柔性翼飞行器现状及关键技术分析

邓坤 安海霞 陈伟

（中国工程物理研究院总体工程研究所，绵阳 621900）

柔性翼飞行器现状及关键技术分析

邓坤 安海霞 陈伟

（中国工程物理研究院总体工程研究所，绵阳 621900）

柔性翼飞行器由柔性翼衍生而来，根据其机翼类型不同可分为充气式和伞翼式。为了研究两类飞行器在工程应用中的实现难度与成本代价，在充分调研两类飞行器的发展及现状的基础上，详细分析了两类飞行器设计过程和工程实现过程，梳理了多个型号柔性翼飞行器的重要技术指标，并根据制作工艺及应用情况提炼了两类飞行器在翼面材料、充气与控制方面等影响柔性翼性能的关键技术。并从工作原理、实现难度及效费比等对比分析了两类柔性翼飞行器的优缺点，指出充气式飞行器由于翼面材料、充气系统及密封性要求，设计难度与实现难度大，但充气环节迅速且稳定；而伞翼式飞行器由于伞绳传递控制，控制精度及执行效率较充气式低。最后归纳总结了两类飞行器的特点，对柔性翼飞行器的工程设计及工程研制提供了参考。

充气式 伞翼式 技术特点 柔性翼飞行器

0 引言

柔性翼是一种可预先折叠于机身内外，需要时能迅速展开，且为飞行器提供升力的部件。它具有折叠后体积小，质量轻，展开迅速，可反复使用等特点，特别适用于使用前有体积限制，使用时能迅速成形的飞行器[1]。柔性翼飞行器即是用柔性翼取代飞行器的机翼，以便完成常规飞行器的任务需求。柔性翼飞行器由于慢速飞行、长时续航等特点，在一定程度上可替代昂贵的“全球鹰”等无人机执行侦察等任务，同时具备通信中继、回收及物资投放的能力；另一方面，也可替代载人飞机执行森林防火、大面积消雾、搜索和救援等民用领域的任务，具有广泛的应用前景和市场需求。

目前，取得柔性翼飞行器成就最高的是美国，美国宇航局“德莱顿飞行研究中心”研发出能在空中自主展开的充气式飞行器，美国陆军特种作战司令部已将伞翼式飞行器用于实战，其次是瑞士与以色列，瑞士Prospective concepts AG公司研发出能够载人飞行的充气式飞行器，以色列则研发出作战半径广的轻型伞翼式飞行器。国内对这方面的研究开始的较晚，文献[1]对充气机翼的承载能力和气动进行了分析，确定了充气机翼失效的条件；文献[2]利用内切圆逼近翼型方法进行充气机翼的保形设计；文献[3]研究了翼伞切口对翼型剖面的气动特性影响；文献[4]介绍了伞翼式飞行器的设计方法。充气式与伞翼式两类柔性翼飞行器的应用范围基本一致，本文即在深入了解国内学者研究的基础上，探索我国柔性翼飞行器发展的瓶颈，梳理出关键技术，旨在为柔性翼关键技术难点的突破提供依据，为柔性翼的工程研制提供参考。

1 柔性翼飞行器

目前，国内外柔性翼飞行器按类型可以分为充气式与伞翼式，其中充气式按充气的覆盖范围可以分为半充气式和全充气式，伞翼式按动力方向的不同可以分为推力式和拉力式。柔性翼飞行器分类如图 1所示。

图1 柔性翼飞行器分类Fig.1 Classification of flexible wing aircraft

2 充气式飞行器

充气式柔性翼飞行器是指利用充气系统对机翼或整体充气，使之具有升力承载面，能够实现飞行的飞行器，前者为半充气类飞行器，后者属于全充气类。

2.1 研究现状

2.1.1 半充气类

半充气类柔性翼飞行器国外的发展技术远高于国内，目前国内的研究还主要集中于充气机翼，包括充气机翼的设计、承载能力分析及气动分析等。该类飞行器主要有：“德莱顿充气飞机2000”[5]（Dryden Inflatable 2000，Dryden I 2000）、空中支援弹药[6]（Forward Air Support Munition，FASM）、炮筒发射侦察弹[7]（Gun Lauched Observation Vehicle，GLOV）以及“黄貂鱼”[8]（Stingray），见图2（a）～（d）。

