斯里德哈爾·科塔

飛機(jī)使用可變形的機(jī)翼代替?zhèn)鹘y(tǒng)的剛性機(jī)翼，可以減少噪音并節(jié)省燃料。

一個多世紀(jì)前，航空業(yè)的先驅(qū)想出了一種使用帶襟翼的剛性機(jī)翼來產(chǎn)生足夠升力的方法，從而將笨重的飛機(jī)送上了天空。這是人類歷史上最偉大的進(jìn)步之一，也是交通運輸新時代的開始。飛機(jī)以及依靠飛機(jī)的航空業(yè)目前已經(jīng)成為世界上最大的行業(yè)之一，航空旅行每年的收入超過7000億美元。

然而，商業(yè)航空公司在燃料方面的支出超過了其運營成本的25%，使得航空業(yè)一直以利潤微薄而著稱，2016年的利潤只有390億美元。與此同時，現(xiàn)代飛機(jī)機(jī)翼和發(fā)動機(jī)的效率已經(jīng)達(dá)到了接近頂峰的水平，因此要想再在這兩個方面提高效益來節(jié)省開支，對工程師來說是極其困難的。

不過，還是存在一種非常有希望的方法，那就是在飛行過程中改變飛機(jī)機(jī)翼的形狀。30年來，航空公司、大學(xué)以及國防實驗室的工程師一直致力研究可以瞬間精確地調(diào)整自身形狀的可變形飛機(jī)機(jī)翼，以提高燃油效率。采用這種新型機(jī)翼，飛機(jī)設(shè)計師就可以根據(jù)速度、高度、空氣溫度和其他飛行條件來提高飛機(jī)的升阻比（即飛機(jī)飛行時升力與阻力之比，是表示飛機(jī)氣動效率的一個重要參數(shù)），從而使飛機(jī)更接近最佳性能。

20世紀(jì)80年代中期，美國空軍測試了波音公司制造并安裝在F-111型超音速戰(zhàn)斗轟炸機(jī)上的一種任務(wù)自適應(yīng)機(jī)翼（指在飛行中可根據(jù)飛行情況自動改變幾何參數(shù)以獲得最優(yōu)性能的機(jī)翼）。這種機(jī)翼利用自動化控制系統(tǒng)來改變覆蓋在機(jī)翼表面的薄膜材料的形狀，以改變機(jī)翼曲率，從而將超音速飛行的阻力減少了20%以上。遺憾的是，這種技術(shù)增加了飛機(jī)的重量和功率需求，以致飛機(jī)的整體效率降低。1996年至2005年，美國空軍與美國航空航天局合作開發(fā)了一種主動氣動彈性機(jī)翼。這種機(jī)翼利用氣流的力量來扭轉(zhuǎn)自身，從而在高速飛行過程中可以更好地實現(xiàn)滾動控制。但這項技術(shù)只適用于戰(zhàn)斗機(jī)，而最終失去了支持。

從那以后，可變形機(jī)翼的概念逐漸成熟起來。我和同事已經(jīng)制造了一種可控制變形的翼面。近期對灣流Ⅲ型噴氣式飛機(jī)進(jìn)行的測試表明，通過將機(jī)翼的傳統(tǒng)襟翼位置替換為可變形翼面，能夠減小飛行阻力，并將飛機(jī)的燃油效率提高12%左右?？勺冃我砻嬲{(diào)整了機(jī)翼后緣的曲率，從而在整個測試飛行過程中達(dá)到最佳的升阻比。美國航空航天局和其他研究人員進(jìn)行的分析表明，除了可以節(jié)約燃料之外，采用這種翼面還可以降低飛機(jī)在降落時的噪音，甚至還可能減少飛行過程中的顛簸。研究表明，這樣的可變形翼面可以完全替代傳統(tǒng)機(jī)翼上的襟翼，不論是在全新制造的飛機(jī)上，還是目前正在使用的商用飛機(jī)上。

可變形機(jī)翼解決了固定剛性機(jī)翼飛行中的一個老問題。飛機(jī)需要將升力和阻力最合理地結(jié)合才能應(yīng)對不斷變化的飛行條件。一般來說，飛行員的目標(biāo)是減少阻力以節(jié)約燃料。然而，目前設(shè)計的飛機(jī)機(jī)翼只有在一種特定的飛行條件下才能達(dá)到最小的阻力，這取決于飛機(jī)預(yù)期的巡航重量、飛行速度、飛行高度和航程。當(dāng)飛行條件發(fā)生改變時，對襟翼和其他控制翼面進(jìn)行調(diào)整，只能非常有限地改善升阻比。

