尹維龍，石慶華

（1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)研究所，哈爾濱 150080；2.航空工業(yè)復(fù)合材料技術(shù)中心，北京 101300）

自萊特兄弟首次實(shí)現(xiàn)動力飛行駕駛以來，人們就一直夢想能設(shè)計一種像鳥類翅膀那樣自由變形的飛行器，根據(jù)不同飛行狀態(tài)時時調(diào)整機(jī)翼形狀，最優(yōu)化各種飛行狀態(tài)下的氣動特性和機(jī)動性能。眾所周知，固定翼飛機(jī)機(jī)翼只能保證一個設(shè)計點(diǎn)是最優(yōu)的，機(jī)翼的幾何外形在多數(shù)情況下都不是最優(yōu)狀態(tài)，但在飛行過程中飛行參數(shù)連續(xù)變化，如在巡航時要求具有高升阻比和大機(jī)翼面積，起降時要具有高升力系數(shù)和大機(jī)翼面積，高速飛行時要具有大后掠角、小展弦比。變體飛行器的出現(xiàn)很好地解決了上述問題。鑒于變體飛行器的重要性，美國啟動了一系列研究計劃來支持該項(xiàng)技術(shù)的研究，2003年DARPA的“可變形飛機(jī)結(jié)構(gòu)（MAS）”研究計劃旨在研制一種具有結(jié)構(gòu)變形功能的新一代軍用飛機(jī)，用于執(zhí)行多種不同形式的作戰(zhàn)任務(wù)，其最終目標(biāo)是研制出一種續(xù)航能力強(qiáng)于“全球鷹”無人機(jī)、機(jī)動性優(yōu)于F/A-22 戰(zhàn)斗機(jī)的多用途飛機(jī)。

目前，變體飛行器的研究以新一代航空公司和洛克希德·馬丁公司最具代表性。新一代航空公司于2006 年和2007 年先后進(jìn)行了“滑動蒙皮”可變形無人驗(yàn)證機(jī)模型在飛行中改變機(jī)翼外形的演示試飛，該模型的蒙皮采用了低模量硅橡膠材料；在185～220km/h的飛行速度下成功地改變翼展30%、翼面積40%和后掠角從15°變化到35°。和新一代公司不同，洛克希德·馬丁公司提出了“折疊機(jī)翼”的結(jié)構(gòu)變形方案，該方案采用折疊機(jī)翼的方式來切換不同飛行環(huán)境下所需的氣動外形。當(dāng)機(jī)翼完全展開時，氣動外形處于大展弦比和小后掠角狀態(tài)，此時利于飛機(jī)起飛或巡航；當(dāng)機(jī)翼向上折疊時，此時的氣動外形處于小展弦比和大后掠角狀態(tài)，適應(yīng)高速飛行?！罢郫B機(jī)翼”方案已經(jīng)完成了原理樣機(jī)的研制，并進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)。由此可見，變體結(jié)構(gòu)技術(shù)是支撐先進(jìn)飛行器發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。

變體飛行器一個重要的技術(shù)特征就是要求機(jī)翼幾何參數(shù)如弦長、展長、后掠角和面積等大幅度變化過程中翼面始終保持光滑、連續(xù)和無縫。因此，蒙皮需要很大的變形量來保證上述技術(shù)特征的實(shí)現(xiàn)，且在變形過程中要有足夠的剛度來維持機(jī)翼的氣動外形，同時要降低對驅(qū)動器能耗的要求。布里斯托大學(xué)的Thill等[1]發(fā)表了一篇關(guān)于變形蒙皮方面的綜述性論文，指出現(xiàn)在大部分研究工作多集中在變體飛行器概念和結(jié)構(gòu)設(shè)計上，很少有涉及到變形蒙皮的問題?？梢?，變形蒙皮的研究是極其困難而又充滿挑戰(zhàn)的工作[2]。目前，變形蒙皮的實(shí)現(xiàn)途徑主要有材料自身彈性變形、通過機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)變形和基于結(jié)構(gòu)的變形蒙皮3種。

基于材料自身彈性的變形蒙皮

首先，自身具備大變形能力的材料是橡膠類材料。其中，硅橡膠具有非常好的彈性性能。硅橡膠是一種直鏈狀的高分子聚合物，其最大形變量可達(dá)200%以上。美國新一代航空公司研制的“滑動蒙皮”可變形無人驗(yàn)證機(jī)采用的變形蒙皮就是硅橡膠材料，并于2006年8月進(jìn)行了試飛，如圖1所示[3-4]。由于受到硅橡膠蒙皮承載的限制，其最大飛行速度只有54m/s。總而言之，硅橡膠蒙皮可以滿足大形變量的要求，但其低模量很難承受高的氣動載荷。雖然，一些學(xué)者采用施加預(yù)應(yīng)力的方法來提高硅橡膠蒙皮的承載能力，但是過大的預(yù)應(yīng)力會給柔性蒙皮帶來疲勞和蠕變等新問題。

