3年後，飛機將用上彈性機翼？
除了可以有效地降低飛機雜訊和油耗，減少活動部件後的機翼看起來也更結實可靠了。
100年前，第一批航空業的先驅者發現了帶有襟翼的剛性飛機機翼可以有效地增加升力，從而將飛機送上天空，這是人類歷史上值得銘記的偉大進步，同時也開啟了交通運輸業的新時代。飛機和基於這個發現擴展出航空產業，是目前世界上最大規模的產業之一，整個航空運輸業每年的營收甚至超過7000億美金。
然而，在商業航空運輸的運營成本中，燃油費用佔據了整整四分之一，使這一行業利潤微薄。儘管營收金額巨大，但每年實際利潤卻只有390億美金左右。現代飛機的機翼和發動機技術已經非常成熟，要想在這兩個方面提高效能來節省開支，難度可想而知。
還好，我們有另一個辦法，在飛行的過程中改變機翼的形狀。幾十年來，航空公司、高等院校和國防軍事科技實驗室的工程師、科學家們都在研究可彎折的飛機機翼，他們的目標是製造出可以根據飛行環境的變化快速且精確地調整自身形狀的機翼，從而提高飛機的燃油效率。利用這些新型機翼，飛機設計師可以使他們的飛機在不同的飛行速度、飛行高度、大氣溫度和其他飛行條件下得到更高的升阻比，即提高飛機的氣動效率（aerodynamic efficiency）。
雖然這是當代的研究項目，但在歷史上也有類似的先例。1905年，Orville Wright（萊特兄弟中的弟弟）駕駛著他們兄弟倆發明的飛機飛上了天空，他操縱飛機的方式，是頭朝下俯卧於安裝在飛機機翼上的馬鞍上的，通過連接在臀部的搖架來牽動與機翼相連的纜線，使由織布和木質支架構成的機翼發生彎曲，從而改變飛行方向。不久之後，隨著飛機重量的增加，工程師們採用剛性的機翼替代織布製成的柔性機翼，利用襟翼和副翼來控制飛行方向，而是這種材料幾乎無法靈活變形。
在未來，可變形的機翼可以根據不同的飛行環境，調節飛機的升阻比（lift-to-drag ratio），同時，可控的柔性機翼表面將會在未來3年內進行現代商用化測試。
數十年之後，在二十世紀八十年代中期，美國空軍試驗了波音公司製造的安裝在F-111戰機上的多任務自適應機翼（Mission Adaptive Wing）。自動控制系統根據飛行環境和特定要求改變機翼表面薄膜材料的形狀，從而調節機翼的弧度，可以在超音速飛行中將空氣阻力降低20%。但是，這種技術增添的重量和能耗使得飛機的總能耗增加了。從1996年到2005年，美國空軍和NASA合作開發了一種主動氣動彈性機翼，它利用飛行過程中機翼周圍的氣流使得機翼自主發生彎曲，可以在高速飛行中更好地控制側滾。但是這種技術只是針對戰鬥機的，因此項目最終失去了各方的支持。
自此之後，柔性機翼的概念逐漸成熟。我們在最近的試驗中成功研製出了一種可變形機翼表面材料，利用這種技術，將灣流III噴氣式客機上帶有襟翼的機翼替換為可變形機翼，可以有效降低空氣阻力，使燃油效率提升12%。在飛行試驗中，可變形的機翼表面通過調節機翼後緣的弧度，實現最高的升阻比，而目前飛機機翼上的襟翼，只在起飛和降落時分別提高升力和阻力。除了可以節省燃油，NASA和其他研究人員的結果也顯示，這樣可變形的表面還能降低飛機降落過程中產生的雜訊，減少飛行過程中的顛簸。
NASA和美國空軍改裝翻新了這架帶有FlexFoil可變形機翼的灣流III噴氣式飛機，從2004年起，NASA位於加州Edwards的阿姆斯特朗飛行研究中心（Armstrong FlightResearch Center）對這種方案進行了22次飛行試驗。