與傳統(tǒng)的機(jī)翼不同，具有形狀變化控制翼面的機(jī)翼可以最大限度地減少各種條件下的阻力——這是在商業(yè)飛機(jī)上從來沒有實現(xiàn)過的一個創(chuàng)新。我們最先進(jìn)的技術(shù)是將可變形翼面與飛機(jī)的現(xiàn)有襟翼以及機(jī)翼的后緣進(jìn)行整合，或者將可變形翼面安裝在新飛機(jī)的襟翼位置處。如果一切順利的話，我們將能夠在未來3年內(nèi)利用一架商業(yè)客機(jī)進(jìn)行測試。

我是在20世紀(jì)90年代初的一個下雨天，在密歇根州開車時產(chǎn)生研發(fā)可變形機(jī)翼的靈感的。當(dāng)時，汽車風(fēng)擋玻璃上的雨刮器正在來回擺動，我發(fā)現(xiàn)它們的形狀并不貼合玻璃表面。這使我意識到，即使在為有弧度的風(fēng)擋玻璃設(shè)計雨刮器時，工程師仍然使用筆直的剛性部件，并且利用易損和容易斷裂的接頭進(jìn)行連接。

于是我開始考慮哪些物體可以通過改變形狀來提高性能。我曾經(jīng)參加過一個關(guān)于飛機(jī)機(jī)翼的設(shè)計課程，并且知道在設(shè)計新飛機(jī)時，航空工程師都設(shè)定機(jī)翼的形狀在飛行過程中不會發(fā)生改變。但是在我看來，無鉸鏈、無縫隙、可改變形狀的機(jī)翼能夠在更多的飛行條件下提高燃油效率。

傳統(tǒng)的飛機(jī)機(jī)翼是相對剛性的結(jié)構(gòu)，具有各種可移動的控制翼面：襟翼、副翼和擾流板。襟翼是安裝在機(jī)翼后緣的翼片，用于飛機(jī)起飛和降落這種低速情況下產(chǎn)生升力。副翼是安裝在機(jī)翼翼梢后緣外側(cè)的翼面，兩側(cè)各有一個，成對操作，左右兩個副翼總是差動偏轉(zhuǎn)（即一個向上偏，一個向下偏），從而使飛機(jī)進(jìn)行橫滾轉(zhuǎn)向。擾流板是位于機(jī)翼上端的面板，當(dāng)飛機(jī)降落時向上打開，可以增加阻力，使飛機(jī)更快地降落。

雖然這些控制翼面工作良好，但是它們只能夠擺動而不能改變形狀。襟翼在飛行過程中通常不會展開，因為它們與機(jī)翼之間的連接存在許多縫隙，這會導(dǎo)致增加阻力。雖然一些新的飛機(jī)允許飛行員在巡航時對副翼和襟翼進(jìn)行微小的調(diào)整以減少阻力，但是在更高的溫度、高度和風(fēng)速等條件下，飛行員仍然無法真正改善傳統(tǒng)機(jī)翼的空氣動力學(xué)性能。這類似于騎自行車沖向山頂時設(shè)定了錯誤的檔位——雖然你可能會到達(dá)那里，但與切換到較低的檔位相比，其花費的力氣要大得多。

一架飛機(jī)也可以通過改變其機(jī)翼的形狀來換擋，從而獲得更佳的升阻比。要了解這種方法是如何起作用的，首先要明白機(jī)翼是如何產(chǎn)生升力的。標(biāo)準(zhǔn)飛機(jī)機(jī)翼上表面的彎曲弧度要大于下表面，這樣就可以使大量的空氣向下方移動，從而產(chǎn)生升力。機(jī)翼的彎曲上表面的作用主要是向下推空氣，所以在一定程度上增加這一表面的彎曲弧度（曲率）可以提高飛機(jī)的升阻比。

對任何飛機(jī)來說，綜合其重量、高度和速度，都存在一個理想的機(jī)翼弧度，可以提供所需的升力，同時達(dá)到最低的阻力。大部分空氣動力學(xué)研究已經(jīng)表明，進(jìn)行哪些弧度調(diào)整可以在特定條件下提供最佳性能。但是，那些進(jìn)行這項理論研究的專家，直到現(xiàn)在都還無法將這些研究應(yīng)用在真正的飛機(jī)上。

