{首页主词},&

未來(lái)科技“可變形機(jī)翼”，超材料技術(shù)大展身手！

2019-06-13 14:39:20 作者：本網(wǎng)整理未來(lái)科技“可變形機(jī)翼”，超材料技術(shù)大展身手！來(lái)源：材料十分享至：

據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，美國(guó)國(guó)家航空航天局和麻省理工學(xué)院合作研究出一種可變形機(jī)翼，這種所謂的“超材料”采用輕量級(jí)的晶格框架，能夠根據(jù)空氣動(dòng)力自動(dòng)改變形狀，能夠讓飛機(jī)飛行更加節(jié)能。

如果你坐在飛機(jī)上靠窗的位置，或許能夠看到一側(cè)機(jī)翼上的襟翼在飛機(jī)起飛和降落時(shí)抬起或落下。這是因?yàn)樵陲w行的每個(gè)階段，理想的機(jī)翼參數(shù)各不相同。到目前為止，人們只是通過鉸鏈改變剛性機(jī)翼的升力特性。但是，美國(guó)國(guó)家航空航天局和麻省理工學(xué)院正在研究如何讓整個(gè)機(jī)翼改變形狀。

在《智能材料與結(jié)構(gòu)》雜志上發(fā)表的一篇論文中，研究團(tuán)隊(duì)解釋了他們是如何重新設(shè)計(jì)機(jī)翼的。這種機(jī)翼的新結(jié)構(gòu)是輕量級(jí)的晶格框架，由成千上萬(wàn)個(gè)重復(fù)的、類似火柴棍的小三角形支柱組成，表面覆蓋看一層輕薄聚合物。也就是如今最火熱的“超材料”。

實(shí)際上，到目前超材料還沒有統(tǒng)一定義。那超材料到底是什么？我們從其特征就能做出判斷：

具有新奇人工結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料；具有常規(guī)（或傳統(tǒng)）材料不具備的超常物理性質(zhì)；超常物理性質(zhì)主要由新奇的人工結(jié)構(gòu)決定；新奇的人工結(jié)構(gòu)包括單元結(jié)構(gòu)（人工原子和人工分子）和單元結(jié)構(gòu)集合而成的復(fù)合結(jié)構(gòu)兩個(gè)層次。

那么我們就聊聊應(yīng)用于機(jī)翼的“超材料”

一、MADCAT項(xiàng)目背景——3年時(shí)間從小尺寸原理驗(yàn)證到大尺寸制造和風(fēng)洞試驗(yàn)

MADCAT是在NASA的收斂航空解決方案（CAS）計(jì)劃下推出的首批項(xiàng)目之一。在CAS計(jì)劃支持下，2016年NASA聯(lián)合麻省理工學(xué)院研制出“積木式”柔性機(jī)翼的小尺寸驗(yàn)證機(jī)Madcat V0，其翼展1.32米，展弦比3.81，通過數(shù)值仿真、風(fēng)洞試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)，完成原理驗(yàn)證。為了確定這種超輕復(fù)合材料積木式結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制造是否可以從試驗(yàn)臺(tái)擴(kuò)大到全尺寸飛機(jī)，NASA艾姆斯研究中心與蘭利研究中心、麻省理工學(xué)院、加州大學(xué)伯克利分校以及圣克魯斯進(jìn)行合作，完成了該飛翼模型的設(shè)計(jì)和制造，目的是驗(yàn)證積木式結(jié)構(gòu)可以在非常低的質(zhì)量密度下還具有足夠的強(qiáng)度和剛度，以及可編程組件具有調(diào)整結(jié)構(gòu)氣動(dòng)彈性響應(yīng)的能力。

二、采用熱塑性材料3D打印制造的“體積元”是積木式飛機(jī)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)

積木式飛機(jī)結(jié)構(gòu)內(nèi)部不再是傳統(tǒng)的離散式的梁肋骨架，而是大量的骨骼狀體積元，體積元用螺栓連接在一起，形成一個(gè)類似于細(xì)胞的積木式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)不僅可以承受飛行中的氣動(dòng)載荷，還可以在氣動(dòng)載荷下按照特殊的設(shè)計(jì)產(chǎn)生變形，包括機(jī)翼彎度和扭轉(zhuǎn)角的變化。

積木式結(jié)構(gòu)主要由桁架結(jié)構(gòu)、柔性蒙皮、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)三部分組成。桁架結(jié)構(gòu)由八面體體積元通過微型螺栓連接而成，體積元是由高剛度碳纖維復(fù)合材料注塑成形的骨骼狀多面體；柔性蒙皮為聚酰亞胺薄膜，通過螺栓與桁架結(jié)構(gòu)連接；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要包括伺服電機(jī)和轉(zhuǎn)向管。轉(zhuǎn)向管在伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)桁架結(jié)構(gòu)連續(xù)變形，蒙皮用于維持光滑的氣動(dòng)表面。

