202年1月巧日加利福尼亚州爱德华空军基地一架曰A18A试验机在美国航空航天局(NASA)德莱顿飞行研究中心完成了首次飞行并于203年4月完成了第一阶段飞行试验尽管试验机首飞对于爱德华空军基地的人们来说已经习以为常但此次首飞是验证未来战斗机上可能采用的主动气动弹性机翼(AetiveAeroelastieWing简称AAW)技术最终目标是掌握如何利用机冀扭转来实现跨音速和超音速滚转控制将整个机其作为一个控制面使用如果这一目标能够实现那么未来高速飞机有可能省去水平尾其这项技术不仅返回到空气动力学的起点还让人们联想起莱特兄弟的伟大创举而且打开了通向未来机冀研究领域的大门一个新的飞行时代正在悄然拉开序幕现象严重时可能导致飞机失控甚至坠毁究其原因飞机的机其是一个弹性体在气动载荷作用下会产生弹性变形气动弹性就是指空气动力与飞机结构弹性变形之间相互作用而产生的一种气体与固体辆合现象特别是对于速度高或刚度低的飞机来说设计中必须考虑静气动弹性和动气动弹性两个主要方面的问题前者具体包括变形发散操纵反逆静稳定性降低等问题后者具体包括颇振抖振和阵风响应等问题通过副翼反逆可以了解飞机机翼的结构变形导致操纵面效能大大降低的原因副典位于机熟靠典梢部分的后缘处产生飞机所需的横滚力矩但由于处在
机冀扭心之后副典下偏产生的局部气动力会使机具产生低头扭转变形从而
使机冀升力有所降低综合效应就反映为副冀效率降低并且随着飞行速度的
增大而更加严重一旦飞行速度达到某一临界速度时偏转副典就产
生
不了滚
转力矩导致副其失效若超过这个临界速度偏转副其会产生与飞行员愈愿相反的滚转这种情况就是副具反逆为了有效地解决战斗机长期以来所存在的气动弹性问题美国航空航天局
将目光转回到了一百多年前早在
189
年莱特兄弟开始着手制造一种可以操纵能持续飞行的飞机在前人尝试飞行
问皿由来已久众所周知飞机借助于发动机产生推力依靠机翼产生升力来实现飞行并
且无一例外地在机翼上采用了各种控制
和操纵典面以满足飞机改变飞行姿态
的需要对于现代战斗机而言为了在空
战中占据上风往往需要在高速飞行状态下完成各种令人眼花缭乱的机动翻滚这时机翼上会发生一定程度的气动弹性
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I
UM比ITARYTECHNOLOGY
屡遭失败的基础上莱特兄弟发现一个关键问题是如何有效地控制飞机平衡当时他们观察到秃鹰在空中飞行时可以通过翅膀末端的扭转来改变相对于迎面空气的冲角增加或降低翅膀的升力不断调整自身的纵向平衡正当沉浸于思考怎样在滑翔机上实现这种功能时莱特兄弟在一次销售自行车中轴时偶然受到了手中无意识地不断扭动盒子的启发找到了控制机翼扭曲的方法从而发明了机翼操纵技术其后莱特兄弟又利用风洞试验确定了合理的机翼形状并通过改造活塞式发动机终于在1903年12月17日实现T人类历史上的首次动力飞行当时莱特兄弟并未采用副翼来控制飞行而是选择了扭曲飞机的翼尖来控制飞机滚转或倾斜飞行其作用远远胜于飞机上采用操纵杆他们发明了一个活动的鞍座用钢索连接鞍座与两段冀尖这样飞行员通过左右移动他的臀部从一边到另一边可以向上或向下弯曲翼尖来提供莱特飞行者一号所需的控制从而实现平衡和转弯作为持续飞行的关键莱特兄弟发明的翼尖扭曲飞机控制技术在当时可谓前无古人然而尽管其后几年里飞机设计师仍然继续采用这一技术但是随着飞机飞行速度的日益增加使设计人员不得不通过加强机翼结构来应对由此产生的应力其结果是机翼非常坚固难以产生较大幅度的扭转为此飞机机翼上出现了副翼通过它偏转来改变表面升力从而提供滚转控制于是莱特兄弟的机翼控制技术逐渐淡出了设计师们的视野寻求技术突破标NAsA将此前的主动柔性机冀计划重新命名为主动气动弹性机典计划同时得到了美国空军研究实验室的积极响应双方与波音公司的鬼怪工厂签订合同后者负责实施计划所需的机翼改装仪器设备安装和协助研制飞行控制软件等任务整个AAW计划的预算大约410万美元包括250万美元的研制费用和一架价值16叨万美元的现役飞机整个研制时间计划为8年AAW计划的具体目标是通过空气动力学方面的技术突破来改进飞机滚转控制主要包括在跨音速和超音速状态下验证全尺寸高性能战斗机上的机典扭转效果在以低成本获得高效的条件下飞行试验将包括验证和侧量AAW概念的气动结构和飞行控制特性所获得的各种数据将用于设计融合了控制律技术的柔性机翼结构以使飞机通过采用更轻的机翼结构来获得更好的飞行性能全面改装机班1996年AAW计划已经先后完成了机翼的细节设计并对一架此前用于大迎角研究验证机(HARv)计划的FIA18(840号)飞机的机冀进行了必要修改199年鬼怪工厂从美国海军接收了一架F/A18A战斗机换装机翼后供试验使用在最初设计F/A18战斗机时机冀上表面就曾经采用了较轻的和可变形的目前按照传统技术设计的飞机由操纵面产生力或力矩来控制和改变飞行状态存在的气动弹性效应会降低操纵面的效能通常只能通过加强机翼刚度或附加其他操纵面来弥补但却明显增加了结构重量针对这种设计上的矛盾早在20世纪80年代初罗克韦尔公司的研究人员就提出了一个概念:既然机翼可以按照各种方式扭转那么与其去对抗扭转效应不如对其加以充分利用
