波音公司设计出变形机翼飞机提高气动效率

　　自航空工业诞生以来，飞机设计师和工程师一直都在寻找像鸟和蝙蝠一样可以在飞行过程中平滑地改变翼型的设计方案。襟翼、缝翼或其他常规操纵面由于存在操纵面间隙而产生阻力，因此设计师期望机翼可以按照所需弧度无缝地改变翼型。然而经过多年尝试后，事实证明在飞行中按照期望改变翼型的能力是难以实现的。

在20世纪90年代，美国空军（USAF）和NASA共同出资开展先进战斗机技术集成/F-111任务自适应机翼（Mission Adaptive Wing，MAW）研究，该飞机取消了襟翼和缝隙设计。承包商波音公司设计了一型可变弧度的机翼，可以根据飞行条件和飞行员的输入调整翼型，最大限度地提高气动效率。机翼内置机械结构可以改变机翼蒙皮形状，在亚音速飞行状态保持大弧度翼剖面，在跨音速飞行状态保持超临界翼剖面，在超声速飞行状态采用对称翼剖面。

尽管MAW项目为未来机翼系统取得了关键的设计标准，可以在整个飞行包线内保持最高气动效率。由于飞机结构和作动系统过于沉重和复杂，MAW项目成果始终没有在飞行中得到验证。最新消息称，MAW项目中的技术成果和其他无缝机翼的研发成果将应用于7月开始进行的飞行测试工作。测试地点为加利福尼亚州NASA阿姆斯特朗飞行研究中心。测试采用柔性机翼（FlexFoil），即无缝、几何外形可变的后缘操纵面，代替标准开式连接的襟翼，该操纵面安装在湾流III商务喷气式客机上。

Flexsys设计的自适应柔性后缘（Adaptive Compliant Trailing Edge，ACTE）长度为14英尺（4.3米），这种设计既保证了翼梁的强度需求，又使机翼具有一定的柔性。创办Flexsys公司的总裁兼首席执行官、密歇根大学机械工程系教授Sridhar Kota解释说，ACTE采用一到两个作动器便可以使翼梁相对来流产生向上或向下的变形，按照需要改变机翼弧度。翼梁所选用的材料为标准航宇材料。

分布式柔性

FlexFoil ACTE系统得益于Kota称之为分布式柔性的设计成果，该设计是让结构长度上的每个单元都承受变形载荷，使机翼蒙皮一致受力弯曲，形成无缝的风切入几何结构。不同于以往沉重、复杂的样机，新型操纵面质量轻、可靠性高、成本效益显着，同时能够实时快速变形。两个2英尺（0.6米）折式过渡蒙皮无缝遮盖了弯曲翼梁末端和固定翼蒙皮之间的空间，不会产生附加阻力。

Kota称；“采用轻薄机翼设计可以减少12%的油耗，使燃油经济性提高4~5%”。在减少废气排放方面的效果与前两者类似。“此外，通过机改变翼型可以减少展向诱导阻力，还可以将应力载荷转移到强度更高的翼根。”

缝隙取消后，风噪声也相应显着减少。在降落时，常规襟翼的非连续蒙皮是40%飞机噪声产生的来源。弗吉尼亚州兰利研究中心环境负责航空项目的项目经理Fayette S. Collier表示，NASA正在积极开展减少机场附近噪声的工作。Fayette S. Collier说：“社区噪声是新建、扩建机场的最大障碍。这项新技术可以显着减少2~4分贝的噪声。”

有前途的创业公司 自从Kota在SBIR资助下于2001年成立公司以来，位于俄亥俄州的美国空军研究实验室（AFRL）就一直支持FlexFoil技术的开发，提供了约2000万美元的资金。

AFRL项目经理、一位有着30年飞行研究经验的资深专家Pete Flick表示：“90年代中期开展了大量关于变体飞机的研发工作，希望可以平滑地改变形状以适应飞行状态，并且节约燃料。”

Pete Flick解释说，其中一些方法在机翼蒙皮下布置多作动器机构，还有一些其他方法试图利用通电可变形的电活性材料。但这些方法只能做到高速率、小形变或低速率、大形变。

FlexFoil概念是采用简单的方式提供高速率、大形变，这就是外界认为柔性机翼是众多技术中最有前途的原因。柔性机翼是平滑、高效改变机翼弧度的方式。

据报道，ACTE能够以50°/s的响应速率从-9°偏转至+40°，可以满足实时阵风载荷减缓的需求。该设备的扭转变形可达1°/ft（0.3m）。此外，该新型结构的额定载荷超过10000磅（4536公斤），具有2.4倍过载的安全系数，并已通过疲劳、温度和耐化学性测试。

Kota表示，柔性后缘翼梁可以由标准的轻质材料（铝、钛、纤维增强的聚合物复合材料）制成。不需要任何特殊材料。

诸多潜在的好处

Flick表示，自适应柔性机翼可以提供需多潜在的好处，包括减少燃油消耗、简化设计、提供更好飞机操纵性能、针对变化的飞行状态和任务而进行的翼型实时优化、以及阵风载荷或机动载荷减缓。Flick解释说：“客机和运输机针对巡航飞行状态对机翼的几何形状进行了优化设计，优化约束是一些理论上折中的飞行条件，因此固定翼型在大多数时间上都不是最优的。采用了ACTE之后，可以根据在飞行包线中的所处位置无缝地改变翼型”

Flick说：“在大机动或强阵风的工况下，机翼承受非常大的载荷，因此很难避免产生较大形变。FlexFoil系统可以快速响应，通过产生微小形变来减轻气动载荷，在载荷建立起来之前就将其全部卸载掉，而不会产生严重的后果。”

Kota表示：“很多旧的客机正准备通过加装翼梢小翼来提高升力，同时减少阻力和燃油消耗。但该方式的缺点是增加了结构载荷，这就意味着需要加强机翼结构。

因此，航空公司往往会因成本过于高而无法接受这种升级方式。改型后的高升力襟翼系统，如加装FlexFoil子襟翼后缘机翼盒的福勒襟翼可以控制由小翼引起的载荷。

Kota说：”许多客机，如MD-80、737或A320，可以通过使用FlexFoil机翼盒简单替换20%的襟翼翼弦而获益。可变形后缘可以减少飞行中由新增小翼引起的机翼扭矩和机翼翼根弯矩。安装柔性机翼可以减少4%的油耗，这就意味着回收投资可能仅需要两年半的时间。因此使用这两项技术可以减少10%的油耗。

FlexFoil技术可以应用在不同的领域。如用在客机、军用运输机、加油机和高空飞行器（薄、高展弦比机翼）、直升机旋翼或其他飞行舵面的前缘和后缘。美国陆军已经在贝尔222A“喷气突击队员”直升机、风力发电涡轮机上对原型样机进行了测试。