變形機翼
變形機翼：如鳥翅膀一樣舞動
發明飛機的靈感源於人們對鳥兒飛行的認識，然而飛機的機翼卻無法像鳥的翅膀那樣自由地伸展和舞動，所以也就不能像鳥一樣適應各種飛行狀態。不過，隨著技術的發展，像鳥翅膀一樣的變形機翼將很快面世。美國防部預先研究計畫局於兩年前啟動的“變形飛機結構”項目已獲得里程碑式的進展，2種原型變形機翼將於今年年中進行風洞試驗。不久的將來，人們將看會到有一副像鳥翅膀一樣柔軟的“變形機翼”、具有自修復能力的飛機在空中翱翔。
變形機翼結構的概念演變
機翼是飛行器在飛行中可重新構型的主要部件。在飛行中有目的地改變機翼外形(如機翼後掠、改變翼展和彎度等)，可以有效地增加機翼的效率。其中，改變翼展和機翼面積的效果最為突出。比如，飛機在巡航時通常要求機翼具有高展弦比和大機翼面積，而要想高速飛行，就要求低展弦比和小機翼面積。變形機翼使機翼面積能夠在50％～150％之間變化，分別適應巡航和高速飛行時的需要。目前大多數飛機都採用縫翼和襟翼方式，通過機械裝置增大機翼面積或增加機翼彎度，為飛機提供更多的升力。但是這種機械運動的襟翼和縫翼笨重、複雜、效率低下，因此，有必要尋找一種無需機械動作就能讓機翼外形在飛行中發生有效改變的方法，使飛機在各種速度下都具有理想的性能。其實，變形機翼結構並非新概念，最早的變形機翼可追溯到1916年的一項專利——可改變幾何形狀的機翼。機翼變形結構經歷了從表面到實質的變化過程。
首先是“調整機翼形狀”。現有的一些飛機具備調整機翼形狀的能力，如美國的F－14“雄貓”戰鬥機、V－22“魚鷹”傾轉鏇翼機及F-117隱身戰鬥機等。這些飛機的機翼均為剛性結構，用大型樞軸裝置與機身連線。所謂“調整機翼形狀”，實際上就是將機翼的某一部分移動一定角度或位置，與真正的“變形機翼”概念不是一回事。
其次是“主動氣動彈性機翼”(AAW)。美國航空航天局和空軍研究實驗室正在驗證主動氣動彈性機翼。其開發的“機翼翹面”控制系統類似，是採用副翼和前緣襟翼等傳統控制面從氣動上誘導輕質“柔性機翼”發生扭曲，以改善高性能軍用噴氣飛機的機動能力。
上述兩種機翼的變化都不是實質性的變化。真正的變形機翼概念是將新型智慧型材料、作動器、激勵器、感測器無縫地綜合套用于飛行器的一種新的設計概念。變形機翼通過套用靈敏的感測器和作動器，光滑而持續地改變機翼的形狀，對不斷改變的飛行條件做出回響，從而使飛機能像鳥一樣隨意地在空中進行盤鏇、倒飛和側向滑行。也就是說，變形機翼可從根本上改善飛機的巡航和衝刺能力，以及飛行機動能力。
美國的“變形飛機結構”項目
2003年，美國防部預先研究計畫局(DARPA)正式啟動了“變形飛機結構”(MAS)項目。該項目通過在飛行中改變飛機的氣動外形，使飛機在執行不同任務、在不同飛行包線時都保持最佳的性能。長遠目標是研製出一種續航能F／A－22戰鬥機更好的飛機。
三種變形機翼概念
“變形飛機結構”項目首先集中研究機翼的變形技術，設計、製造和試驗能夠確保變形機翼在低速和跨聲速飛行中伸縮150％的部件及配件(例如作動器、連線件、子系統等)。該項目第一階段由三家主承包商承擔，分別從不同的角度，以不同的概念進行研究：
(1)洛克希德·馬丁公司的摺疊機翼概念。這種變形機翼概念是在不同飛行需求下變化機翼形狀。機翼既可以全部展開以利起飛或巡航，也可以全部收縮以利高速或機動飛行。為了測試變形機翼的氣動性能，洛·馬公司專門製造了一架小型無人驗證機。該機由一個推力20千克力的噴氣發動機驅動，機翼設計成摺疊式，內段機翼可以對著機身摺疊，機翼展開後有效面積增加2．8倍。該機未裝配形狀記憶蒙皮和熱聚合激勵器，而是採用壓電作動器摺疊機翼。從
