李仕鵬

（巴彥淖爾市第一中學，內蒙古 巴彥淖爾 015000）

飛機是20世紀最為重要的發(fā)明之一，它的出現(xiàn)對人類社會的發(fā)展有著至關重要的作用。不論是民用運輸還是軍事戰(zhàn)爭，人們對飛機的性能要求越來越高。影響飛機飛行性能的部件很多，重要部件之一當屬飛機機翼，它是飛機飛翔升力的來源，同時還影響著飛機的操控性。機翼的參數(shù)細節(jié)直接決定了飛機氣動性能，例如減小展弦比可以提升飛機的最大速度，而增大展弦比可以增加飛機升阻比提高續(xù)航能力。傳統(tǒng)飛機的機翼形狀不可變化，在設計時只能把機翼參數(shù)調整為針對某一特定目標，而不能兼顧多種目標。隨著電子技術和材料技術的進步，人們開始設計可以變形的機翼，進而實現(xiàn)飛機在不同飛行條件下都能夠有很好的氣動性能。當前實現(xiàn)機翼變形的技術主要分為兩類，一類是剛性變形，另一類是柔性變形。剛性變形飛機通常采用桿式鉸鏈實現(xiàn)變形，其使用的機翼蒙皮是剛性的鋁合金材料加工而成。比較著名的剛性變形飛機有Tu-160超音速轟炸機，其在起降時主翼后掠20°，巡航時主翼后掠35°，高速飛行時主翼后掠65°。目前剛性變形飛機已經(jīng)在軍事和民用大范圍使用，但是由于變形機構結構復雜且材料重量大，不僅降低了飛行可靠性，而且明顯增加了飛機重量。另外，由于剛性材料在連接位置通常存在空隙，這些空隙會造成掠過機翼的氣流產(chǎn)生分離，進一步影響飛機氣動性能。為了解決剛性變形飛機的種種問題，人們想到了利用柔性材料制造機翼，相關領域越來越受到關注。

1 柔性變形飛機機翼對蒙皮的要求

柔性變形飛機機翼包含變形機構、作動器和包裹在外部的蒙皮。變形機構帶動機翼改變形狀，作動器為變形機構提供能量，蒙皮隨機翼結構變形而變形維持機翼表面的連續(xù)性。傳統(tǒng)蒙皮材料，例如鋁合金，面內剛度較大，不能及時跟進機翼結構變化。柔性變形機翼蒙皮必須使用新材料，新材料應具有以下性質。

（1）法向剛度足夠大，能夠承受和傳遞氣動載荷。

（2）面內變形光滑連續(xù)，易于變形。

（3）密度較小。

以上性質中較難實現(xiàn)的是既有較好的變形性能，同時又具有較強的剛度。這兩類要求看上去近乎矛盾，若材料變形性能較高，剛度往往較弱；而剛度較好的材料其形變性能較差。目前解決這一問題的主要辦法還是通過蒙皮結構設計，例如日本航空研究局設計的面外波紋柔性蒙皮，美國賓夕法尼亞大學設計的埋有柔性基體復合材料的柔性蒙皮以及美國CRG公司制備的蜂窩結構柔性蒙皮。這些設計能夠在一定程度上解決形變與剛度的矛盾，但是帶來了蒙皮結構的復雜，增大了飛行安全的不確定性。之所以要進行結構改進設計，主要是沒有找到具備以上性質于一身的材料。如果找到合適的材料，機翼的結構將得到簡化，相應飛機性能和飛行可靠性都會得到增強。非牛頓流體材料具備以上性質，是一種值得關注的材料。

2 非牛頓流體材料的性質

流體分為牛頓流體和非牛頓流體兩類，牛頓流體的剪切應力同剪切應變速率呈線性關系，非牛頓流體呈非線性關系。直觀上，牛頓流體的黏度與剪切應變速率無關，而非牛頓流體的黏度與剪切應變速率有關。非牛頓流體又分為4類，分別是Bingham流體、非線性Bingham流體、假塑性流體和脹流性流體，它們的性質如圖1所示。