另一種具有大變形能力的材料是形狀記憶聚合物。它是一種具有特殊“形狀記憶功能”的新型智能材料，已在航空航天領(lǐng)域得到了初步的應(yīng)用[5-6]。形狀記憶聚合物具有兩種不同的形狀，一種是初始形態(tài)，也稱為“記憶”形態(tài)。這種形態(tài)下，形狀記憶聚合物的彈性模量非常高。當(dāng)形狀記憶聚合物受熱、高頻光或電激勵后將切換到另外一種形態(tài)，稱為變形形態(tài)，此時形狀記憶聚合物的彈性模量非常低，且具有很大的變形量。因此，形狀記憶聚合物是一種剛度可調(diào)和具有大形變量的材料，是變形機(jī)翼實(shí)現(xiàn)大幅度變形的另外一種材料[7-10]。

形狀記憶聚合物的變形功能需要在低模量下實(shí)現(xiàn)，其高低模量之間的轉(zhuǎn)化驅(qū)動方式有很多種[11]。電驅(qū)動方式是切合實(shí)際的激勵方式，即通過電流產(chǎn)生的焦耳熱來對形狀記憶聚合物進(jìn)行驅(qū)動。洛克希德·馬丁公司在其“折疊機(jī)翼”變形方案（圖2[12]）中，嘗試了埋藏鎳鉻加熱絲的方法來對形狀記憶聚合物進(jìn)行熱驅(qū)動，并進(jìn)行了折疊試驗(yàn)[12-14]。試驗(yàn)結(jié)果表明這種加熱方式可以使溫度達(dá)到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，但是在折疊試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)加熱絲經(jīng)過多次循環(huán)使用后出現(xiàn)了斷裂。為了克服上述問題，有學(xué)者將電阻加熱絲以彈簧的形式埋在形狀記憶聚合物中[15]。彈簧結(jié)構(gòu)克服了直加熱絲無法拉伸變形和加熱不均勻等問題；同時，在可變弦長機(jī)翼模型進(jìn)行了驅(qū)動變形試驗(yàn)，結(jié)果表明這種加熱方式是可行的。在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，電加熱絲與形狀記憶聚合物基體之間的不相容性，導(dǎo)致在變形過程中二者之間容易出現(xiàn)分離。劉京藏[16]等提出了氨綸纖維增強(qiáng)形狀記憶復(fù)合材料，極大地改善了單一形狀記憶聚合物最為變形蒙皮存在易撕裂、連接困難等問題。

圖1 “滑動蒙皮”變形無人驗(yàn)證機(jī)Fig.1 “Sliding wing ” morphing aircraft

圖2 “折疊翼”翼縫所采用的形狀記憶聚合物Fig.2 Shape memory polymer used by folding wing

為了提高單一柔性材料的承載能力，Gandhi等[17-18]提出了一種柔性基體纖維增強(qiáng)復(fù)合材料變形蒙皮，如圖3[17]所示。該設(shè)計中纖維與蒙皮變形方向的鋪設(shè)角不為零，當(dāng)蒙皮拉伸或壓縮時，該鋪設(shè)角會發(fā)生相應(yīng)的變化，在柔性基體（如橡膠等）保護(hù)下產(chǎn)生整體變形。但是，這種蒙皮存在明顯的泊松效應(yīng)，即一個方向發(fā)生拉伸變形時，另一個方向上具有明顯的收縮變形。