飛機機翼後緣的可變形表面有助於提高燃油效率、降低雜訊並減少飛行中的顛簸。這樣的可變形表面可以完全替代傳統機翼上的襟翼，在全新設計製造的飛機上使用，當然，也能用於改造正在使用的商用飛機。
柔性機翼解決了固定剛性機翼不能解決的問題。飛機在面對不同的飛行狀況時，需要不同的升阻比。一般來說，飛行員的目標是儘可能地降低空氣阻力來節省燃油，但是，飛機的機翼形狀，包括相關的各種設計參數，只是在某一種特定飛行環境下能夠實現最小阻力，這往往取決於在設計中所預計的飛機重量、飛行速度和高度，以及航程。而襟翼和其他控制部件只能在相對有限的角度內進行調節，所能帶來的改善比較有限。
與傳統的機翼不同。表面可變形的機翼可以在更廣的範圍改變機翼的形狀，從而在更多的飛行環境中實現最低的空氣阻力，這在商用航空中從來沒有實現過的。針對這項技術的最新研究成果，我們將會通過改裝和翻新應用在目前正在使用的飛機的機翼後緣、與襟翼共同工作，或者是直接替代襟翼。如果一切順利，我們將在一架民航客機上試驗這一技術，時間就在三年以內。
最初激發我們想到柔性機翼的，是上世紀90年代初期的一次經歷，那是一個雨天，我剛好駕車外出，發現雨刮器的形狀並不與弧形的擋風玻璃相貼合。這讓我意識到即使是在設計一個雨刮器時，設計人員也只是採用了直線設計，或者是將一段段的直線連接起來，組成一個近似的曲線。
Gif圖片：JohnMacNeill； 照片：FlexSys
高效飛行：在起飛過程中，FlexFoil機翼可以彎曲高達40度的角度來實現最大的升阻比。而在巡航階段，這種機翼會逐漸地降低其弧度來節省燃料。當遇到湍流的時候，FlexFoil機翼可以迅速地彎折，改變形狀來重新分配飛機的負載重量。比如說，在某種情況下，飛行控制系統會自動地抬升機翼的一側同時拉低另一側。
於是我開始考慮有哪些東西可以通過改變形狀來提升效用。前不久，我剛好參與過一個關於飛機機翼設計的課題，我了解到，航空專業的設計師們通常預設飛機機翼不會形變。現在，如果這把這些機翼變成無縫銜接的可變形機翼，那將在多種飛行環境中提升燃油效率。
傳統機翼一般由相對固定的剛性整體結構和一些可移動的控制部件組成，比如說襟翼、副翼和擾流板等。襟翼，是位於機翼後緣的鑲板，通過改變其與機翼主體的角度，在起飛和降落這樣的低速情況下提供額外的升力。副翼，位於機翼末端的後緣，兩側機翼各有一個，將一側副翼抬升，將另一側副翼拉低，就可以控制飛機作橫滾轉向。擾流板，位於機翼上方，豎起擾流板可以提供額外的阻力從而加速飛機的下降。
儘管這些控制部件工作良好，但是它們只能旋轉不能改變形狀，而且在之前的機型中，襟翼通常是不存在的，因為它們與機翼之間的連接存在很多縫隙，這會增加阻力。雖然一些現代新型客機允許飛行員在巡航階段調整襟翼和副翼的角度來減小空氣阻力，但是在更高的溫度、高度和風速等條件下，飛行員依然無法利用傳統機翼上的這些控制部件使他們駕駛的飛機達到最高的氣動效率。這就像在騎車上山時設定了錯誤的檔位，雖然依然可以到達目的地，但是多花費了不少力氣。
一架能換擋的飛機，也就是可以根據不同飛行環境調整機翼表面形狀來達到最佳升阻比的飛機。為了理解這一點，首先要明白飛機的升力從何而來。標準的飛機機翼，其上表面的弧度要大於下表面，因此當氣流遇到機翼，更多的空氣傾向於從下方通過，從而產生了升力。彎曲的上表面將空氣引導至機翼下方，因此上表面的弧度越大，產生的升力越大，所以從某種意義上來說，增加機翼上表面的弧度可以提高飛機的升阻比。