受到这一概念的启发美国的
NASA
在更加深刻地理解空气动力学的背景下开始重新关注莱特兄弟曾经发明的机翼控制技术NASA希望通过多家研究机构与飞机承包商联手研究出一种先进的机翼控制技术通过改进副翼和前缘襟翼等传统控制面从气动上诱导机翼发生
扭曲从而实现莱特兄弟最初发明的翼
尖扭曲突破现有设计的局限为21世纪设计新型战斗机奠定基础
于是NASA发起了一项涉及多个学科的长期研究计划以迅猛发展的主动
控制技术为基础力图充分发挥结构柔性的潜力与传统设计方法不同研究计
划的设计思想是通过采用全权限快速
响应的数字式主动控制系统主动有效地利用机翼的柔性从而避免了采用增
强结构来被动地减轻气动弹性效应这
项长达十几年的研究计划可以分为理论研究和工程验证两个主要阶段第一阶段从1985年开始以基础研究为主要目标美国NASA的兰利研究中
心美国空军和罗克韦尔公司
共同发起
了主动柔性机翼(AetiveFlexibleWing
简称AFW)项目计划目的是验证主动
柔性机翼的概念并确定具有工程应用价值的理论和设计方法1992年第一阶段研究工作结束证明了主动柔性机冀
技术是未来多用途战斗机设计的关键技
术之一已经可以初步应用于工程设计
研究结果表明在
先进气动布局和高性能主动控制系统的支持下AFW技术不仅可以减小气
动阻力减轻机冀结构重量而且能
够增强控制能力提高颤振临界速度减缓阵风与机动载荷因此可以明显
提高战斗机的
空战机动性能
第二阶段从196年开始以工
程验证为主要目
人、与
飞行载荷实验室进行结构载荷
试验
跳代
决去
200410匹袭毅公扣巫鱼亚亘亘亘亘困旦丝旦旦
丫
冀段然而在早期飞行试验期间发现这种机冀在高速飞行状态下副翼相对来说太柔软而无法提供固定的滚转速率因此翻滚性能较差究其原因当时FZA18A战斗机是首次在机翼结构中大量采用复合材料工程人员对替换金属机翼结构的新型复合材料缺乏经验结果产生过度扭转使较大的气动力作用在偏转副翼上引起了机翼向相反的方向偏转产生了副翼反逆现象在今天看来该机的机翼结构设计似乎并不成功甚至还不得不依靠全动者习区巨容准_牛全耳班被枯地翻l去了法应AAW计划的需要鬼怪工厂对FIA
18A
战斗机的机翼进行了重新设计恢复
到原来的刚度
首先曰A18A战斗机的前缘襟冀被分成相互独立的内段和外段并增加了额外的致动装置来单独地驱动外侧前缘襟冀同时沿着机冀后部恰好在副冀和后缘襟翼前面的翼段进行了修改原有机冀的几块蒙皮冀段已经被更薄更柔软的蒙皮冀段和结构所代替更加类似于FIA18原型机的机翼FIA18试验机为了产生机翼所需的额外气动弹性卜巨翻翻场址暄J不百全1省翻1幽检侧省津廷203年2月AAW试验机正在进行第一阶段的飞行试吸果表明主动气动弹性机界可以承受5的扭转角远远大于常规情况通过改装前缘襟其的外段和副其能按照控制指令在飞行时实现扭转机具的目的这样作用在扭转机典上的气动
力将提供所希望的滚转力矩因此主动
气动弹性机具将具有积极的控制收益而胜于被动增强结构所付出的代价
为保证机具成功地实现扭转操纵除了改装机典外鬼怪工厂还在每侧机冀内部350多处安装了应变侧且片并专
门研制了用于FIA一18A试验机的新型飞
行控制计算机和大量的研究侧试设备研制人员通过密切监侧飞机在飞行过程中所有的结构载荷可以重新分布由于扭转造成的机冀载荷避免因材料疲劳而发生损坏
在对试验机进行了全面侧试后鬼怪工厂在2001年完成了重新组装工作在随后半年多的时间里德莱倾飞行动力学实验室对改装后的F/A18飞机的机
具进行了大量结构载荷加载试验包括
机翼扭曲试验和载荷校准试验试验中加载负荷达到了飞机设计限制载荷的70%
在此基础上AAW试验机
还经
受
了机其刚度和振动试验初步的控制软件也安装到了飞机的研究飞行控制计算机中进行了系统检查和飞行模拟
试验
据研制人员初步估算装有AAW的RA18A
试验机在高速飞行时
滚转速率
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