體積元材料包括兩種不同的聚醚酰亞胺熱塑性材料：一是具有20％短切玻璃纖維增強(qiáng)材料的Ultem 2200，二是未增強(qiáng)的Ultem 1000。所有的體積元都具有相同的幾何形狀，但使用不同的材料，通過注塑成型來(lái)生產(chǎn)，這種工藝流程具有尺寸公差小、機(jī)械性能變化不大等優(yōu)點(diǎn)。

目前，尚沒有在大規(guī)模生產(chǎn)的情況下證明積木式飛機(jī)結(jié)構(gòu)的成本優(yōu)勢(shì)，但通過此次飛翼模型的制作，展現(xiàn)了其對(duì)于提高制造速度的巨大優(yōu)勢(shì)。

三、試驗(yàn)過程和初步結(jié)論——積木式結(jié)構(gòu)可按飛機(jī)要求實(shí)現(xiàn)定制化設(shè)計(jì)

為了完成此次試驗(yàn)，MADCAT項(xiàng)目制造了三個(gè)半翼展機(jī)翼：其中兩個(gè)使用相同的材料，僅使用Ultem 2200增強(qiáng)體積元，每個(gè)機(jī)翼包含2088個(gè)體積元；另一個(gè)采用不用的材料，包含1741個(gè)增強(qiáng)體積元和347個(gè)未增強(qiáng)體積元。此外，每個(gè)機(jī)翼還包含大約2500個(gè)接口部件和300個(gè)蒙皮壁板。

具有相同材料體積元結(jié)構(gòu)的機(jī)翼被用作具有異質(zhì)結(jié)構(gòu)（由不同材料體積元拼接而成的結(jié)構(gòu)）模型的基線模型（即試驗(yàn)對(duì)比項(xiàng)）。初步試驗(yàn)結(jié)果顯示，異質(zhì)結(jié)構(gòu)可以被程序化，即具有可編程性，能夠智能地產(chǎn)生機(jī)翼扭轉(zhuǎn)和增加機(jī)翼彎度來(lái)提高升力并降低阻力。具體做法是：通過沿展向安裝Ultem 1000體積元來(lái)實(shí)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)，通過在內(nèi)翼段下部沿弦向安裝Ultem 1000來(lái)降低剛度，從而增加機(jī)翼彎度。

四、積木式結(jié)構(gòu)的未來(lái)應(yīng)用方向——變體飛機(jī)和空間結(jié)構(gòu)

由于積木式結(jié)構(gòu)柔性機(jī)翼通過在飛行過程中連續(xù)光滑變形，能有效提升飛機(jī)操縱性和經(jīng)濟(jì)性，是未來(lái)變體飛機(jī)的重要技術(shù)方案選擇。NASA稱這種模塊化的機(jī)翼結(jié)構(gòu)概念，可用于未來(lái)新型轟炸機(jī)和高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)，或?qū)⒊蔀槲磥?lái)飛機(jī)提高機(jī)動(dòng)性、降低成本的重要途徑之一。

輕量的可變形機(jī)翼引發(fā)了人們對(duì)理想飛機(jī)外形的思考。有了這項(xiàng)技術(shù)，我們或許能夠擺脫傳統(tǒng)飛機(jī)設(shè)計(jì)。當(dāng)然，在萬(wàn)米高空看到機(jī)翼形狀發(fā)生變化還存在于理論之中。目前的研究距離商用飛機(jī)還有很長(zhǎng)一段路要走。與此同時(shí)，這種研究成果還具有重新設(shè)計(jì)其他結(jié)構(gòu)的潛力，比如風(fēng)力渦輪機(jī)的翼狀葉片。

更多關(guān)于材料方面、材料腐蝕控制、材料科普等方面的國(guó)內(nèi)外最新動(dòng)態(tài)，我們網(wǎng)站會(huì)不斷更新。希望大家一直關(guān)注中國(guó)腐蝕與防護(hù)網(wǎng)http://www.ecorr.org

責(zé)任編輯：殷鵬飛

免責(zé)聲明：本網(wǎng)站所轉(zhuǎn)載的文字、圖片與視頻資料版權(quán)歸原創(chuàng)作者所有，如果涉及侵權(quán)，請(qǐng)第一時(shí)間聯(lián)系本網(wǎng)刪除。