非牛顿流体材料在柔性变形机翼上的应用初探

李仕鹏

（巴彦淖尔市第一中学，内蒙古 巴彦淖尔 015000）

飞机是20世纪最为重要的发明之一，它的出现对人类社会的发展有着至关重要的作用。不论是民用运输还是军事战争，人们对飞机的性能要求越来越高。影响飞机飞行性能的部件很多，重要部件之一当属飞机机翼，它是飞机飞翔升力的来源，同时还影响着飞机的操控性。机翼的参数细节直接决定了飞机气动性能，例如减小展弦比可以提升飞机的最大速度，而增大展弦比可以增加飞机升阻比提高续航能力。传统飞机的机翼形状不可变化，在设计时只能把机翼参数调整为针对某一特定目标，而不能兼顾多种目标。随着电子技术和材料技术的进步，人们开始设计可以变形的机翼，进而实现飞机在不同飞行条件下都能够有很好的气动性能。当前实现机翼变形的技术主要分为两类，一类是刚性变形，另一类是柔性变形。刚性变形飞机通常采用杆式铰链实现变形，其使用的机翼蒙皮是刚性的铝合金材料加工而成。比较著名的刚性变形飞机有Tu-160超音速轰炸机，其在起降时主翼后掠20°，巡航时主翼后掠35°，高速飞行时主翼后掠65°。目前刚性变形飞机已经在军事和民用大范围使用，但是由于变形机构结构复杂且材料重量大，不仅降低了飞行可靠性，而且明显增加了飞机重量。另外，由于刚性材料在连接位置通常存在空隙，这些空隙会造成掠过机翼的气流产生分离，进一步影响飞机气动性能。为了解决刚性变形飞机的种种问题，人们想到了利用柔性材料制造机翼，相关领域越来越受到关注。

1 柔性变形飞机机翼对蒙皮的要求

柔性变形飞机机翼包含变形机构、作动器和包裹在外部的蒙皮。变形机构带动机翼改变形状，作动器为变形机构提供能量，蒙皮随机翼结构变形而变形维持机翼表面的连续性。传统蒙皮材料，例如铝合金，面内刚度较大，不能及时跟进机翼结构变化。柔性变形机翼蒙皮必须使用新材料，新材料应具有以下性质。

（1）法向刚度足够大，能够承受和传递气动载荷。

（2）面内变形光滑连续，易于变形。

（3）密度较小。

以上性质中较难实现的是既有较好的变形性能，同时又具有较强的刚度。这两类要求看上去近乎矛盾，若材料变形性能较高，刚度往往较弱；而刚度较好的材料其形变性能较差。目前解决这一问题的主要办法还是通过蒙皮结构设计，例如日本航空研究局设计的面外波纹柔性蒙皮，美国宾夕法尼亚大学设计的埋有柔性基体复合材料的柔性蒙皮以及美国CRG公司制备的蜂窝结构柔性蒙皮。这些设计能够在一定程度上解决形变与刚度的矛盾，但是带来了蒙皮结构的复杂，增大了飞行安全的不确定性。之所以要进行结构改进设计，主要是没有找到具备以上性质于一身的材料。如果找到合适的材料，机翼的结构将得到简化，相应飞机性能和飞行可靠性都会得到增强。非牛顿流体材料具备以上性质，是一种值得关注的材料。

2 非牛顿流体材料的性质

流体分为牛顿流体和非牛顿流体两类，牛顿流体的剪切应力同剪切应变速率呈线性关系，非牛顿流体呈非线性关系。直观上，牛顿流体的黏度与剪切应变速率无关，而非牛顿流体的黏度与剪切应变速率有关。非牛顿流体又分为4类，分别是Bingham流体、非线性Bingham流体、假塑性流体和胀流性流体，它们的性质如图1所示。

图1 流体流动曲线

值得关注的是胀流性流体，在剪切应变速率较大时，其黏度变大，能够承受较大的应力，而在剪切应变速率较小时，其黏度较小，就有很好的形变形质。生活中经常能够见到这一类物质，例如水倒入面粉中形成的糊状物，当缓慢倾斜盛装糊状物的容器时，糊状物能够流动，但是当糊状物被快速搅动时，糊状物明显变硬，能够承受很大的压力。面粉糊状物这一种材料由于受到的外界作用不同，表现出两种性质，而这两种性质正是柔性机翼蒙皮材料所应具备的性质。与面粉糊同属于非牛顿流体的其他材料，有望用于制备柔性机翼蒙皮。

3 使用非牛顿流体蒙皮的机翼结构

未来人们一定能够找到适合制作柔性机翼蒙皮的非牛顿流体材料。有了相应材料，新型柔性机翼可以按照以下设计来制作。首先按照图2中结构制作钛合金框架（白色），并在表层涂刷非牛顿流体材料（阴影），形成飞机机翼的主体架构。为了实现对于机翼蒙皮的实时监控，在蒙皮下层安装应力传感器检测蒙皮的受力情况。检测信号传导至中控系统，由中控系统根据机翼表面的受力情况做出反馈，通过调节剪切应变速率实现对蒙皮黏度的调整，进而伴随机翼完成形变，使飞机气动性能始终处于最优状态。另外，机翼内部也设置可人工控制的手动控制系统，以便在电控出现问题时进行绝对的手动控制，确保乘客以及机组成员的安全。譬如在所有飞机发动机失效时，机翼转变为低速高升力型，在下坠过程中保持一定升力，保持姿态，甚至直接进入滑翔的状态，以便飞机平稳降落，尽最大可能减小地面对飞机的冲击力。

图2 非牛顿流体材料柔性机翼结构（白色部分为钛合金框架，阴影部分为非牛顿流体材料）

4 非牛顿流体机翼蒙皮的优点与不足

非牛顿流体以其特殊的性质将在未来使用中展现特殊的优点，例如传统军事飞机由于在格斗中机翼中弹而导致飞机气动性能丧失甚至飞机坠毁，而由非牛顿流体制成的机翼在被炮弹命中时弹片会穿越机翼，非牛顿流体蒙皮会在强大的气流的作用下填补机翼被弹片打出的漏洞，就如同自动补胎的轮胎一样。战机安全降落后做相应的检修，仍能恢复战机性能，飞机的可靠性大幅提升。

非牛顿流体材料的密度有望较铝合金更轻。更轻的非牛顿流体材料将使飞机更加节省燃油，增加飞机巡航距离。对于民用和军用飞机而言，大幅节省燃油费用可以用于提升旅客服务和其他飞机性能研发，促进航空事业的发展。

相伴于优点，非牛顿流体材料的应用也会带来新的问题。机翼上安装的传感器的数量将明显多于传统机翼，这不仅增加了控制系统的复杂程度，同时也增加了机翼的重量，对飞机的可靠性造成了挑战。

5 结语

传统飞机机翼由于不能方便有效地调整形状，并不能适应任意飞行情况。柔性变形机翼是当前解决飞机飞行适应性的主要方向。利用非牛顿流体材料在不同外界条件下，既可以具有流动性又可以承受较大应力的性质，选用合适的非牛顿流体材料制作柔性变形机翼蒙皮，将从根本上消除传统机翼的不足。虽然非牛顿流体材料的使用会增加控制系统的复杂性，但是它对于飞机气动性能的改进提升值得人们进一步的探索研究。