馬野，宋盛菊，劉焱飛

中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心，北京 100076

需求牽引是飛行器設(shè)計(jì)的創(chuàng)新源頭，可以說一代需求牽引一代裝備，飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是如此。傳統(tǒng)的飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求主要包括輕質(zhì)、安全、可維護(hù)和低成本等，對(duì)于航天飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在上述要求的基礎(chǔ)上，還重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)耐高溫、防隔熱承載一體化和可重復(fù)使用等特性，這些要求是飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求。隨著人類科技的進(jìn)步以及新需求的牽引，面向未來的飛行器面臨更高的要求，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面主要體現(xiàn)為隱身、智能、多功能和可變構(gòu)型等，這些需求將不斷牽引飛行器結(jié)構(gòu)技術(shù)向更高的水平發(fā)展。

縱觀飛行器百年發(fā)展歷程，人類發(fā)明了各式各樣的飛行器，在尺寸、速域、空域及功能上都不盡相同，從結(jié)構(gòu)形式、使用載荷條件及應(yīng)用環(huán)境上來看也是千差萬別。因此，飛行器結(jié)構(gòu)涉及到的范疇比較廣泛，結(jié)構(gòu)形式也多種多樣，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法及理念也在不斷發(fā)展，難以統(tǒng)一歸類和歸納，但從飛行器結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)上來看，當(dāng)前已形成了一定的潛在方向，如圖1所示，相信也必將成為未來飛行器結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展的主要趨勢(shì)和方向。

圖1 飛行器結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)Fig.1 Developing trend for structure technology of aircraft

飛行器結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)是飛行器結(jié)構(gòu)發(fā)展需求和技術(shù)推動(dòng)的共同結(jié)果，趨勢(shì)一旦形成，也會(huì)促進(jìn)飛行器結(jié)構(gòu)的更快發(fā)展，尤其是在當(dāng)前飛行器設(shè)計(jì)空天結(jié)合的大背景下。本文從飛行器結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展維度出發(fā)，著重對(duì)近幾十年來出現(xiàn)的飛行器結(jié)構(gòu)創(chuàng)新概念及理念進(jìn)行了匯總和整理，形成了對(duì)航空航天飛行器結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的研判，這些結(jié)論可對(duì)后續(xù)飛行器結(jié)構(gòu)專業(yè)的發(fā)展提供有益借鑒。鑒于很多潛在的發(fā)展概念在內(nèi)容上存在相互重疊，無法嚴(yán)格界定和區(qū)分，本文整理的內(nèi)容也會(huì)存在一定的交叉，分別從輕質(zhì)/多功能結(jié)構(gòu)、智能結(jié)構(gòu)、變形/變體結(jié)構(gòu)、仿生材料/結(jié)構(gòu)和防隔熱承載一體化結(jié)構(gòu)5個(gè)方面進(jìn)行論述。

1 輕質(zhì)/多功能結(jié)構(gòu)

輕質(zhì)是飛行器對(duì)結(jié)構(gòu)的最基本要求。為了實(shí)現(xiàn)飛行器對(duì)結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)化要求，人們采取了多種途經(jīng)：在材料選擇上，先后出現(xiàn)了鋁合金、鈦合金及復(fù)合材料的應(yīng)用，材料應(yīng)用已多種多樣；在工藝路線上，金屬材料的加工不再僅是傳統(tǒng)的減材制造，出現(xiàn)了增材制造，甚至復(fù)合材料也發(fā)展了增材制造結(jié)構(gòu)；在結(jié)構(gòu)形式上，也不再是傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式，出現(xiàn)了拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)、點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)等形式。為了提高飛行器的結(jié)構(gòu)效率，必須采取創(chuàng)新性思維拓展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念，開拓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，提升結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)潛力。

王向明等[1-2]主要基于金屬增材制造技術(shù)，提出了飛行器結(jié)構(gòu)大型整體化、梯度復(fù)合化、構(gòu)型拓?fù)浠徒Y(jié)構(gòu)功能一體化等概念，具有高減重、長(zhǎng)壽命、多功能、低成本和快速響應(yīng)等優(yōu)勢(shì)，在我國(guó)新型飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用中發(fā)揮了重要作用。