某種意義上講，這種技術代表了後掠機翼的一種先進套用，但也將帶來不利影響——在內段翼倚著機身摺疊時，將會引起局部非定常流動現象。
(2)新一代航空技術公司提出的“滑動蒙皮”機翼概念。辦法是使機翼在飛行中逐漸變大，通過改變機翼的面積和平面外形來最佳化飛機性能。目前要解決的問題是，機翼“變大”後引起的剛度減小不應影響機翼結構的完整性。該公司使用的是自己開發、取得專利的微型結構技術，它在改變機翼外形的同時，能夠經受不同的應力。計畫用海軍的“火蜂”無人機機體作為驗證平台。DARPA認為這是三個契約商中最有創意的設計。
(3)雷聲公司的壓縮機翼概念。該公司計畫採用美軍的“戰斧”巡航飛彈作為試驗平台。這種設計的最大挑戰是，在這類武器的彈翼上承受的載荷很高，而巡航飛彈的彈翼又相對較薄，所以用來安裝使彈翼展開和收回的作動器的空間就很有限。
2004年5月，MAS項目進入歷時18個月的第二階段，任務是設計和製造原型變形機翼，於2005年年中在美國航空航天局蘭利研究中心的跨聲速風洞中進行試驗。如果試驗成功，DARPA將選定一家主承包商設計、建造和飛行試驗一個50％縮比尺寸的無人技術驗證機，稱之為MASX飛機。第二階段的契約總計1900萬美元，洛克希德·馬丁公司和新一代航空技術公司各占一半，雷聲公司未能獲得第二階段的契約項目。
關鍵材料：形狀記憶聚合物
變形機翼的蒙皮要用一種特殊的“形狀記憶聚合物”(SMP)材料製成。SMP具有特殊的記憶功能，採用SMP材料的機翼被改變形狀後會自動恢復初始形狀。SMP材料所“記憶”的初始形態，是一種高模量剛性體；當它受熱或者在高頻光、電激勵的作用下，會變成一種低模量彈性體，從而可以被作動器(或其他特殊裝置)伸展成其他形狀；當它再次被激勵後，將恢復到原來的高模量形態。
據“形狀記憶聚合物”的供應商“基石研究集團”(CRG)公司總工程師稱，儘管目前還沒有確定出變形機翼在需要更換之前到底可以經受多少次循環變形，但初步試驗表明，循環變形至少有數百次，執行一次任務平均變形10次，變形一次需要幾分鐘。
變形技術對未來的飛機設計將產生深遠的影響。對於大多數設計師來說，SMP的功能是“違反直覺的”，因此設計變形飛機首先要改變傳統的設計觀念，從採用具有不變特性的材料和固定式結構，轉為採用可變特性的材料和複合式結構。
關鍵部件：新型壓電作動器
為實現機翼等部件的變形，必須將激勵器、作動器、感測器、鎖件等機構，以及控制這些機構的電源無縫地綜合在一起。在“變形飛機結構”項目中，發展了一種新型的“緊湊式混合作動器”(CHAP)。這種壓電式作動器相對於傳統作動器來說體積非常小，因此有效功率很大，並使得變形機翼的重量很輕。賓夕法尼亞州立大學技術研究所也為洛·馬公司的變形摺疊機翼，研製出用於摺疊機翼和前緣襟翼的壓電作動器。
變形結構並非只套用于飛機，也可用於衛星等航天飛行器。目前美空軍、航空航天局和CRG公司正聯合開發一種將用在“軌道鏡”(orbital mirror)上的變形結構。在這一設計中，鏡子安裝在可變形的連線臂上的隔膜內，隔膜與連線臂能摺疊起來以便於發射；發射到軌道上後，隔膜與連線臂被激勵後展開成所需要的工作形狀，利用鏡子收集太陽能轉換成電能。