其中，“德莱顿充气飞机2000”是美国宇航局“德莱顿飞行研究中心”在2001年成功试飞的飞行器，通过充气机翼的设计、充气机翼结构试验、充气系统的设计及试验等几个重要的步骤实现该飞行器关键技术难点的逐步验证，是目前公开资料可查阅的能够在空中自动充气展开、稳定滑翔并着陆的最优半充气飞行器[5]。其性能参数如下所示：

1）展长：1.62m；2）弦长：0.185m；3）翼型：NACA-0021；4）内部气压：140～175kPa；5）充气时间：0.33s；6）气源：高压氮气。

图2 充气类柔性翼飞行器Fig.2 Inflatable wing aircraft

2.1.2 全充气类

美国在上世纪50年代即研发出可载人的“固特异充气飞机33”[9]（Goodyear Airplane 33，GA-33），我国则于2014年由新乡天行软体飞机设计公司研发出“软体飞机1号”（SF-1），是国内全充气类飞行器的最高水平，二者分别见图2（e）、（f）。

“软体飞机1号”没有硬质骨架，采用吹起成型的方法，通过充气来撑起机身和机翼部分，具有良好的弹性，耐撞击而不受损[10]。该飞行器的优点是折叠后可放置手提箱，缺点是需要配套的充气系统在地面进行充气，操作较为繁琐，其性能参数如下所示：

1）翼展：2.5m/3m/4.3m；2）起飞质量：90kg；3）最大载质量：25kg；4）最大速度：100km/h；5）最大高度：3 000m；6）材料：橡胶复合材料。

2.2 关键技术

2.2.1 翼面材料

在充气翼设计过程中，翼面材料是首要解决的关键难点之一。首先，为了满足柔性翼飞行器的基本性能，翼面材料要满足质量轻、气密性好且柔软可折叠的基本要求[11]。其次，为了防止内压过大造成的翼面撕裂，翼面材料的抗撕裂能力要强；同时由于在外力作用下，充气翼易发生褶皱，故翼面材料还应具有一定的承载能力[12]。最后，因为充气翼的工艺较为复杂，涉及裁剪、气嘴粘合以及高频热合等。尤其在热合阶段，翼面材料要适应加热时间、保温时间、热合压力等要求，否则翼面的粘合强度及密封效果均会下降[13]。目前，热塑性聚氨酯（TPU）胶布发展迅猛，可用于制作高强度、高气密、耐磨型的材料[14]，相信可以为充气翼的翼面材料提供支撑。

2.2.2 充气系统及保压

充气翼在工作过程中，由于周围空气的作用会发生弹性变形，改变周围气流的流场，从而改变气动力的大小和分布规律，易使充气翼结构产生新的变形[15]。充气式飞行器在飞行过程中一般是通过充气系统来维持内压的恒定，通过检测充气翼内压是否达到充气系统设定的压力值，来调节充气系统控制阀的充气量与充气速度。因此，充气系统确定建议遵循以下原则：首先，基于充气翼的静力结构特征选择充气压力；其次，在该压力下测量充气翼在预期飞行载荷、振动及温度环境下的泄漏率，并将结果用于指导选择满足行续航能力的充气系统；最后，通过试验获得预期充气翼充气速率对应的充气系统调节器的设置值。

2.2.3 控制方式

对于充气翼而言，因翼结构的特殊性，副翼、襟翼、扰流片等操纵部件及其相应的伺服系统在柔性翼上难以安装，不能为飞行器提供可靠的姿态控制。因此，可采取在充气式柔性翼飞行器上增加刚性尾翼的方法，用于布置飞行器的执行机构。

2.2.4 气动及结构设计

气动及结构设计难点主要存在于全充气类，因为该类飞行器翼、机身均是通过充气实现的。“软体飞机1号”是采取翼身一体化结构设计，“固特异充气飞机33”是采取翼与机身的直接连接并且独自实施充气过程，减少二者之间由于充气带来的干扰。因此，建议采取后者这种分开设计、有效组合的方式解决全充气飞行器的气动及结构设计难点。

2.3充气式简要分析

通过上述充气式的分析及关键难点考究，充气类飞行器的关键难点主要在于实现难度上，具体包括充气翼的设计、充气系统的选择及布置、飞行器控制方式。对于航时较长的柔性翼飞行器还必须选择合适的翼面材料、加工工艺、充气系统及其设置值等，以便实现飞行过程的充气及保压。但同时，充气系统会带来尺寸及重量等方面的增加，因此，充气式柔性翼飞行器的实现需要克服较多的困难。