先進(jìn)復(fù)合材料一經(jīng)出現(xiàn)，便憑借著它優(yōu)異的力學(xué)性能和重量?jī)?yōu)勢(shì)迅速成為飛行器結(jié)構(gòu)的主要材料，占比呈逐年遞增趨勢(shì)，甚至一度成為評(píng)判飛行器先進(jìn)程度的標(biāo)準(zhǔn)[3-4]。由于復(fù)合材料的可設(shè)計(jì)性，賦予了它更靈活的設(shè)計(jì)空間，其在飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用必將越來越廣泛[5-7]，尤其是隨著增材制造技術(shù)、智能材料技術(shù)的發(fā)展，先進(jìn)復(fù)合材料也必將成為持續(xù)熱點(diǎn)技術(shù)[8]，目前的結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展已然體現(xiàn)出這種趨勢(shì)。圖2為先進(jìn)復(fù)合材料的一些示例。

圖2 先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)示例Fig.2 Examples for advanced composites

無論是金屬材料還是復(fù)合材料，飛行器結(jié)構(gòu)在保證輕質(zhì)的前提下，還應(yīng)盡可能地承擔(dān)更多的功能需求，使飛行器結(jié)構(gòu)能夠承擔(dān)更多的角色，發(fā)揮更大的作用。隨著三維打印等加工制造工藝技術(shù)的提高，使得輕質(zhì)/多功能結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)變得越發(fā)可行，當(dāng)前已經(jīng)出現(xiàn)的工程應(yīng)用包括天線共形結(jié)構(gòu)[9]、管路共形結(jié)構(gòu)[2]、隱身材料結(jié)構(gòu)[10-11]和“零質(zhì)量”電池儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)[12]、智能健康監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)等，如圖3所示。

圖3 多功能結(jié)構(gòu)示例Fig.3 Examples for multifunctional structure

2 智能結(jié)構(gòu)

智能結(jié)構(gòu)的概念主要包括智能健康監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)、智能變形結(jié)構(gòu)（與變形/變體結(jié)構(gòu)有交叉，見第3節(jié)）、智能修復(fù)結(jié)構(gòu)（與仿生材料/結(jié)構(gòu)有交叉，見第4節(jié)）等。

智能健康監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)是飛行器結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)（SHM）相互結(jié)合的多學(xué)科技術(shù)，如智能蒙皮概念。目前，很多先進(jìn)的飛行器均安裝有健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過智能傳感器陣列布置于飛行器結(jié)構(gòu)指定位置（可在制造環(huán)節(jié)將傳感器植入結(jié)構(gòu)內(nèi)部，形成一體化結(jié)構(gòu)），可實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控飛行器結(jié)構(gòu)的健康狀況，圖4 給出了一些智能傳感器和光纖傳感器示例[13-15]。

圖4 智能傳感裝置示例Fig.4 Examples for smart sensor

3 變形/變體結(jié)構(gòu)

如果變形僅是指飛行器在飛行過程中的構(gòu)型發(fā)生改變，那么變形并不是一個(gè)新概念[16]，飛機(jī)正是通過對(duì)襟翼、副翼和尾翼等的操控來實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行過程的控制。從技術(shù)發(fā)展的時(shí)間維度來看，飛機(jī)的變形也不是一個(gè)新概念，可以說從飛機(jī)誕生之初就已經(jīng)存在，一百多年來，飛機(jī)設(shè)計(jì)師和工程師們將各式各樣的飛機(jī)變形方式都變成了現(xiàn)實(shí)，形成了大量的難以完全統(tǒng)計(jì)的飛機(jī)方案或驗(yàn)證方案，圖5僅統(tǒng)計(jì)了歷史上最典型的飛機(jī)和技術(shù)驗(yàn)證概念[16-42]。可以看出，飛行器的變形主要是指機(jī)翼的變形，機(jī)身的變形案例尚不多見（當(dāng)然，對(duì)于翼身融合體或乘波體構(gòu)型，機(jī)翼和機(jī)身的區(qū)分并不明顯），機(jī)翼變形又以變彎度（扭度）、變后掠、變上反（折疊）和變展長(zhǎng)這4 種變形模式為重點(diǎn)發(fā)展方向。本文所涉及的變形結(jié)構(gòu)主要是指飛行器在飛行過程中可以完成變形的結(jié)構(gòu)，因此折疊式的艦載機(jī)并不在本文的討論范疇內(nèi)。

圖5 部分變形方式的飛機(jī)和驗(yàn)證概念Fig.5 Some sorts of morphing airplane and concept

主動(dòng)氣動(dòng)彈性機(jī)翼（AAW）概念最早約出現(xiàn)于1974年，通過前緣襟翼改變機(jī)翼的彎度進(jìn)行總體動(dòng)力學(xué)測(cè)試。最近的AAW 測(cè)試出現(xiàn)在2002 年，其基于F-18 飛機(jī)，通過前緣襟翼和副翼形成機(jī)翼扭轉(zhuǎn)來測(cè)試飛機(jī)在跨聲速和超聲速的滾轉(zhuǎn)控制[16,20]，如圖6所示。

