智能柔性变形机翼技术的应用与发展

“机翼”是决定飞机性能的关键部件。传统飞机一般根据特定飞行任务和环境条件下的空气动力学特性设计机翼的总体布局和形状参数，并采用轻量化、高强度和固定式的材料结构制造，利用电传感技术感知各种载荷。这种固定式刚性机翼可以通过襟翼、前缘缝翼等机构的简单刚性变形使飞机在特定飞行条件下改善其空气动力学性能。但是，固定机翼的局部刚性变形会使翼型截面几何廓形产生非连续变化和曲率突变，影响气动特性。更大的问题在于飞行环境参数是连续变化的，固定式机翼通常只能在一个设计点达到最优气动性能，大多数情况下性能不佳，在提升飞行性能和多任务适应性等方面存在瓶颈。

近年来，随着军事侦察打击、远程运输和医疗救灾等对飞行器性能要求的不断提高和技术的发展(尤其是无人机的应用发展)，先进飞行器向着智能化、高效能化和侦查/打击一体多任务化的方向发展。这种情况下，传统的固定式机翼技术逐渐无法满足应用需求，能够适应多种飞行任务和不同环境条件并达到最优飞行性能的变形机翼技术受到日益广泛的关注和研究。

目前，变形机翼已经成为未来先进航空飞行器的重要特征和发展方向。与固定式机翼不同，变形机翼可以根据不同的飞行任务和飞行环境条件改变机翼形状进而获得最优的飞行性能。利用变形机翼可使一架飞机高性能地执行多种任务，高效地完成通常需要不同飞机执行的不同属性的任务或组合型任务，同时在飞行过程中改变机翼的气动外形，适应不同的飞行环境和条件，达到最优效能。

为满足上述应用要求，变形机翼在性能上要求能够进行连续性、大尺度、多自由度、高速率的主动变形，并实时感知飞行载荷和气动外形变化，这使其在设计制造上不能采用传统方式，需要研究采用新型的材料、结构和驱动控制与传感技术，使变形机翼在功能性、承载性和可靠性上符合实际飞行的性能要求。然而，受限于蒙皮材料与结构、变形驱动和传感控制等关键技术的发展水平和应用性能，变形机翼技术经过几十年的研究仍然没有达到预期的性能要求和应用效果，存在的主要问题主要如下：利用传统蒙皮、机械机构和电动机控制方式制作的变形机构及驱动装置增加了机翼的重量和机械复杂度，影响系统可靠性；利用智能材料与结构制作的变形机构及驱动系统难以在气动载荷承载性、驱动力和重复可靠性等方面均达到应用要求；缺少能够感知飞行载荷和气动外形的柔性传感技术与系统，以及可演算最优气动外形并主动自适应变形的控制技术。

近年来，随着智能材料与结构和新型传感控制技术的快速发展，智能蒙皮材料、柔性变形机构和分布驱动控制与柔性传感技术等方面的研究都取得了进展，这促进了新型的自适应变形机翼技术的研究与发展，具备柔性变形和智能感知与控制能力的变形机翼逐渐能够得以实现，这使得未来变体飞行器有望进入智能化自适应飞行的新阶段。当前研究的典型案例如下：美国国防高级研究计划局(DARPA)研究了基于形状记忆合金、形状记忆聚合物和柔性蜂窝芯等智能材料与结构的柔性变形机翼。美国宇航局(NASA)完成了弦向弯曲变形机翼的飞行测试。目前，虽然国内外学者在变形机翼相关方面已开展大量研究，取得了一定进展，但是仍然存在若干问题限制了技术的应用发展，亟待探讨解决方法。