飞机的重大创新

斯里德哈尔·科塔

飞机使用可变形的机翼代替传统的刚性机翼，可以减少噪音并节省燃料。

一个多世纪前，航空业的先驱想出了一种使用带襟翼的刚性机翼来产生足够升力的方法，从而将笨重的飞机送上了天空。这是人类历史上最伟大的进步之一，也是交通运输新时代的开始。飞机以及依靠飞机的航空业目前已经成为世界上最大的行业之一，航空旅行每年的收入超过7000亿美元。

然而，商业航空公司在燃料方面的支出超过了其运营成本的25%，使得航空业一直以利润微薄而著称，2016年的利润只有390亿美元。与此同时，现代飞机机翼和发动机的效率已经达到了接近顶峰的水平，因此要想再在这两个方面提高效益来节省开支，对工程师来说是极其困难的。

不过，还是存在一种非常有希望的方法，那就是在飞行过程中改变飞机机翼的形状。30年来，航空公司、大学以及国防实验室的工程师一直致力研究可以瞬间精确地调整自身形状的可变形飞机机翼，以提高燃油效率。采用这种新型机翼，飞机设计师就可以根据速度、高度、空气温度和其他飞行条件来提高飞机的升阻比（即飞机飞行时升力与阻力之比，是表示飞机气动效率的一个重要参数），从而使飞机更接近最佳性能。

20世纪80年代中期，美国空军测试了波音公司制造并安装在F-111型超音速战斗轰炸机上的一种任务自适应机翼（指在飞行中可根据飞行情况自动改变几何参数以获得最优性能的机翼）。这种机翼利用自动化控制系统来改变覆盖在机翼表面的薄膜材料的形状，以改变机翼曲率，从而将超音速飞行的阻力减少了20%以上。遗憾的是，这种技术增加了飞机的重量和功率需求，以致飞机的整体效率降低。1996年至2005年，美国空军与美国航空航天局合作开发了一种主动气动弹性机翼。这种机翼利用气流的力量来扭转自身，从而在高速飞行过程中可以更好地实现滚动控制。但这项技术只适用于战斗机，而最终失去了支持。

从那以后，可变形机翼的概念逐渐成熟起来。我和同事已经制造了一种可控制变形的翼面。近期对湾流Ⅲ型喷气式飞机进行的测试表明，通过将机翼的传统襟翼位置替换为可变形翼面，能够减小飞行阻力，并将飞机的燃油效率提高12%左右。可变形翼面调整了机翼后缘的曲率，从而在整个测试飞行过程中达到最佳的升阻比。美国航空航天局和其他研究人员进行的分析表明，除了可以节约燃料之外，采用这种翼面还可以降低飞机在降落时的噪音，甚至还可能减少飞行过程中的颠簸。研究表明，这样的可变形翼面可以完全替代传统机翼上的襟翼，不论是在全新制造的飞机上，还是目前正在使用的商用飞机上。

可变形机翼解决了固定刚性机翼飞行中的一个老问题。飞机需要将升力和阻力最合理地结合才能应对不断变化的飞行条件。一般来说，飞行员的目标是减少阻力以节约燃料。然而，目前设计的飞机机翼只有在一种特定的飞行条件下才能达到最小的阻力，这取决于飞机预期的巡航重量、飞行速度、飞行高度和航程。当飞行条件发生改变时，对襟翼和其他控制翼面进行调整，只能非常有限地改善升阻比。

与传统的机翼不同，具有形状变化控制翼面的机翼可以最大限度地减少各种条件下的阻力——这是在商业飞机上从来没有实现过的一个创新。我们最先进的技术是将可变形翼面与飞机的现有襟翼以及机翼的后缘进行整合，或者将可变形翼面安装在新飞机的襟翼位置处。如果一切顺利的话，我们将能够在未来3年内利用一架商业客机进行测试。

我是在20世纪90年代初的一个下雨天，在密歇根州开车时产生研发可变形机翼的灵感的。当时，汽车风挡玻璃上的雨刮器正在来回摆动，我发现它们的形状并不贴合玻璃表面。这使我意识到，即使在为有弧度的风挡玻璃设计雨刮器时，工程师仍然使用笔直的刚性部件，并且利用易损和容易断裂的接头进行连接。