圖6 基于F-18飛機(jī)的AAWFig.6 AAW based on F-18

任務(wù)適應(yīng)性機(jī)翼（MAW）概念出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代末期，基于F-111 飛機(jī)，該機(jī)型的機(jī)翼可實(shí)現(xiàn)變后掠、變前緣和變后緣彎度[21-22]。由圖7可知，其前、后緣結(jié)構(gòu)為多級(jí)鉸鏈結(jié)構(gòu)，尤其是后緣結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，通過多級(jí)鉸鏈可以實(shí)現(xiàn)較單級(jí)鉸鏈更為順滑和復(fù)雜的舵面變形模式，因此可以提升全飛行包線的性能。MAW概念對(duì)后續(xù)飛行器設(shè)計(jì)產(chǎn)生了較大的影響，直到現(xiàn)在該概念依然是設(shè)計(jì)的主流思想。

圖7 基于F-111飛機(jī)的MAW Fig.7 MAW based on F-111

智能機(jī)翼（Smart Wing）概念出現(xiàn)于20 世紀(jì)90 年代初期。為了促進(jìn)智能機(jī)翼的研究，智能材料和結(jié)構(gòu)—智能機(jī)翼項(xiàng)目分為兩個(gè)階段：第一階段以形狀記憶合金（SMA）驅(qū)動(dòng)的無鉸鏈?zhǔn)降暮缶壊倏v面和以SMA 扭力管實(shí)現(xiàn)機(jī)翼扭轉(zhuǎn)為主要應(yīng)用特征，并開展了基于16%縮比模型的風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)試，如圖8所示；第二階段以SMA驅(qū)動(dòng)的前、后緣和以超聲壓電驅(qū)動(dòng)的后緣為主要應(yīng)用特征，并開展了全翼展的30%縮比無人駕駛飛行器（UCAV）模型的風(fēng)洞試驗(yàn)[23-27]。

圖8 以F-18飛機(jī)為示例的Smart Wing 應(yīng)用Fig.8 Smart Wing examples based on F-18

進(jìn)入21世紀(jì)以后，更多的關(guān)于飛行器變形結(jié)構(gòu)的新材料、新技術(shù)、新概念和新理念如井噴式涌現(xiàn)，呈現(xiàn)出全面開花的局面，相較于完整的統(tǒng)計(jì)和展示，本文僅對(duì)一些有典型代表意義的技術(shù)驗(yàn)證概念進(jìn)行介紹，如圖9所示。

圖9 典型的變形機(jī)翼示例Fig.9 Typical morphing wing examples

“下一代”（NextGen）項(xiàng)目起源于2003年的下一代變形飛行器結(jié)構(gòu)（N-MAS）計(jì)劃，要求“下一代”飛行器具備大幾何變形能力（包括200%展弦比變化、40%展長(zhǎng)變化和70%機(jī)翼面積變化等），同時(shí)還需滿足飛行控制、變形效率和結(jié)構(gòu)承載等要求，最終選定了蝙蝠翼（batwing）構(gòu)型并開展了風(fēng)洞試驗(yàn)研究和飛行試驗(yàn)（MFX-1）[28-30]。自適應(yīng)柔性后緣舵（ACTE）項(xiàng)目源于FlexSys 公司的小企業(yè)創(chuàng)新研究（SBIR）項(xiàng)目，在2009 年對(duì)灣流Ⅲ型客機(jī)進(jìn)行改制，采用柔性結(jié)構(gòu)技術(shù)實(shí)現(xiàn)無縫式柔性后緣舵，完成了動(dòng)力學(xué)積木式試驗(yàn)驗(yàn)證，并于2015 年開展了飛行試驗(yàn)測(cè)試[31-35]。柔性結(jié)構(gòu)技術(shù)可以幫助飛行器實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)減載，提升操縱面的效率并減少噪聲。智能飛行器結(jié)構(gòu)機(jī)翼（SARISTU）為空客公司組織歐洲16個(gè)國(guó)家64個(gè)參與者在2011—2015 年開展的大型合作項(xiàng)目，集成了機(jī)翼翼段產(chǎn)品并完成了風(fēng)洞試驗(yàn)考核。該項(xiàng)目旨在通過適應(yīng)性機(jī)翼前、后緣和集成傳感器等技術(shù)提升飛行器結(jié)構(gòu)配平能力，提高氣動(dòng)控制效率，減少燃油消耗和噪聲[36-39]。適應(yīng)性后緣裝置（ATED）是該項(xiàng)目的一個(gè)主要分項(xiàng)目。展向自適應(yīng)機(jī)翼（SAW）是由美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）組織開展的應(yīng)用SMA進(jìn)行機(jī)翼展向折疊的技術(shù)驗(yàn)證項(xiàng)目，于2017年12月利用縮比驗(yàn)證機(jī)完成了利用SMA折疊機(jī)翼的試飛[40-41]，2018年8月成功地利用SMA實(shí)現(xiàn)一架F-18飛機(jī)全尺寸機(jī)翼翼段的地面折疊試驗(yàn)，該項(xiàng)研究工作仍在開展之中。任務(wù)適應(yīng)性數(shù)字復(fù)合材料結(jié)構(gòu)技術(shù)（MADCAT）項(xiàng)目由NASA 組織開展，2016 年研制出“積木式”柔性機(jī)翼的小尺寸驗(yàn)證機(jī)，并完成風(fēng)洞試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)[17,42]。2019年，開展了全尺寸樣機(jī)的設(shè)計(jì)、制造和風(fēng)洞試驗(yàn)工作，表明這種“積木式”構(gòu)型可以按飛機(jī)設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)定制化設(shè)計(jì)。

