓷瓦式、金属蜂窝式等热防护结构多以高温和大热流密度为主，主要关注于热冲击及短时大剂量防热。而航空服役环境下，热防护结构以中低温及热流密度为主，其服役损伤应多考虑持续发热带来的热疏导需求、结构高温力学性能及高温蠕变产生的结构失效等。基于这些特点，航空服役用热防护结构应具备良好的环境适应性、长寿命服役、大热沉等性能，这些综合需求对热防护结构设计形成严峻挑战，成为制约该类热防护结构研制的关键技术瓶颈。

利用4D打印技术从全新的技术视角研制精巧的热防护结构，实现结构随服役环境需求的自适应变化，可以有效解决现有热防护结构在环境适应性、防热效率、寿命特性等方面的矛盾，根据服役的实时需求改变热防护结构的内部特征，通过时间维度化解热防护结构多约束应用的难题，可能给热防护技术领域带来颠覆性应用效果。

3.3 新一代隐身技术

隐身技术是新型战机的核心技术之一。从20世纪70年代至今，隐身技术经历了几十年的发展，形成了多种隐身手段，部分已经在工程应用中取得较大实际价值[30-31]。目前主要的隐身方式包括外形隐身、材料隐身、等离子体隐身等。外形隐身技术是通过合理的外形设计，达到降低雷达散射截面（RCS）的目的，从而实现对雷达探测器的隐身（图11）。外形隐身技术的隐身效果明显，但需要牺牲一定的气动效率；材料隐身技术是在飞行器表面涂覆一层吸波材料，利用吸波材料特殊的电磁特性，将入射的电磁波能量转化为其他能量耗散掉，达到隐身目的[32]。材料隐身是隐身技术的重要组成部分，但低频效果有限；等离子隐身技术是通过围绕在飞行器表面的等离子体气氛，实现对入射电磁波的吸收，从而达到隐身目的的隐身技术，该技术隐身效果好，吸波频带宽，但等离子技术机载装备超重，对全机重量控制影响严重。这些隐身技术各有特点，在工程应用中发挥了巨大价值，但其短板需要采用新兴的隐身技术予以弥补，智能隐身技术便是其中重要的技术途径之一。

智能隐身技术是最近发展起来的新型隐身技术，它具有感知和信息处理能力，可通过自我指令对环境做出最佳响应，以达到降低信号特性，与背景匹配、融合的目的。它模仿“变色龙”具有自动适应环境变化的特点。可以有效弥补上述隐身技术的不足，能显著降低军事目标被探测、发现、识别及攻击的概率，提高装备的战场生存能力和作战效能，军事意义重大。然而，智能隐身技术的隐身单元精密程度较高，物理实现困难。4D打印独特的时间相关性与智能隐身技术结合，可使隐身结构根据外界环境变化调节自身的结构和性能，并对环境做出最佳响应，为智能隐身结构物理实现提供了一种全新的思路，它将有力地推进智能隐身技术的工程化应用。

4 结束语

4D打印的技术特点决定了其在航空航天、生物医疗、汽车船舶、精密机械等领域将产生重大影响。随着国家对先进制造技术的推进和支持力度的加大，4D打印技术将迎来飞速发展期。与3D打印相似，4D打印是一项高度设计/制造一体化技术，技术体系的发展需要结构设计、专用材料、制造工艺、打印设备、应用验证等多个环节的协同推进，任何一环存在短板都将严重影响4D打印技术的进步。

4D打印技术在功能驱动方面具有显著优势，所以4D打印的应用应更加关注精细化、微/细观及功能优先。构型与时间及空间的强相关性是4D打印的最显著特征，这实质上是要求4D打印制件在“变化”过程中其性能/功能具有良好保持率，所以4D打印材料全服役周期的性能/功能表现可能会成为制约其工程化应用的关键技术壁垒，这方面应格外关注。

除此之外，与3D打印相比，4D打印有更明显的多学科融合特质，建议加强与其他学科的交叉与融合，促进其良性发展。

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