于是我开始考虑哪些物体可以通过改变形状来提高性能。我曾经参加过一个关于飞机机翼的设计课程，并且知道在设計新飞机时，航空工程师都设定机翼的形状在飞行过程中不会发生改变。但是在我看来，无铰链、无缝隙、可改变形状的机翼能够在更多的飞行条件下提高燃油效率。

传统的飞机机翼是相对刚性的结构，具有各种可移动的控制翼面：襟翼、副翼和扰流板。襟翼是安装在机翼后缘的翼片，用于飞机起飞和降落这种低速情况下产生升力。副翼是安装在机翼翼梢后缘外侧的翼面，两侧各有一个，成对操作，左右两个副翼总是差动偏转（即一个向上偏，一个向下偏），从而使飞机进行横滚转向。扰流板是位于机翼上端的面板，当飞机降落时向上打开，可以增加阻力，使飞机更快地降落。

虽然这些控制翼面工作良好，但是它们只能够摆动而不能改变形状。襟翼在飞行过程中通常不会展开，因为它们与机翼之间的连接存在许多缝隙，这会导致增加阻力。虽然一些新的飞机允许飞行员在巡航时对副翼和襟翼进行微小的调整以减少阻力，但是在更高的温度、高度和风速等条件下，飞行员仍然无法真正改善传统机翼的空气动力学性能。这类似于骑自行车冲向山顶时设定了错误的档位——虽然你可能会到达那里，但与切换到较低的档位相比，其花费的力气要大得多。

一架飞机也可以通过改变其机翼的形状来换挡，从而获得更佳的升阻比。要了解这种方法是如何起作用的，首先要明白机翼是如何产生升力的。标准飞机机翼上表面的弯曲弧度要大于下表面，这样就可以使大量的空气向下方移动，从而产生升力。机翼的弯曲上表面的作用主要是向下推空气，所以在一定程度上增加这一表面的弯曲弧度（曲率）可以提高飞机的升阻比。

对任何飞机来说，综合其重量、高度和速度，都存在一个理想的机翼弧度，可以提供所需的升力，同时达到最低的阻力。大部分空气动力学研究已经表明，进行哪些弧度调整可以在特定条件下提供最佳性能。但是，那些进行这项理论研究的专家，直到现在都还无法将这些研究应用在真正的飞机上。

与带有襟翼的刚性机翼不同，可变形机翼可以顺利地调整其弧度，从而减少飞行过程中的阻力。事实上，可变形机翼可以应用的姿势要比带有传统襟翼的机翼更多，能够更加精确地控制飞机的升阻比，以满足不断改变的飞行需求。而且，如果灵活控制的翼面能够与机翼的其他部分完美地结合，这些调整将不会由于突出的连接部分和铰链而产生额外的阻力。

能够在飞行过程中改变弯曲弧度的机翼，使飞机设计人员可以根据飞机在具体条件下所需的升力大小来调整阻力。例如，在飞行过程中由于燃料的消耗减少了总体的燃料重量，所以飞机所需的升力逐渐减小。目前，飞行员是通过降低飞机的迎角（也就是飞机机翼与迎面而来的气流之间的夹角）来应对重量的减少。可变形机翼可以通过在整个飞行过程中不断改变机翼后缘的表面形状来实现其当前燃料重量时的最佳弯曲弧度。

飞机在不同飞行条件下的飞行能力非常重要，因为航空规则限制了飞机的飞行速度和高度。例如在美国，联邦航空管理局规定向北和向东的航线的飞行高度均为奇数（比如9500米），而向南和向西的航线飞行高度都为偶数。飞机在巡航时的速度和高度基本上不是空气动力学上的最佳组合，但是可变形机翼可以在任何指定的高度或速度下更有效地飞行。

除了能够减少阻力以外，可以改变形状的机翼还有另外一个特别使乘客感到满意的潜在优点，那就是它们可以抑制机身遇到湍流时发生的颠簸。这可以通过以正确的方式扭转机翼的后缘来减少由湍流引起的负载，从而使传递到机身的振动达到最小化。这种扭转将由精密的飞行控制系统自动完成。