不同飛機的重量、飛行高度、飛行速度都不同，對於每架飛機，都有一個最理想的機翼弧度來達到所需的升力，同時將阻力降至最低。但是大部分的氣動試驗和研究都只是在某種特定飛行條件下實現了最佳的效能，因此這些研究結果對於實際應用來說意義不大。
與帶有襟翼的剛性機翼不同，可變形的柔性機翼可以輕鬆地改變其形狀從而在飛行過程中降低阻力，實際上，與固定機翼相比，彈性機翼可以應對更多的飛行條件，可以更加精確地控制飛機的升阻比，滿足越來越豐富的飛行需求。如果彈性機翼部分可以和其他的剛性部分完美結合，那就不會因為多出來的連接增加阻力了。
能夠在飛行過程中改變自身形狀的機翼，使得設計人員可以根據飛機在不同的特定條件下所需的升力來優化可能遇到的空氣阻力。比如說，隨著飛機飛行距離的增加，消耗掉的燃油使得飛機總重量下降，因此飛機所需的升力就會逐漸降低。如今，飛行員通過改變飛機的攻角（attack angle），也就是飛機機翼與迎面而來的氣流之間的夾角，來應對飛機總重量的變化。而可變形的彈性機翼，則可以簡單地通過改變機翼後緣的表面形狀，在整個飛行過程中以最理想的機翼弧度實現最佳的效能。
為了將空氣阻力降到最低，FlexFoil機翼的後緣有網狀的連接結構，使得彈性機翼部分能夠進行大角度的彎折。
由於航空規則嚴格限制飛機的飛行速度和高度，飛機應該適應不同的飛行環境。例如，美國聯邦航空局（Federal Aviation Administration）規定向北和向東的航線的飛行高度均為奇數（比如31000英尺），而向南和向西的航線飛行高度則都是偶數。因此飛機在某一高度和速度下總是無法達到最佳的氣動效率，而彈性機翼就可以做到這一點，實現更高的效率。
除了降低阻力，可變形彈性機翼的另一大優點尤其會受到乘客們的歡迎和讚賞，它們可以抑制機身遇到湍流發生的顛簸。這可以簡單地通過調節機翼後緣的彎折角度來實現，改變機翼後緣的形狀，從而降低湍流導致的多餘負載，減小傳導至機身的晃動，這樣的調節機制可以利用一套精密的飛行控制系統來完成。
早在1994年，當我最初構想這種彈性機翼時，並沒有任何航空工程學的背景，也不知道在這之前已經有許多失敗的案例，後來才知道，那些失敗的設計方案往往都是集合了成百上千的部件和電機的複雜結構。
從一開始，我就堅定地認為設計出來的結構應該既有足夠的強度，又有足夠的彈性，沒有任何的連接部件，整個結構就是一塊完整的材料。加上一兩個電機的驅動，它就應該能完成在複雜多變的空氣動力學環境中高速飛行所需的一切功能。
那時，我還只是在閑暇時間研究這個項目，沒有任何額外的經費可以使用。在完成初步的設計方案後不久，我在一篇雜誌報道中得知美國軍方最近正在俄亥俄州Dayton的Wright-Patterson空軍基地研究可變形機翼。隨後我就前往基地向基地的研究團隊展示了自己的設計方案。1998年，Wright-Patterson空軍研究實驗室向我提供了10萬美金經費，資助我進行一項可變形機翼的可行性研究。當時我還不知道在接下來的18年內，美國政府將為這個技術概念投資超過5000萬研發資金，其中包括在風洞中和在實際飛行中的研究。最開始的時候，我將第一筆來自Wright-Patterson空軍基地的經費用在了設計和製造一個塑料機翼模型上，然後，又租用了密歇根大學的一個風洞做試驗。這個原始模型在風洞試驗中表現良好而穩定。在2001年，美國空軍又與我簽訂了另一份合同，投入更多的資金來設計製造一個更大的原型，從而在更高的速度下的進行試驗。