除上述變形結(jié)構(gòu)實(shí)踐外，還有非常多的變形結(jié)構(gòu)概念和理念，如變形結(jié)構(gòu)基本圍繞著形狀記憶特性材料（SMA、SMP、SMT 等）、壓電陶瓷材料（AFC、MFC 等）、柔性結(jié)構(gòu)（包括柔性胞元結(jié)構(gòu)、柔性蒙皮、類折紙式結(jié)構(gòu)等）和仿生翼（一般為小型飛行器）等，很多概念和方案已處于實(shí)驗(yàn)室階段或飛行試驗(yàn)階段，但這部分內(nèi)容十分豐富，且形式多樣、創(chuàng)新性強(qiáng)，難以簡(jiǎn)單概述，圖10 僅給出了一些變形概念的圖示[43-48]。關(guān)于變體飛機(jī)的智能結(jié)構(gòu)技術(shù)，參考文獻(xiàn)[49]給出了更加詳細(xì)的論述，本文不再介紹。

圖10 一些變形結(jié)構(gòu)概念Fig.10 Some concepts of morphing structures

對(duì)于變形/變體飛行器而言，變形/變體結(jié)構(gòu)需要回答兩個(gè)問題：（1）為什么要變形，需要什么樣的變形，變形能夠帶來哪些好處？（2）如何從技術(shù)上實(shí)現(xiàn)這種變形，技術(shù)成熟度如何，費(fèi)效比如何？首先，飛行器變形的出發(fā)點(diǎn)一定要是任務(wù)上的需求或者能夠給飛行帶來更優(yōu)的結(jié)果，如減阻、降噪、低碳環(huán)保等；其次，如何從技術(shù)上實(shí)現(xiàn)這種變形也是非常重要的，不同的技術(shù)路線選擇或許可以達(dá)到同樣的變形效果，但技術(shù)成熟度、費(fèi)效比卻不相同，在工程上所采用的方案往往更傾向于折中的選項(xiàng)。

一個(gè)高效的變形結(jié)構(gòu)技術(shù)須考慮三個(gè)工程需求，即輕質(zhì)結(jié)構(gòu)、承載能力及變形能力。如圖11 所示，大部分的變形結(jié)構(gòu)概念能夠滿足其中兩個(gè)方面的需求，少有能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)三個(gè)方面需求的結(jié)構(gòu)概念[50]。從一定程度上來看，這三個(gè)方面的需求在工程上的交集似乎并不好實(shí)現(xiàn)，需要采取創(chuàng)新性思維來引導(dǎo)設(shè)計(jì)。同時(shí)，圖11也能出了三個(gè)重要的結(jié)構(gòu)概念，即傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)、輕質(zhì)結(jié)構(gòu)和柔性結(jié)構(gòu)。相對(duì)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，輕質(zhì)結(jié)構(gòu)以典型的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用為代表，但結(jié)構(gòu)過于剛硬；柔性結(jié)構(gòu)以可接受彈性大變形為主要特征，但結(jié)構(gòu)過于柔性、靈活。變形結(jié)構(gòu)的目標(biāo)在于通過合理的工程設(shè)計(jì)，平衡并兼顧輕質(zhì)、承載和變形要求，取得相對(duì)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)更有利的技術(shù)進(jìn)步和工程應(yīng)用。