與帶有襟翼的剛性機(jī)翼不同，可變形機(jī)翼可以順利地調(diào)整其弧度，從而減少飛行過程中的阻力。事實上，可變形機(jī)翼可以應(yīng)用的姿勢要比帶有傳統(tǒng)襟翼的機(jī)翼更多，能夠更加精確地控制飛機(jī)的升阻比，以滿足不斷改變的飛行需求。而且，如果靈活控制的翼面能夠與機(jī)翼的其他部分完美地結(jié)合，這些調(diào)整將不會由于突出的連接部分和鉸鏈而產(chǎn)生額外的阻力。

能夠在飛行過程中改變彎曲弧度的機(jī)翼，使飛機(jī)設(shè)計人員可以根據(jù)飛機(jī)在具體條件下所需的升力大小來調(diào)整阻力。例如，在飛行過程中由于燃料的消耗減少了總體的燃料重量，所以飛機(jī)所需的升力逐漸減小。目前，飛行員是通過降低飛機(jī)的迎角（也就是飛機(jī)機(jī)翼與迎面而來的氣流之間的夾角）來應(yīng)對重量的減少。可變形機(jī)翼可以通過在整個飛行過程中不斷改變機(jī)翼后緣的表面形狀來實現(xiàn)其當(dāng)前燃料重量時的最佳彎曲弧度。

飛機(jī)在不同飛行條件下的飛行能力非常重要，因為航空規(guī)則限制了飛機(jī)的飛行速度和高度。例如在美國，聯(lián)邦航空管理局規(guī)定向北和向東的航線的飛行高度均為奇數(shù)（比如9500米），而向南和向西的航線飛行高度都為偶數(shù)。飛機(jī)在巡航時的速度和高度基本上不是空氣動力學(xué)上的最佳組合，但是可變形機(jī)翼可以在任何指定的高度或速度下更有效地飛行。

除了能夠減少阻力以外，可以改變形狀的機(jī)翼還有另外一個特別使乘客感到滿意的潛在優(yōu)點，那就是它們可以抑制機(jī)身遇到湍流時發(fā)生的顛簸。這可以通過以正確的方式扭轉(zhuǎn)機(jī)翼的后緣來減少由湍流引起的負(fù)載，從而使傳遞到機(jī)身的振動達(dá)到最小化。這種扭轉(zhuǎn)將由精密的飛行控制系統(tǒng)自動完成。

1994年，當(dāng)我開始在家里的辦公室繪制可變形機(jī)翼的原始圖樣時，并沒有航空航天工程的背景，也不知道在我之前有許多可變形機(jī)翼設(shè)計的失敗案例。我后來得知，這些早期的設(shè)計十分復(fù)雜，要將數(shù)百個零部件和幾十臺電機(jī)整合在一起。

從一開始，我就決心讓我的設(shè)計堅固而又靈活，不使用連接部件或者鉸鏈，并且利用一塊完整的材料制造。它由一臺或兩臺電動機(jī)驅(qū)動，能夠完成所有必要的飛行功能，同時承受重型飛機(jī)在高速飛行時產(chǎn)生的巨大空氣動力壓力。

這時，我仍然利用業(yè)余時間在家里工作，沒有得到外部資金的幫助。但是，在我完成第一批草圖之后不久，我在一本雜志上讀到了一篇文章，說美國軍方正在位于俄亥俄州代頓的賴特·帕特森空軍基地研發(fā)可變形的飛機(jī)機(jī)翼。我參觀了這個基地，并向研究團(tuán)隊展示了我的設(shè)計。然后在1998年，賴特·帕特森空軍基地的空軍研究實驗室給了我一份價值10萬美元的合同，對研發(fā)可變形機(jī)翼進(jìn)行可行性分析。當(dāng)時我并不知道，美國政府將在未來18年投資超過5000萬美元對我的技術(shù)概念進(jìn)行各種風(fēng)洞和飛行測試，那10萬美元只是第一筆資金。

于是，我把來自空軍研究實驗室的首筆資金用于設(shè)計，并迅速制造出一個塑料機(jī)翼模型（采用的是現(xiàn)在稱為3D打印的技術(shù)），并且租用了密歇根大學(xué)（我是這所大學(xué)的機(jī)械工程教授）的一個風(fēng)洞進(jìn)行一些基本測試。我設(shè)計的機(jī)翼模型在這個風(fēng)洞試驗中運行良好，顯示出了可擴(kuò)展性。因此，2001年，美國空軍又給了我另外一個合同，投入了更多的資金，用于設(shè)計和制造一個可在更高風(fēng)速條件下進(jìn)行測試的更大的原型機(jī)翼。