在很多試驗中，考慮到安全因素，我們在飛機的底部懸掛了127厘米長的鋁製FlexFoil彈性機翼，而不是直接將其粘附在機翼上。試驗時，我們可以遠程控制機翼的弧度和形狀，利用安裝在機翼上的壓力感測器和熱感測器實時監控機翼的狀態，從而得到飛機升力和阻力的數據。
2006年夏天，WhiteKnight飛機在Mojave沙漠進行了多輪試驗，我們發現，FlexFoil在氣壓、溫度等外部條件變化的情況下可以有效地降低空氣阻力，同時我們還發現，從起飛到飛行一直到降落的全過程中，FlexFoil都可以在給定升力的情況下減小阻力，而NASA的另一項研究表明，在給定阻力的情況下，利用FlexFoil可以將升力提升10%。
而最好的消息在於，測試數據顯示，如果將FlexFoil安裝在新型飛機的襟翼上，可以將燃油效率提升8%~12%，如果是對現有飛機進行改裝，將FlexFoil安裝在襟翼的後緣，也可以提高3%的效率。相比之下，最近在新型飛機應用的翼梢小翼（winglet），一對就需要至少100萬美金，對燃油效率的提升卻只有4~5%。
2009年，在這樣的研究成果的鼓舞下，Wright-Patterson基地的空軍實驗室和NASA請求我們改裝一架灣流III飛機。這一次，我們將直接在飛機機翼上安裝FlexFoil，而不是把它掛在機翼下方。
因此，我們製造了一個全新的機翼原型，用7米寬的FlexFoil替代了原有的襟翼，包裹在機翼後緣，這樣的方案和在新飛機上的安裝方案是類似的。
這個機翼原型是由常用的航空級別材料製成，比如說鋁合金、鋁複合材料等。我們使用自己團隊開發的工具和演算法進行設計，這使我們可以將彎曲和筆直的橫條結合起來，形成一個類似弓型的結構，當這個結構在飛行過程中遇到氣流衝擊時，就會像拉動弓弦壓迫弓臂彎曲一樣，使得彈性機翼產生變形。這樣的結構就是FlexFoil彈性機翼的內部框架，在機翼的某一點施加作用力，整個機翼表面就會發生形變，至於形變數，則依賴於施加作用力的強度和具體位置。最終製成的可控機翼表面結構重約110千克，和原有的襟翼和相應導軌的重量差不多。
在機翼的上下兩面，彈性膠形成的彈性機械結構將FlexFoil和機翼主體連接起來，不需要額外的連接部件，就可以使FlexFoil機翼變形之後依然能和機翼主體牢固地結合在一起。
NASA的聲學專家預測，這樣的無縫連接結構能夠使FlexFoil彈性機翼相比普通的機翼在著陸過程中降低40%左右的雜訊。最近，他們還會用具體驗證這個推測。機體雜訊（airframe noise），就是飛機在著陸過程中，空氣從機翼和襟翼的縫隙中飛速流過產生的巨大雜訊，在著陸過程中，音量超過了引擎產生的雜訊。
在傳統的帶襟翼機翼技術中，襟翼由一對液壓缸（hydraulic cylinder）驅動，為了簡化工程技術上的問題，我們的新型機翼也採用液壓缸進行控制。但是，如果我們的新型機翼得以商用，飛行控制系統只需要操縱安裝在左右機翼上的兩台電動馬達即可，如果要實現彎曲FlexFoil的功能，則一邊機翼就需要兩台電動馬達（一台在一側牽拉，另一台在另一側推斥）。這些馬達在傳統飛機的機翼中就有，所以這樣的設計方案不會需要很多額外的測試，而如果我們的設計方案需要引入新的能源和設備，情況就不會那麼簡單了。
在空軍方面邀請我們改裝灣流III飛機5年之後，我們的工作完成了，包括設計、改裝、地面測試和首次試飛前的準備工作。FlexFoil和裝著FlexFoil彈性機翼的飛機再一次接受NASA的檢驗，測試它在高風速、低氣溫和氣壓突變等情況下的表現。為了得到精確完整的數據，在FlexFoil機翼部分就安裝了多達112個應變片（strain gauge）、60個加速度計和不計其數的感測器，這些設備收集著機翼上4300個位置的飛行狀態相關的數據和信息。