圖11 變形結(jié)構(gòu)面臨的工程挑戰(zhàn)Fig.11 Engineering challenges on morphing structure

4 仿生材料/結(jié)構(gòu)

仿生材料/結(jié)構(gòu)源于大自然的生物結(jié)構(gòu)，它可以給人們帶來設(shè)計(jì)上的靈感，并使人們少走彎路，幫助人們實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的設(shè)計(jì)。因此，將生物結(jié)構(gòu)的一些結(jié)構(gòu)特征應(yīng)用于飛行器材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一種自然而然的想法，近些年逐漸出現(xiàn)了一些基于仿生的材料/結(jié)構(gòu)的研究，并且越發(fā)成為熱點(diǎn)。

生物結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了進(jìn)化的自然選擇，是一種非常有道理的存在。丹麥技術(shù)大學(xué)學(xué)者通過超級(jí)計(jì)算機(jī)，基于拓?fù)鋬?yōu)化方法，對(duì)民航飛機(jī)的機(jī)翼進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，最后發(fā)現(xiàn)拓?fù)鋬?yōu)化的整體機(jī)翼內(nèi)部結(jié)構(gòu)與鳥類的嘴部骨骼內(nèi)部結(jié)構(gòu)有異曲同工之妙[51]，如圖12所示。

在飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，人們可以直接借鑒鳥類或者昆蟲的飛行原理以及結(jié)構(gòu)形式來設(shè)計(jì)仿生飛行器[52-55]，但這種飛行器一般為小型的撲翼式飛行器或折疊翼飛行器，這方面國(guó)內(nèi)外的研究非常多，是近幾年研究的熱點(diǎn)方向，圖13僅給出了一些仿生飛行器概念的圖示[52,55]。

圖13 一些仿生飛行器概念Fig.13 Some concepts of bio-inspired aircraft

人們也可以在飛行器的材料設(shè)計(jì)上借鑒并利用仿生的一些有益特性形成新材料，如仿生材料具有良好的增韌性能[56]、耐沖擊吸能特性[57]和材料自愈性[58]，然而這部分內(nèi)容目前來看創(chuàng)新性也較強(qiáng)，距離形成有效的飛行器結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用可能還尚需時(shí)日，但這種趨勢(shì)已然出現(xiàn)。圖14給出了一些仿生材料概念的圖示。

圖14 一些仿生材料概念Fig.14 Some concepts of bio-inspired material

5 防隔熱承載一體化結(jié)構(gòu)