這個時候，我在密歇根州的安娜堡創(chuàng)建了Flex Sys公司，并將我設(shè)計的機(jī)翼命名為FlexFoil。在對更大的原型機(jī)翼成功進(jìn)行了幾次試驗以后，空軍合作方表示，他們準(zhǔn)備在“白色騎士”號飛機(jī)上進(jìn)行真正的飛行測試。

為了安全起見，我們在飛機(jī)的底部垂直懸掛了一個127厘米長的鋁制FlexFoil控制翼面，而不是將其直接連接到飛機(jī)的機(jī)翼上。在飛行過程中，我們在機(jī)艙里遠(yuǎn)程操縱FlexFoil的彎曲弧度和形狀，并通過安裝在懸掛的原型機(jī)翼上的壓力端口（用于測量升力和阻力）和熱傳感器來監(jiān)測其性能。

2006年夏天，我們使用“白色騎士”號飛機(jī)在美國西南部的莫哈韋沙漠進(jìn)行了多次測試。所有測試都表明，F(xiàn)lexFoil可以明顯減少阻力，同時能夠承受飛行過程中的壓力和溫度波動。測試還顯示，從起飛到降落的每個階段，F(xiàn)lex Foil都可以在給定升力的情況下減小阻力。美國航空航天局進(jìn)行的另一項分析表明，利用這一技術(shù)可以使飛機(jī)的升阻比提高10%左右。

最好的消息是：這些飛行中收集到的測量結(jié)果表明，如果在新飛機(jī)的襟翼位置安裝FlexFoil，能夠?qū)⑷加托侍岣?%至12%；如果是對現(xiàn)有飛機(jī)進(jìn)行改裝，將FlexFoil與機(jī)翼后緣的襟翼進(jìn)行整合，也可以將燃油效率提高3%左右。相比之下，最近安裝在許多飛機(jī)上的新型翼梢小翼，每對至少花費100萬美元，卻只能節(jié)省4%至5%的燃料。

受到這一成功的鼓舞，2009年，賴特·帕特森空軍基地的空軍研究實驗室和美國航空航天局要求我們對一架灣流Ⅲ型噴氣式飛機(jī)進(jìn)行改裝。這一次的任務(wù)是在飛機(jī)的機(jī)翼上安裝FlexFoil并進(jìn)行測試， 而不是像“白色騎士”號上進(jìn)行的測試那樣將它懸掛在機(jī)翼下方。

在這一輪的測試中，我們制作了一個新的原型機(jī)翼，并用長7米、可覆蓋整個機(jī)翼后緣的FlexFoil替代了原有的襟翼。這樣的方式類似于我們在全新飛機(jī)上的安裝方式。

這次的原型機(jī)翼由普通的航空級材料，例如鋁合金和復(fù)合材料制成。我們使用自己團(tuán)隊開發(fā)的工具和算法進(jìn)行設(shè)計，這使得我們可以將彎曲和筆直的板條按照一定結(jié)構(gòu)進(jìn)行裝配，使每根板條都能夠像弓一樣彎曲。這樣的結(jié)構(gòu)就是FlexFoil可變形機(jī)翼的內(nèi)部框架。向這一結(jié)構(gòu)的一個點或者兩個點施加作用力，整個機(jī)翼表面就會改變形狀，至于形變量，取決于施加作用力的強(qiáng)度和具體位置。

最后制成的控制翼面重約110克，與被它替代的襟翼和相應(yīng)導(dǎo)軌的重量大致相同。翼面所有的彈性裝置都像手風(fēng)琴一樣與機(jī)翼連接，可根據(jù)FlexFoil的變形來擴(kuò)展和收縮，沒有外部的連接部件或鉸鏈阻礙空氣的流動。

美國航空航天局的聲學(xué)專家預(yù)測，這樣的無縫連接結(jié)構(gòu)使FlexFoil可以將飛機(jī)著陸時的噪音降低40%左右。飛機(jī)在著陸過程中，由于氣流穿過傳統(tǒng)襟翼和機(jī)翼之間的縫隙，產(chǎn)生的機(jī)體噪音比發(fā)動機(jī)噪音要大得多。