3 伞翼式飞行器

伞翼式柔性翼飞行器是在冲压翼伞基础上发展形成的。冲压翼伞，配以提供动力的螺旋桨等构成伞翼式柔性翼飞行器，其飞行原理主要是用翼伞取代机翼，提供飞行器飞行的升力，通过拉拽翼伞后缘控制绳，使得翼面气动力不平衡实现翼伞转弯、雀降等机动动作[4]。伞翼式飞行器依托高性能冲压翼伞的低速滑翔优势，可以实现长时滞空的侦察、通信中继以及定点回收与航拍等需求。

3.1 研究现状

3.1.1 推力类

推力类伞翼式飞行器的国内外技术差距相对较小：美国的“雪雁”翼伞型无人机[16]（Snow Goose）、“阿塔里”翼伞机（Atair）能够在高空投放开伞，我国的柔翼无人机1型[17]（SYW1）则是地面拖曳起飞，除了质量（前者可载质量270kg，后者总质量200kg）之外，其它并无显著差别。见图3（a）～（c）。

其中，“雪雁”无人机2001年首飞，2005年形成初始作战能力，既可由运输机在高空投放，也可由地面车辆加速至 55km/h后放飞，能投送小型补给包、空中监视与通信中继。该无人机的优点在于起飞方式简单、投送精确以及成本低廉（每套约75万美元）。美国陆军特种作战司令部订购30余套，已用于实战。其性能参数如下所示[16]：

1）最大航程：942 000m；2）速度：47～55km/h；3）最大载质量：272kg；4）最大高度：7 600m；5）续航时间：20h。

3.1.2 拉力类

拉力类与推力类基本一致，唯一不同的是动力布置于机体头部，但我国鲜见有该类飞行器的应用。主要有以色列“蓝眼”无人机[18]（Blue eye），见图3（d）。

图3 伞翼式飞行器Fig.3 Parafoil wing aircraft

“蓝眼”无人机性能参数如下所示：

1）起飞质量：50～60kg；2）最大载质量：10kg；3）最大高度：1 000m；4）续航时间：8h；5）作战半径：50 000m。

3.2 关键技术

3.2.1 开伞技术

若飞行器在使用前约束在有限空间内，使用时才展开成柔性翼，则开舱开伞过程必不可少。翼伞的开伞是一个边充气张开边充满气室的过程，并在气室充满后完成开伞过程。影响翼伞开伞特性的主要因素是前缘切口的投影面积，彻底的、一致的开伞所需要的切口面积比在飞行中保持翼伞充气和压力所要求的更大些。通常切口与翼伞弦线组成的锐角越小，开伞更快，但角度过小，会影响翼伞在飞行中的充气[19]。初步分析表明，该角度在 30°～35°为宜。同时，翼伞的开伞受高度、动载以及气流影响较大[20]，可能会导致开伞不完全或不稳定。因此，需根据飞行器的开伞条件确定开伞的最优方案，以减小对开伞的客观影响。

3.2.2 控制技术

目前伞翼式飞行器的控制方式通常采用操纵绳拉拽伞翼的后缘，通过气动力的不平衡实现转弯等控制。拉拽伞绳控制方式需要配备较大扭矩的舵机，因而舵机的体积也较大，同等条件下约是其它舵机的3倍，对于有空间限制的机体就难以布置与安排。另一种控制方式在其它飞行器也有所应用，即靠推力差动实施控制，但该类控制方式能否应用在伞翼式飞行器上还需进一步验证，同时如何确定推力产生部件的数量、位置以及控制效果和精度都需要做进一步的研究分析。

3.3 伞翼式简要分析

通过上述伞翼式飞行器的分析及关键难点考量，其难点主要在于设计上。具体包括开伞与控制技术，而直接与开伞及控制相关的因素在于翼伞前缘切口角度和高度[3]、伞衣的弯度和厚度以及伞绳。同时，前缘切口也对升力系数及阻力系数影响较大[21]。

4 两种形式对比分析

根据柔性翼国内外调研情况及关键技术分析，充气式与伞翼式在实现难点以及实现成本上有显著不同。

首先，翼面材料与工艺方面。充气式因其工艺及应用条件对材料的要求远超于翼伞的要求：抗撕裂、承载性、热合性与粘接性，同时充气翼的制作比翼伞增加了粘接与热合等复杂工艺，从时间、成本及难度上看，充气式远大于伞翼式。