2014年11月6日，我們的灣流III飛機在加州大沙漠進行了試飛，展示了世界上最先進的可變形彈性機翼。為了保證安全，我們並沒有在飛機上控制改變機翼形狀，而是在地面遠程控制FlexFoil。經過在NASA的阿姆斯特朗飛行研究中心進行的22次飛行試驗，我們的彈性機翼可以向上彎曲2度，向下彎曲的角度最大可達32度，換言之，這樣的安裝在機翼後緣的彈性機翼可以輕微地向上彎曲，而向下彎曲則可以起到與傳統的襟翼相同的作用。
我們的測試數據顯示，當FlexFoil彎曲至傳統襟翼所處的角度時，可以產生最大5000千克的升力。這樣的表現是飛機在20000至40000英尺高度，載有很大負重的條件下實現的。在一系列測試中，我們試驗所用的飛機受到最大1875千克的飛行動壓（dynamic pressure，單位面積機翼的升力），這一數據遠遠超過傳統的商用飛機。在任何方面，FlexFoil都是無懈可擊的。
基於測試數據，我們認為，FlexFoil可以在零下53攝氏度至82攝氏度的溫度範圍正常工作，使用壽命是商用飛機周期的5倍左右。這樣的結果表明，我們的FlexFoil彈性機翼實用、輕便且可靠，可以實際應用在現代商用飛機上，在多種飛行條件下展現出頂尖的性能。
目前，我們的首要任務是讓航空業的領導者了解可變形機翼的優勢，而這一點還有些困難，因為他們對於新技術總是持謹慎態度。去年11月，我們去了西雅圖的Aviation Partners公司的一家合資企業，他們的主要業務是製造和銷售客機上用於提升燃油效率的翼梢小翼。我們一起合作成立了一家名叫Aviation Partners FlexSys的公司來推廣FlexFoil。我們還計劃，在2020年將FlexFoil裝在商用飛機上進行測試。
航空業專家預測，下一代飛機將採用無縫隙設計，這項技術也可以應用於下一代飛機，把飛機機身和機翼集合成一個整體來製造。波音公司和NASA已經對此進行了一些試驗，包括混合翼飛機，如果把FlexFoil融合進去，在不久的將來，飛機就可以更加安靜高效。
在更遙遠一些的未來，我們的彈性可控機翼表面可以在固定翼飛機之外的領域發現更多的應用。任何在空氣中或在水中運動的部件，都可以利用彈性表面來改善性能。我和同事們已經開始研究在直升機的螺旋槳葉片的前端和後緣利用彈性材料來改變葉片表面形狀，從而改善螺旋槳的性能。先前的一些研究表明，這些可變形葉片每秒可以15次改變形狀，從而改善直升機的升阻比並且減小振動。其他的應用可能包括了潛水艇的相關部件，汽車以及風力渦輪機。
在商用航空業，研發和試驗一種新技術，往往要花費15年甚至更長的時間，但是如果可以像我所期望的那樣，飛機工程師們能夠以更加開放的心態接受彈性機翼的設計，整個行業做出技術調整的時間就可以大大縮短。
翻譯 | 劉卓
審稿 | 趙昌昊
作者簡介
Sridhar Kota是密歇根大學機械工程教授，FlexSys公司的CEO。
原文地址：
http://spectrum.ieee.org/aerospace/aviation/future-airplanes-will-fly-on-twistable-wings
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