空天飛行器的結(jié)構(gòu)與熱防護(hù)系統(tǒng)向一體化方向發(fā)展的趨勢(shì)已越發(fā)顯著[59-60]。如圖15所示，從20世紀(jì)美國(guó)的航天飛機(jī)剛性陶瓷瓦開始[61]，美國(guó)和歐洲對(duì)空天飛行器的熱防護(hù)系統(tǒng)（TPS）進(jìn)行了持續(xù)的研究。X-33的研制提出了金屬TPS的應(yīng)用，其采用機(jī)械連接方式，提高了可靠性[62-63]。X-37B 的熱防護(hù)結(jié)構(gòu)為防/隔熱一體化概念，其基于航天飛機(jī)TPS技術(shù)，提出整體增韌抗氧化復(fù)合材料（TUFROC）方案，采用梯度處理涂層和抗氧化難熔碳瓦，具有耐溫高、耐久性好和輕質(zhì)化的效果，同時(shí)通過提高結(jié)構(gòu)系統(tǒng)使用溫度來降低熱防護(hù)系統(tǒng)的重量，提升了維修性，進(jìn)一步減少了系統(tǒng)重量，體現(xiàn)出一體化的優(yōu)勢(shì)[64-69]。過渡試驗(yàn)飛行器（IXV）的蓋板式熱防護(hù)結(jié)構(gòu)相對(duì)于航天飛機(jī)已體現(xiàn)出易維護(hù)和一體化優(yōu)勢(shì)[70-72]，為了應(yīng)對(duì)更高的溫度條件，歐洲航天局的IXV采用了陶瓷蓋板式TPS，通過特殊的應(yīng)變支架實(shí)現(xiàn)變形協(xié)調(diào)和密封[73]，易于更換和維護(hù)。云霄塔（SKYLON）組合動(dòng)力飛行器提出了一種“貯箱+立體網(wǎng)架+隔熱+防熱”的功能一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念，使得其結(jié)構(gòu)系數(shù)達(dá)到0.164（理論值）[74-76]，其創(chuàng)新性地提出了復(fù)合材料空間立體網(wǎng)架結(jié)構(gòu)以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)體結(jié)構(gòu)，通過其貯箱和網(wǎng)架結(jié)構(gòu)共同承載，充分挖掘了各結(jié)構(gòu)件的潛能，并與防/隔熱結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)功能性的一體化設(shè)計(jì)，進(jìn)而在理論上達(dá)到了減重的顯著效果[77]。但云霄塔的這種網(wǎng)架結(jié)構(gòu)由于在節(jié)點(diǎn)處與金屬接頭采用了黏結(jié)的連接方式，存在低溫力學(xué)性能不佳和疲勞強(qiáng)度不足的問題[76-77]，容易在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)復(fù)合材料桿件最外層出現(xiàn)纖維斷裂和分層失效，針對(duì)這些問題，新型的碳纖維桿件也在研究中，并已完成階段性試驗(yàn)[78]，值得持續(xù)關(guān)注。此外，雙層夾芯防/隔熱承載一體化結(jié)構(gòu)、輕質(zhì)夾層多功能結(jié)構(gòu)、輕質(zhì)多層熱防護(hù)結(jié)構(gòu)等也是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[79-81]，該類型結(jié)構(gòu)具有防/隔熱和承載的綜合性能。綜上所述，防/隔熱和承載一體化設(shè)計(jì)具有顯著的優(yōu)勢(shì)，是未來值得關(guān)注的發(fā)展方向。因此，防/隔熱和承載一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概念是未來提升空天飛行器總體性能的關(guān)鍵，開展結(jié)構(gòu)與熱防護(hù)系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì)研究具有重要的意義。

圖15 典型熱防護(hù)概念示意圖Fig.15 Typical TPS concept diagram

6 結(jié)束語

本文分別從以上5個(gè)方面闡述了飛行器新結(jié)構(gòu)技術(shù)的一些發(fā)展趨勢(shì)，綜合來看，這些趨勢(shì)代表了飛行器結(jié)構(gòu)未來發(fā)展的一些方向，但很多技術(shù)尚處于探索階段，到具體應(yīng)用可能還有很長(zhǎng)時(shí)間。另外，新結(jié)構(gòu)技術(shù)僅是一個(gè)時(shí)間上的相對(duì)概念，而且新結(jié)構(gòu)技術(shù)的出現(xiàn)并不能代替現(xiàn)有結(jié)構(gòu)技術(shù)，但可以作為現(xiàn)有結(jié)構(gòu)技術(shù)必要的補(bǔ)充。可以推測(cè)后續(xù)飛行器結(jié)構(gòu)主要的發(fā)展趨勢(shì)包括如下幾個(gè)方面：（1） 從學(xué)科發(fā)展趨勢(shì)來看，飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已由專業(yè)獨(dú)立的學(xué)科不斷向交叉學(xué)科方向發(fā)展，更加智能化、多功能化，且逐漸會(huì)帶入更多的仿生和多學(xué)科特性；（2） 從結(jié)構(gòu)承載特性來看，飛行器結(jié)構(gòu)的發(fā)展經(jīng)歷了從一開始的柔性結(jié)構(gòu)到輕質(zhì)剛性結(jié)構(gòu)（金屬、復(fù)合材料及混合結(jié)構(gòu)），再到輕質(zhì)—柔性混合結(jié)構(gòu)方向的發(fā)展；（3） 變形/變體飛行器一直是國(guó)外研發(fā)的重點(diǎn)，國(guó)外在剛性變體飛行器已有大量應(yīng)用，柔性變體飛行器也在持續(xù)研發(fā)，而我國(guó)在變形/變體飛行器上尚沒有成熟的型號(hào)應(yīng)用，因此基于多任務(wù)模式的變形/變體飛行器應(yīng)是我國(guó)后續(xù)發(fā)展的重點(diǎn)方向之一；（4） 防隔熱/承載一體化結(jié)構(gòu)技術(shù)是航天飛行器結(jié)構(gòu)未來發(fā)展的重要方向之一，隨著航天飛行器向可重復(fù)使用、多任務(wù)化、高效化等方向發(fā)展，這一技術(shù)也必將越來越受到重視。