在傳統(tǒng)的飛機(jī)機(jī)翼中，襟翼由一對液壓缸驅(qū)動。為了簡單起見，我們的原型機(jī)翼也被設(shè)計為連接這些液壓缸。我設(shè)想的商業(yè)版本，是使用飛行控制系統(tǒng)就能改變FlexFoil的彎度，每個機(jī)翼只需使用一臺電動機(jī)，而改變其形狀需要使用兩臺電動機(jī)（一臺用于拉，一臺用于推）。由于這些電動機(jī)原來已經(jīng)安裝在普通的大型飛機(jī)機(jī)翼中，所以這種設(shè)計不需要進(jìn)行額外的測試。

在空軍方面邀請我們對灣流Ⅲ型噴氣式飛機(jī)進(jìn)行改裝之后，我們用了5年時間完成了第一次飛行所需的設(shè)計、安裝、地面測試和調(diào)度。美國航空航天局再次在FlexFoil和飛機(jī)上安裝了全套儀器儀表來記錄飛行狀況，并測量該技術(shù)在高風(fēng)速、低溫和空氣壓力突然變化情況下的運行情況。僅在FlexFoil上就安裝了112個應(yīng)變儀、60個加速計和足夠多的傳感器，可以在每次飛行中收集超過4300個數(shù)據(jù)點的數(shù)據(jù)。

2014年11月6日，裝有世界上第一對現(xiàn)代化可變形機(jī)翼的灣流Ⅲ型噴氣式飛機(jī)在加利福尼亞州高原沙漠升向天空。為了安全起見，我們并沒有在整個飛行過程中改變機(jī)翼的形狀，而是在地面上遠(yuǎn)程控制FlexFoil。在位于加利福尼亞州愛德華茲的美國航空航天局阿姆斯特朗飛行研究中心進(jìn)行的22次飛行中，這些機(jī)翼的傾角能夠在2°至32°之間變化，也就是可以改變其彎曲弧度。

之后，我們的測試數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)FlexFoil彎曲至傳統(tǒng)襟翼所處的角度時，可以產(chǎn)生最大5000千克的升力。在一系列測試中，飛機(jī)承受了最大達(dá)到每平方米1875千克的動態(tài)氣壓，這一數(shù)字遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過任何傳統(tǒng)的商用飛機(jī)。在各種情況下，都顯示FlexFoil性能良好。

測試數(shù)據(jù)表明，F(xiàn)lexFoil能夠承受-53℃至82℃的溫度范圍，預(yù)計使用壽命是普通商業(yè)飛機(jī)機(jī)翼的5倍。這些結(jié)果顯示，F(xiàn)lexFoil更實用、輕便且使用壽命長，能夠?qū)嶋H應(yīng)用于現(xiàn)代商用飛機(jī)，在多種飛行條件下展現(xiàn)出頂尖的性能。

目前，我們的首要任務(wù)是讓航空業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者了解我們的可變形機(jī)翼的優(yōu)點和可靠性， 而做到這一點并不容易， 因為他們對全新的技術(shù)總是持非常謹(jǐn)慎的態(tài)度。2015年11月，我們與西雅圖市的AviationPartners公司合資經(jīng)營，向航空公司銷售能夠提高燃油效率的翼梢小翼。為了將FlexFoil商業(yè)化，我們聯(lián)合組建了一家名為AviationPartnersFlexSys的新公司，計劃于2020年在商用飛機(jī)上對FlexFoil進(jìn)行測試。

這項技術(shù)也可以應(yīng)用于下一代飛機(jī)。航空業(yè)專家預(yù)測，下一代飛機(jī)有可能采用無縫隙設(shè)計，機(jī)翼和機(jī)身將結(jié)合在一起。美國波音公司和美國航空航天局已經(jīng)試驗了具有未來特點的混合機(jī)翼飛機(jī)，F(xiàn)lexFoil可以轉(zhuǎn)變成一種非常平穩(wěn)、安靜和高效的飛行工具。

在更遙遠(yuǎn)的未來，我們的靈活控制翼面可以在固定翼飛機(jī)以外的領(lǐng)域中得到應(yīng)用。任何通過空氣或水進(jìn)行運動的物體都可以從中受益。我與我的同事已經(jīng)開發(fā)出了直升機(jī)螺旋槳葉片的原型，每轉(zhuǎn)動一次會使其前緣和后緣變形，從而提高其性能。早期的研究表明，這些螺旋槳葉片可以每秒變形15次，這可以提高直升機(jī)的升阻比并且減少振動。其他方面的應(yīng)用可能包括潛水艇、汽車和風(fēng)力渦輪機(jī)的組件。