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图 | 赌钱的软件新的可变形机翼结构将大幅度提高航天器的效率 (来源

时间:2020-02-07 22:37

虽说翱翔在天空的飞鸟,启发了人类发明飞机。不过人造大块头远比不上鸟儿那样灵活敏捷。为了实现升降和转向等动作,早期的飞机设计师们发明了襟翼、副翼和扰流板,以及各种用来操控它们的机械装置。但这又让空气动力效率大打折扣。

要是机翼能像鸟类翅膀和羽毛一样,可以随时改变整体形态来面对不同的飞行需求,那么不仅有望减轻重量,还可以大大提升飞行效率。

近日,美国麻省理工学院和 NASA自适应数字复合航空结构技术项目组,联合康奈尔大学和加州大学伯克利分校等知名高校的研究人员,在期刊 Smart Materials and Structures 发表了可变形机翼的最新研究成果。

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图 | 新的可变形机翼结构将大幅度提高航天器的效率 (来源:Eli Gershenfeld, NASA Ames Research Center)

该机翼是由数万个小三角形组成的一个网格状立体结构,表面覆盖有聚合材料薄层,能够在电子系统的帮助下,自动追踪空气动力条件的变化,主动改变姿态,实现节省燃料,提升性能,降低成本的目的。

目前,研究团队已经在 NASA 的高速风洞中测试了机翼原型,表现超过预期。未来,这种刚柔并济的结构还可以拓展到机身和发动机等部位,进一步优化飞行效率。

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图 | 组装中的可变形机翼

图 | 赌钱的软件新的可变形机翼结构将大幅度提高航天器的效率 (来源。事实上,可变形机翼这一概念早已存在,中国、欧盟和美国都有类似的研究项目。起飞,上升,巡航,下降,着陆,每个飞行阶段都有不同的最佳机翼参数,传统机翼受制于技术和量产成本,只能通过襟翼、副翼和扰流板等机械装置达成目的,是一种对所有飞行阶段的泛化和妥协,而非最佳选择。

图 | 赌钱的软件新的可变形机翼结构将大幅度提高航天器的效率 (来源。因此,可变形机翼的核心价值在于,以机翼为整体,根据不同飞行状态改变其姿态,从而在各个飞行阶段都获得最大的空气动力效率,大幅提升飞机性能。

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此次研究团队发表的最新进展,是基于他们 2016 年的科研成果。当时,他们就利用碳纤维增强塑料制造出了特殊的轻质结构片,组成了可变形机翼的最初版本——一架机翼长约 1 米,体积与遥控飞机类似的概念验证机。他们在飞机上安装了小型电机,可以在机翼的翼尖施加扭转压力,促使机翼产生方向一致的形变。

经过两年多的改良,研究团队制造出了一副更大的机翼,长度约为之前的 5 倍,和真正的单座飞机机翼差不多,重量却只有不到 10%。他们还升级了机翼结构和制作工艺,其密度仅有每立方米 5.6 千克,不足橡胶密度的千分之一,却拥有相似的刚度。

机翼内部使用了大量三角形结构,每个基本单元都是由数根支柱组成的三角形和多边形,看起来像是数千根火柴杆连在一起。它们由聚乙烯树脂制成,非常轻巧,排列组合的方式也经过特殊设计,不同位置的支柱拥有不同的柔韧性和刚度,因此在承受压力时,会以特定方式弯曲,使得机翼跟着一起变形。

赌钱的软件 4图 | 手工组装机翼结构(来源:Kenny Cheung, NASA Ames Research Center)" style="width:60%;margin:1rem auto">

{"type":1,"value":"相比数年前的研究成果,这样的结构更适合量产,而且自由度更高。

以前的零件由碳纤维构成,制作时需要使用水刀系统切割,一块基本单元平均需要几分钟,而现在采用的新三维模具系统,只用聚乙烯树脂注塑成型即可,数根支柱组成的基本单元平均只需 17 秒,效率大幅提升。这还是在研究人员用手工制造的前提下,一旦引入自动装配机器人,很容易在模具上实现基本单元的批量生产。

除了制造机翼之外,灵活利用基本单元还可以组成其它几何体,就像拼积木一样,组合成机身,引擎,叶片和尾翼等等部件。如果你想,甚至可以重新设计飞机的样式。

目前绝大多数飞机都像“长着翅膀的管子”,数据告诉我们,这并非最佳形状,但完全推翻并重新设计、制造和测试新飞机的成本太过高昂,建造全新的量产线更是耗费巨大,因此人们只好选择在现有样式上加以改良。有了新结构之后,飞机的设计和制造将变得更加高效而廉价,非常适合工程师开拓新的设计思路。

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图 | 未来的可变形飞机渲染图(来源:Eli Gershenfeld, NASA Ames Research Center)

为了让机翼更加灵活和智能,研究团队开发了一套系统,可以在不同攻角下,计算最匹配的机翼形状和翼载组合,进而主动调节机翼形状,时刻保证最佳性能。当然,也可以使用传统方法——电机和钢索——改变机翼形状。

下一步,研究团队将设计和测试机器人装配系统,自动化可变形机翼的制造流程。他们还将尝试利用相同的结构制造飞机引擎涡轮叶片、太空设施,机器人和桥梁等。

希望有朝一日,我们能见到如鸟类一样柔软灵活的可变形飞行器,最好还能插上些羽毛。

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参考: