NASA摺疊機翼成功進行縮比飛行試驗

據NASA網站2018年1月19日報道,NASA採用形狀記憶合金驅動的摺疊機翼技術在原型技術評估研究飛機（PTERA）上成功完成飛行試驗，飛機能在空中將機翼摺疊到0-70度的不同角度。

圖1外翼段向上摺疊70度的縮比試驗機PTERA飛過加利福尼亞州的NASA阿姆斯特朗飛行研究中心。起飛時機翼零度偏轉，保持水平。飛行過程中，機翼在熱觸發形狀記憶合金作用下產生摺疊，該形狀記憶合金由格倫研究中心開發，集成到波音研究與技術公司的驅動器中。這項技術使得飛行員能夠將機翼摺疊到不同的角度，以適應多種飛行狀況，獲得更好的氣動效益。圖片來源：Area-I Inc.

作為「展向自適應機翼」（SAW）項目的一部分，最近在加利福尼亞州的NASA阿姆斯特朗飛行研究中心舉行了一系列飛行活動。該項目旨在驗證使用尖端輕質材料實現飛行過程中機翼的外翼段和操縱面能夠摺疊到最佳角度。SAW屬於「收斂航空解決方案（CAS）」計劃的一部分，由NASA航空研究任務分部資助。

SAW是NASA阿姆斯特朗飛行試驗中心、克利夫蘭格倫研究中心、弗吉尼亞州蘭利研究中心、聖路易斯和西雅圖的波音研究與技術公司以及喬治亞州肯尼索的Area-I公司的合作項目，該項目的研究工作可能會為未來的亞音速和超音速飛機帶來多種飛行效益。

飛行中摺疊機翼的創意過去曾經被研究過，包括20世紀60年代的北美XB-70瓦爾基里高空高速戰略轟炸機。然而，由於依賴於笨重的常規電機和液壓系統，摺疊機翼技術的工程應用一直面臨諸多問題。

SAW項目旨在通過使用新型輕質形狀記憶合金實現飛行中機翼摺疊，大幅提高氣動效率。這種材料被用於驅動器中，從而在飛機結構的運動部件上發揮重要作用。在形狀記憶合金的驅動下，機翼的外翼段能夠在飛行中不依靠重型液壓系統產生摺疊。採用這種新技術的驅動系統比傳統液壓驅動系統重量減少高達80％。最近在阿姆斯特朗進行的一系列飛行試驗，實現了飛行過程中機翼在0-70度之間的上下摺疊，成功地演示了該形狀記憶合金的應用。

SAW聯合團隊首席研究員Othmane Benafan表示：「過去我們曾希望看到這樣的結果：1、飛行中機翼可以移動；2、我們可以控制機翼變形到任何位置，從而獲得氣動效益；3、可以使用形狀記憶合金技術達到這種預期的變形效果。摺疊機翼在過去就已經實現，但是我們想要證明使用形狀記憶合金技術實現機翼摺疊的可行性，因為這項技術使結構更緊湊，重量更輕，並且可以被安裝在飛機上任何合適的位置。

在商業客機等亞音速飛機上，摺疊機翼的潛在氣動收益包括提高飛機可控性，這將降低飛機對尾舵等較重結構的依賴性，從而提高飛機燃油效率，以及未來長翼展飛機在機場的滑跑能力。此外，飛行員可以通過摺疊機翼來使飛機適應飛行中遇到的任何特殊情況，例如陣風等。

圖2「展向自適應機翼概念」旨在通過機翼的外翼段根據不同的飛行條件自適應摺疊，從而提高飛機性能。NASA的工程師認為這會提高飛機橫向穩定性並減少阻力。圖片來源：NASA

然而，飛行中摺疊機翼的最重要潛在效益體現在超聲速飛機中。SAW首席研究員Matt Moholt說：「在超聲速飛行中將翼尖向下摺疊具有很多好處，如減少阻力，這會提高超聲速飛行的效率，經過此次嘗試，我們或許能夠將機翼摺疊技術應用到下一代的超聲速飛機中，當飛機從亞聲速過渡到超聲速的過程中，摺疊機翼不僅可以減少阻力，還能提高飛機性能，是形狀記憶合金使這一切變得可能。」

該形狀記憶合金由溫度觸發，通過其熱記憶功能在管狀物中產生變形從而起到致動器的作用。在被加熱時，合金將在管中產生扭轉運動，這最終導致了機翼的外部的上下移動。研發出原始合金材料的NASA格倫研究中心與波音公司密切合作，以便能夠將形狀記憶合金用於機翼變形驅動器中。

波音研究與技術部的研究人員Jim Mabe說：「與以前的各種材料相比，NASA和波音合作研發的這種新合金性能優越，從初始測試到飛行試驗，其性能一直非常穩定。」

為了對該技術完成試驗驗證，NASA與Area-I展開合作，使用原型技術評估研究飛機（PTERA）作為遠程控制飛行試驗平台。PTERA由Area-I設計和製造，他們還參與了由形狀記憶合金驅動的機翼摺疊機構的設計和集成工作。這種小型無人機安裝大量的飛行記錄儀器，非常適用於收集試驗數據，同時有能力完成新型摺疊機翼的測試任務。Area-I負責試飛時的飛行操作，確保NASA和波音公司的研究人員能夠在飛行過程中專註於自己的研究工作。

Area-I首席執行官Nicholas Alley博士表示：「研發無人機的目的就是讓它扮演飛行實驗室的角色，在這一系列飛行活動中，PTERA被用來完成SAW項目試驗。在飛行過程中，外側機翼壁板的主動驅動變形是一個歷史性的事件，這一切在羅傑斯干湖（Rogers Dry Lake）發生會顯得更加特別，因為那裡見證了很多航空歷史。」

圖3 NASA使用被稱為原型技術評估研究飛機（PTERA）的遠程飛行試驗平台來測試形狀記憶合金。PTERA由Area-I設計和製造，可以重構以適應各種飛行試驗。圖片來源：NASA/Ken Ulbrich

SAW飛行試驗耗時兩天，期間還包括兩次系統安全檢測飛行。PTERA從愛德華茲空軍基地的羅傑斯干湖上起飛，起飛時機翼零度偏轉，保持水平狀態。無人機試驗平台在一個巨大的場地上空飛行，這樣能夠保證足夠長的飛行距離，從而完成研究所需的各項操作。在飛行中，機載控制器對SAW驅動器進行加熱和冷卻，使機翼壁板被摺疊到0-70度之間的不同角度。

在前兩次飛行中，翼尖被操縱向下摺疊，之後的飛行中，則對硬體重新排布，以實現70度的向上偏轉，每次摺疊變形都在三分鐘內完成。SAW後續飛行試驗計劃在2018年夏進行，屆時將擴展SAW系統的功能，實現在同一次飛行中機翼上、下摺疊70度。格倫研究中心也將開展試驗，工程師正在努力研究，以使在PTERA中經過飛行驗證的技術能夠在F-18的機翼上得到應用。

Moholt聲明：「我們把SAW技術置於真實的飛行環境中，不僅要證明這些技術的可行性，同時還要驗證它的可集成性。我們將利用當前擁有的飛行試驗數據繼續改進驅動系統，包括提高摺疊機翼變形的速度和光滑度，這些改進將在2018年的飛行試驗中得到應用」。

（航空工業發展研究中心 宋剛）

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