圖1 流體流動曲線

值得關注的是脹流性流體，在剪切應變速率較大時，其黏度變大，能夠承受較大的應力，而在剪切應變速率較小時，其黏度較小，就有很好的形變形質。生活中經(jīng)常能夠見到這一類物質，例如水倒入面粉中形成的糊狀物，當緩慢傾斜盛裝糊狀物的容器時，糊狀物能夠流動，但是當糊狀物被快速攪動時，糊狀物明顯變硬，能夠承受很大的壓力。面粉糊狀物這一種材料由于受到的外界作用不同，表現(xiàn)出兩種性質，而這兩種性質正是柔性機翼蒙皮材料所應具備的性質。與面粉糊同屬于非牛頓流體的其他材料，有望用于制備柔性機翼蒙皮。

3 使用非牛頓流體蒙皮的機翼結構

未來人們一定能夠找到適合制作柔性機翼蒙皮的非牛頓流體材料。有了相應材料，新型柔性機翼可以按照以下設計來制作。首先按照圖2中結構制作鈦合金框架（白色），并在表層涂刷非牛頓流體材料（陰影），形成飛機機翼的主體架構。為了實現(xiàn)對于機翼蒙皮的實時監(jiān)控，在蒙皮下層安裝應力傳感器檢測蒙皮的受力情況。檢測信號傳導至中控系統(tǒng)，由中控系統(tǒng)根據(jù)機翼表面的受力情況做出反饋，通過調節(jié)剪切應變速率實現(xiàn)對蒙皮黏度的調整，進而伴隨機翼完成形變，使飛機氣動性能始終處于最優(yōu)狀態(tài)。另外，機翼內部也設置可人工控制的手動控制系統(tǒng)，以便在電控出現(xiàn)問題時進行絕對的手動控制，確保乘客以及機組成員的安全。譬如在所有飛機發(fā)動機失效時，機翼轉變?yōu)榈退俑呱π?，在下墜過程中保持一定升力，保持姿態(tài)，甚至直接進入滑翔的狀態(tài)，以便飛機平穩(wěn)降落，盡最大可能減小地面對飛機的沖擊力。

圖2 非牛頓流體材料柔性機翼結構（白色部分為鈦合金框架，陰影部分為非牛頓流體材料）

4 非牛頓流體機翼蒙皮的優(yōu)點與不足

非牛頓流體以其特殊的性質將在未來使用中展現(xiàn)特殊的優(yōu)點，例如傳統(tǒng)軍事飛機由于在格斗中機翼中彈而導致飛機氣動性能喪失甚至飛機墜毀，而由非牛頓流體制成的機翼在被炮彈命中時彈片會穿越機翼，非牛頓流體蒙皮會在強大的氣流的作用下填補機翼被彈片打出的漏洞，就如同自動補胎的輪胎一樣。戰(zhàn)機安全降落后做相應的檢修，仍能恢復戰(zhàn)機性能，飛機的可靠性大幅提升。

非牛頓流體材料的密度有望較鋁合金更輕。更輕的非牛頓流體材料將使飛機更加節(jié)省燃油，增加飛機巡航距離。對于民用和軍用飛機而言，大幅節(jié)省燃油費用可以用于提升旅客服務和其他飛機性能研發(fā)，促進航空事業(yè)的發(fā)展。

相伴于優(yōu)點，非牛頓流體材料的應用也會帶來新的問題。機翼上安裝的傳感器的數(shù)量將明顯多于傳統(tǒng)機翼，這不僅增加了控制系統(tǒng)的復雜程度，同時也增加了機翼的重量，對飛機的可靠性造成了挑戰(zhàn)。

5 結語

傳統(tǒng)飛機機翼由于不能方便有效地調整形狀，并不能適應任意飛行情況。柔性變形機翼是當前解決飛機飛行適應性的主要方向。利用非牛頓流體材料在不同外界條件下，既可以具有流動性又可以承受較大應力的性質，選用合適的非牛頓流體材料制作柔性變形機翼蒙皮，將從根本上消除傳統(tǒng)機翼的不足。雖然非牛頓流體材料的使用會增加控制系統(tǒng)的復雜性，但是它對于飛機氣動性能的改進提升值得人們進一步的探索研究。