1994年，当我开始在家里的办公室绘制可变形机翼的原始图样时，并没有航空航天工程的背景，也不知道在我之前有许多可变形机翼设计的失败案例。我后来得知，这些早期的设计十分复杂，要将数百个零部件和几十台电机整合在一起。

从一开始，我就决心让我的设计坚固而又灵活，不使用连接部件或者铰链，并且利用一块完整的材料制造。它由一台或两台电动机驱动，能够完成所有必要的飞行功能，同时承受重型飞机在高速飞行时产生的巨大空气动力压力。

这时，我仍然利用业余时间在家里工作，没有得到外部资金的帮助。但是，在我完成第一批草图之后不久，我在一本杂志上读到了一篇文章，说美国军方正在位于俄亥俄州代顿的赖特·帕特森空军基地研发可变形的飞机机翼。我参观了这个基地，并向研究团队展示了我的设计。然后在1998年，赖特·帕特森空军基地的空军研究实验室给了我一份价值10万美元的合同，对研发可变形机翼进行可行性分析。当时我并不知道，美国政府将在未来18年投资超过5000万美元对我的技术概念进行各种风洞和飞行测试，那10万美元只是第一笔资金。

于是，我把来自空军研究实验室的首笔资金用于设计，并迅速制造出一个塑料机翼模型（采用的是现在称为3D打印的技术），并且租用了密歇根大学（我是这所大学的机械工程教授）的一个风洞进行一些基本测试。我设计的机翼模型在这个风洞试验中运行良好，显示出了可扩展性。因此，2001年，美国空军又给了我另外一个合同，投入了更多的资金，用于设计和制造一个可在更高风速条件下进行测试的更大的原型机翼。

这个时候，我在密歇根州的安娜堡创建了Flex Sys公司，并將我设计的机翼命名为FlexFoil。在对更大的原型机翼成功进行了几次试验以后，空军合作方表示，他们准备在“白色骑士”号飞机上进行真正的飞行测试。

为了安全起见，我们在飞机的底部垂直悬挂了一个127厘米长的铝制FlexFoil控制翼面，而不是将其直接连接到飞机的机翼上。在飞行过程中，我们在机舱里远程操纵FlexFoil的弯曲弧度和形状，并通过安装在悬挂的原型机翼上的压力端口（用于测量升力和阻力）和热传感器来监测其性能。

2006年夏天，我们使用“白色骑士”号飞机在美国西南部的莫哈韦沙漠进行了多次测试。所有测试都表明，FlexFoil可以明显减少阻力，同时能够承受飞行过程中的压力和温度波动。测试还显示，从起飞到降落的每个阶段，Flex Foil都可以在给定升力的情况下减小阻力。美国航空航天局进行的另一项分析表明，利用这一技术可以使飞机的升阻比提高10%左右。

最好的消息是：这些飞行中收集到的测量结果表明，如果在新飞机的襟翼位置安装FlexFoil，能够将燃油效率提高8%至12%；如果是对现有飞机进行改装，将FlexFoil与机翼后缘的襟翼进行整合，也可以将燃油效率提高3%左右。相比之下，最近安装在许多飞机上的新型翼梢小翼，每对至少花费100万美元，却只能节省4%至5%的燃料。

受到这一成功的鼓舞，2009年，赖特·帕特森空军基地的空军研究实验室和美国航空航天局要求我们对一架湾流Ⅲ型喷气式飞机进行改装。这一次的任务是在飞机的机翼上安装FlexFoil并进行测试， 而不是像“白色骑士”号上进行的测试那样将它悬挂在机翼下方。

在这一轮的测试中，我们制作了一个新的原型机翼，并用长7米、可覆盖整个机翼后缘的FlexFoil替代了原有的襟翼。这样的方式类似于我们在全新飞机上的安装方式。

这次的原型机翼由普通的航空级材料，例如铝合金和复合材料制成。我们使用自己团队开发的工具和算法进行设计，这使得我们可以将弯曲和笔直的板条按照一定结构进行装配，使每根板条都能够像弓一样弯曲。这样的结构就是FlexFoil可变形机翼的内部框架。向这一结构的一个点或者两个点施加作用力，整个机翼表面就会改变形状，至于形变量，取决于施加作用力的强度和具体位置。