圖3 柔性基體復(fù)合材料Fig.3 Flexible matrix composite

基于機(jī)構(gòu)的變形蒙皮

和材料自身彈性變形不同，這種方式是通過相鄰剛性蒙皮片段之間的滑動或轉(zhuǎn)動來實(shí)現(xiàn)變形，而蒙皮片段自身的形變量并不大。在可變形機(jī)翼研究的初期，采用的就是這種變形方式的蒙皮，稱為“魚鱗疊片”，通過各個疊片之間的相互滑動來實(shí)現(xiàn)蒙皮的整體變形。“魚鱗疊片”變形蒙皮的最大特點(diǎn)是承載和變形滿足設(shè)計要求，但是在變形過程中各個疊片之間的臺階和縫隙使得翼面光滑性和氣密性無法滿足，進(jìn)而減小了變形機(jī)翼帶來的氣動收益。圖4為一種“魚鱗疊片”變形蒙皮，通過各個剛性薄板之間的相互滑動來實(shí)現(xiàn)變形[19]。Peel等[20]設(shè)計的變彎度機(jī)翼方案中下翼面采用了“疊片式”蒙皮，如圖5所示。另外，還可以通過轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)大變形。例如卷簾門機(jī)構(gòu)，通過控制中樞軸的轉(zhuǎn)動來控制蒙皮的長度變化。這種變形蒙皮的形變量非常大，但是依然存在整體氣密性、轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)與變形結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)控制等問題。

圖4 “魚鱗疊片”變形蒙皮Fig.4 Fish skin

基于結(jié)構(gòu)的變形蒙皮

這種變形方式是指通過特定形狀的結(jié)構(gòu)來放大母體材料的小應(yīng)變變形，通過彎曲變形來獲得更大的面內(nèi)拉伸變形。典型的結(jié)構(gòu)有波紋結(jié)構(gòu)和蜂窩結(jié)構(gòu)等。圖6是波紋結(jié)構(gòu)的示意圖，每個波紋在沿波紋方向力的作用下會產(chǎn)生擴(kuò)張或收縮變形，多個波紋的變形累積使得這種結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的變形遠(yuǎn)大于平板；而在垂直于波紋的方向，波紋結(jié)構(gòu)具有較高的抗彎剛度，可承受較大的氣動載荷。但是，波紋的溝槽結(jié)構(gòu)影響了翼面的光滑性，可以用橡膠材料來填充溝槽。同時，為了使這種結(jié)構(gòu)具有更加明顯的各向異性特性，可以在波紋結(jié)構(gòu)內(nèi)安置一些細(xì)桿，如圖7[21]所示。Thill，Yokozeki和王幫峰課題組在波紋式變形蒙皮結(jié)構(gòu)方面做了大量的研究工作[21-26]。值得注意的是，波紋式結(jié)構(gòu)的變形是單向的，且柔性基體與波紋結(jié)構(gòu)之間易產(chǎn)生脫層。

圖5 “疊片式”蒙皮的應(yīng)用Fig.5 Application of semi-rigid skin

圖6 波紋結(jié)構(gòu)Fig.6 Corrugated structure

圖7 復(fù)合式波紋結(jié)構(gòu)Fig.7 Composite corrugated structure

蜂窩結(jié)構(gòu)可以通過蜂窩壁的彎曲變形來實(shí)現(xiàn)平面內(nèi)的大變形。Olympio等[27-30]提出了基于變形蜂窩的復(fù)合式蒙皮結(jié)構(gòu)。為了保證蒙皮表面的光滑性，分別提出了3種復(fù)合方案[31]，即：硅橡膠填充蜂窩空隙、柔性表層和剛性表層（圖8[30]）。中間層的蜂窩芯起到承受氣動載荷的作用。蜂窩芯的結(jié)構(gòu)形式可以通過結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的方法來獲得[31-33]。為了消除蜂窩芯在變形過程中的泊松效應(yīng)，Olympio等[34]設(shè)計了一種零泊松比的蜂窩（圖9）。為了減小變形結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力，最大限度地提高蜂窩結(jié)構(gòu)的變形能力，Mehta等設(shè)計一種應(yīng)力減緩蜂窩結(jié)構(gòu)[35]。張平等[36]設(shè)計了一種柔性蜂窩結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了有限元分析。董二寶[37]在蜂窩芯復(fù)合蒙皮結(jié)構(gòu)原理與優(yōu)化設(shè)計方面開展了一些研究工作。尹維龍等[38]推導(dǎo)了變形蜂窩設(shè)計參數(shù)合理范圍的解析，解釋了變形蜂窩的變形機(jī)理，為蜂窩在變形結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用提供了必要的理論依據(jù)。值得注意的是，復(fù)合式蒙皮結(jié)構(gòu)存在著蜂窩結(jié)構(gòu)與基體材料之間的膠連、二者的變形協(xié)調(diào)等方面的問題亟待解決。

為了兼顧變形蒙皮的變形功能和承載能力，Edward[39]提出了一種單向變形的組合式蒙皮結(jié)構(gòu)。由柔性基體復(fù)合材料、蜂窩和碳棒組成，如圖10（a）所示。圖10（b）為這種組合式蒙皮結(jié)構(gòu)的變形原理。柔性復(fù)合材料表層通過膠粘的方法與蜂窩結(jié)構(gòu)相連，保證了結(jié)構(gòu)變形過程中蒙皮表面的光滑性。蜂窩結(jié)構(gòu)中間的碳棒起到增加蒙皮抗彎剛度的作用。實(shí)際上，這種蒙皮結(jié)構(gòu)是上述3種變形技術(shù)途經(jīng)的組合。