其次，充气及保形方面。充气式由于增加充气系统，其机体内部空间受到挤压，系统重量增加，效费比降低，同时机体需要优化设计以便与充气系统匹配。而伞翼式仅依靠前缘切口的冲压空气即可维持充气与保形，无需任何外部设备与优化设计。

第三，密封及保压方面。充气式的保压主要依靠充气系统预留的气体，若密封性较差，柔性翼内部气体不足以维持内部压力，则会造成翼刚度下降、气动外形无法维持。提高密封性可采取在胶合粘接之处再采用缝纫方式，但时间成本和费用成本则显著上升。伞翼式在飞行过程中通过持续充气保压，无密封要求。

第四，控制方面。伞翼式通过伞绳将控制力作用到翼伞上，势必会造成翼伞的控制响应慢、控制精度不高，尤其是推力差动的方式会由于伞绳的反作用力降低差动量，使控制效果进一步降低。充气式由于无伞绳类的传递机构，控制响应迅速、精度高。

此外，伞翼式由于有较多伞绳，在开伞时，各伞绳易相互缠绕，造成柔性翼无法完全展开充气，使得最终工作任务无法完成，同时在飞行过程中受气流影响较大。二者对比分析见表1。

表1 两类柔性翼飞行器特性对比Tab.1 Comparison between inflatable and parafoil aircraft

5 结束语

随着国防科技的发展和全球战略的需求，柔性翼飞行器必将因其可折叠、便携性高及成本低等特点受到国内外的广泛重视。通过前文的对比分析，将两类柔性翼飞行器的特点归纳如下：

1）由于涉及应用及工艺，充气式对翼面材料要求较高，同时工艺较为复杂，制作难度大；

2）由于增加充气系统，充气式飞行器尺寸增加、设计难度大，但充气时间短、充气过程稳定性好；

3）由于密封性要求高，充气式飞行器实现难度及成本增加；

4）由于通过伞绳传递控制，伞翼式飞行器控制精度及效率较低。

从总体上来说，充气式飞行器的研制周期、研制成本以及实现难度远远高于伞翼式，国内外对充气式进行研究很大程度上有两点原因：一是由于控制效果及稳定性高于伞翼式，二是采取地面充气方法可显著降低研制难度，同时获得更小的储运空间。根据国内对充气式的研究还集中于充气机翼的分析，对伞翼式的研究已开始飞行验证的现状，同时结合国内的设计能力、工艺水平以及国外柔性翼的应用情况，未来我国柔性翼飞行器的发展方向将会是伞翼式飞行器，而需要攻克的技术难关分别是空中开伞展开技术与精确控制技术。

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Study of the Status and Critical Techniques of Flexible Wing Aircraft

DENG Kun AN Haixia CHEN Wei

（Institute of Systems Engineering, CAEP, Mianyang 621900, China）

The flexible-wing aircraft derives from flexible wing. It can be classified into inflatable and parafoil based on the style of its wing. In order to research the implementation difficulty and cost price of the two kinds of flexible aircraft in the engineering application, the process of design and engineering implementation are analyzed on the basis of the review of development status of the two kinds of flexible aircraft. The important technical indexes of the flexible aircraft are given. According to the production process and application situation, the critical techniques, such as wing surface material, inflation and control that affect the flexible wing are figured out. Simultaneously the merits and drawbacks of each kind of the aircraft are compared and analyzed in aspects of working principle, realization and effectiveness-cost ratio. It is suggested that although inflatable aircraft is more difficult to design and realize for its high requirement for wing surface material, inflating system and sealing, the inflating process is rapid and stable. The parafoil aircraft is worse in control precision and efficiency for its suspension line transference control. Finally, the characters of both kinds of the aircraft are concluded to provide reference for the design and development of the flexible wing aircraft.

inflatable; parafoil; technical characteristic; flexible-wing aircraft

V279

: A

: 1009-8518(2016)05-0019-08

10.3969/j.issn.1009-8518.2016.05.003

邓坤，男，1987年生，2015年获北京航空航天大学航天工程专业硕士学位，助理工程师。研究方向为飞行器总体设计。E-mail: 414dengk@caep.cn。

（编辑：庞冰）

2016-04-14

安海霞，女，1989年生，2015年获北京航空航天大学机械工程及自动化硕士学位，助理工程师。研究方向为飞行器结构设计。E-mail: 409anhx@caep.cn。