最后制成的控制翼面重约110克，与被它替代的襟翼和相应导轨的重量大致相同。翼面所有的弹性装置都像手风琴一样与机翼连接，可根据FlexFoil的变形来扩展和收缩，没有外部的连接部件或铰链阻碍空气的流动。

美国航空航天局的声学专家预测，这样的无缝连接结构使FlexFoil可以将飞机着陆时的噪音降低40%左右。飞机在着陆过程中，由于气流穿过传统襟翼和机翼之间的缝隙，产生的机体噪音比发动机噪音要大得多。

在传统的飞机机翼中，襟翼由一对液压缸驱动。为了简单起见，我们的原型机翼也被设计为连接这些液压缸。我设想的商业版本，是使用飞行控制系统就能改变FlexFoil的弯度，每个机翼只需使用一台电动机，而改变其形状需要使用两台电动机（一台用于拉，一台用于推）。由于这些电动机原来已经安装在普通的大型飞机机翼中，所以这种设计不需要进行额外的测试。

在空军方面邀请我们对湾流Ⅲ型喷气式飞机进行改装之后，我们用了5年时间完成了第一次飞行所需的设计、安装、地面测试和调度。美国航空航天局再次在FlexFoil和飞机上安装了全套仪器仪表来记录飞行状况，并测量该技术在高风速、低温和空气压力突然变化情况下的运行情况。仅在FlexFoil上就安装了112个应变仪、60个加速计和足够多的传感器，可以在每次飞行中收集超过4300个数据点的数据。

2014年11月6日，装有世界上第一对现代化可变形机翼的湾流Ⅲ型喷气式飞机在加利福尼亚州高原沙漠升向天空。为了安全起见，我们并没有在整个飞行过程中改变机翼的形状，而是在地面上远程控制FlexFoil。在位于加利福尼亚州爱德华兹的美国航空航天局阿姆斯特朗飞行研究中心进行的22次飞行中，这些机翼的倾角能够在2°至32°之间变化，也就是可以改变其弯曲弧度。

之后，我们的测试数据显示，当FlexFoil弯曲至传统襟翼所处的角度时，可以产生最大5000千克的升力。在一系列测试中，飞机承受了最大达到每平方米1875千克的动态气压，这一数字远远超过任何传统的商用飞机。在各种情况下，都显示FlexFoil性能良好。

测试数据表明，FlexFoil能够承受-53℃至82℃的温度范围，预计使用寿命是普通商业飞机机翼的5倍。这些结果显示，FlexFoil更实用、轻便且使用寿命长，能够实际应用于现代商用飞机，在多种飞行条件下展现出顶尖的性能。

目前，我们的首要任务是让航空业的领导者了解我们的可变形机翼的优点和可靠性， 而做到这一点并不容易， 因为他们对全新的技术总是持非常谨慎的态度。2015年11月，我们与西雅图市的AviationPartners公司合资经营，向航空公司销售能够提高燃油效率的翼梢小翼。为了将FlexFoil商业化，我们联合组建了一家名为AviationPartnersFlexSys的新公司，计划于2020年在商用飞机上对FlexFoil进行测试。

这项技术也可以应用于下一代飞机。航空业专家预测，下一代飞机有可能采用无缝隙设计，机翼和机身将结合在一起。美国波音公司和美国航空航天局已经试验了具有未来特点的混合机翼飞机，FlexFoil可以转变成一种非常平穩、安静和高效的飞行工具。

在更遥远的未来，我们的灵活控制翼面可以在固定翼飞机以外的领域中得到应用。任何通过空气或水进行运动的物体都可以从中受益。我与我的同事已经开发出了直升机螺旋桨叶片的原型，每转动一次会使其前缘和后缘变形，从而提高其性能。早期的研究表明，这些螺旋桨叶片可以每秒变形15次，这可以提高直升机的升阻比并且减少振动。其他方面的应用可能包括潜水艇、汽车和风力涡轮机的组件。