現(xiàn)有變形蒙皮的性能對比

從形變量、氣密性、承載能力和變形所需要的驅(qū)動力等幾個方面對現(xiàn)有變形蒙皮材料與結(jié)構(gòu)進(jìn)行了歸納，如表1所示。可以看出，硅橡膠材料、形狀記憶聚合物、魚鱗疊片、卷簾門機(jī)構(gòu)和組合式蒙皮結(jié)構(gòu)的形變量超過了50%。從氣密性的角度看，只有魚鱗疊片無法保證蒙皮表面的氣密性，其他幾種材料和結(jié)構(gòu)均具有較好的氣密性。所列舉的幾種變形蒙皮材料與結(jié)構(gòu)中，硅橡膠蒙皮的承載能力最差，波紋結(jié)構(gòu)、蜂窩復(fù)合式結(jié)構(gòu)和組合式蒙皮結(jié)構(gòu)的承載能力最好。從變形所需要的驅(qū)動力看，卷簾門機(jī)構(gòu)的驅(qū)動力最小，那是因?yàn)槊善げ牧媳旧聿⒉话l(fā)生形變，只要驅(qū)動轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)；波紋結(jié)構(gòu)和蜂窩復(fù)合式結(jié)構(gòu)的驅(qū)動力最大，因?yàn)槊善ぴ谧冃芜^程中要克服波紋結(jié)構(gòu)或蜂窩結(jié)構(gòu)的變形，所以要在這些結(jié)構(gòu)儲存大量的應(yīng)變能。

變體飛行器（主要指機(jī)翼的變形）的變形方式主要有柔性變彎度、展向大變形、弦向大變形和剪切后掠等幾種[40]?？梢钥闯?，能夠同時實(shí)現(xiàn)上述4種變形方式的材料與結(jié)構(gòu)有硅橡膠材料、形狀記憶聚合物、魚鱗疊片和蜂窩復(fù)合式結(jié)構(gòu)。對于柔性變彎度機(jī)翼而言，只有組合式蒙皮結(jié)構(gòu)不適合，那是因?yàn)樘及舻拇嬖跇O大限制了蒙皮結(jié)構(gòu)的彎曲變形。綜合考慮形變量、氣密性、承載能力和變形所需要的驅(qū)動力等多方面因素，對某一種變形方式而言，沒有一種蒙皮材料或結(jié)構(gòu)能夠滿足上述要求的。因此，在變形蒙皮的選擇上必須進(jìn)行折中處理。形狀記憶聚合物、柔性基體復(fù)合材料、波紋結(jié)構(gòu)和蜂窩復(fù)合式結(jié)構(gòu)比較適合柔性變彎度機(jī)翼；組合式蒙皮結(jié)構(gòu)比較適合展向大變形，此時蒙皮結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生彎曲變形；卷簾門機(jī)構(gòu)和形狀記憶聚合物比較適合弦向大變形；對于剪切后掠變形而言，形狀記憶聚合物和蜂窩復(fù)合式結(jié)構(gòu)是比較適合的。

圖8 復(fù)合式變形蒙皮結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Morphing skin with cellular honeycomb cores

圖9 零泊松比的蜂窩結(jié)構(gòu)Fig.9 Zero-v cellular honeycomb

圖10 組合式變形蒙皮結(jié)構(gòu)Fig.10 Passive 1D morphing aircraft skin

表1 現(xiàn)有變形蒙皮材料與結(jié)構(gòu)的比較

結(jié)論

本文以變形方式和年代為主線總結(jié)歸納了變體飛行器蒙皮材料與結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷程和研究現(xiàn)狀，并從形變量、氣密性、承載能力和驅(qū)動能量等幾個方面對現(xiàn)有的幾種蒙皮材料與結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對比分析?？梢钥闯?，單一材料很難滿足變體飛行器蒙皮的承載要求，基于機(jī)構(gòu)的變形蒙皮滿足不了光滑性和氣密性要求。因此，復(fù)合化是變形蒙皮未來發(fā)展的必然趨勢，針對變形蒙皮的形變量、剛度特性、光滑性、氣密性和耐候性等設(shè)計要求，進(jìn)行復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計來滿足上述要求。

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