基本介紹
- 中文名：變形飛機
- 外文名：Morphing aircraft
- 概念：飛行器在飛行過程中可以改變外形
- 軍用飛機：未來變體飛機採用智慧型變形技術
特點,原理,優點,套用,無人機,巡航飛彈,直升機,空天飛行器,微型仿生飛行器,民用飛機,型號舉例,“海鷂”戰鬥機,F-14“雄貓”,我國發展,
特點
對於軍用飛機而言，未來變體飛機採用智慧型變形技術，可以解決不同設計點氣動布局的矛盾，改善多功能性，可在短跑道上起飛，大大增加航程，提高其經濟性和作戰效能。民用飛機採用變體技術可以針對飛行各階段的不同要求改變機翼的平面形狀，如在巡航階段可增大機翼的展長或改變彎度，以達到提高飛機升阻比，增大航程的目的；或利用發動機進氣道和尾噴口變形技術，在保持同樣航程的情況下，達到降低噪聲、節省燃油的目的。
原理
變形飛機是一種柔性的、具有結構自適應能力的新概念飛行器，它在飛行過程中可以根據需要靈活改變自身（目前主要是機翼）的氣動外形以適應飛行條件的變化，從而使飛機在執行不同任務或處於不同飛行環境時的飛行性能都可以保持在最佳狀態。一旦這種變形技術進入使用階段，將會大幅提高未來飛機的性能。
變形飛機概念的提出源於鳥類飛行對人類的啟示。人們在長期觀察中發現，儘管人造飛行器的飛行高度和速度是鳥類等飛行動物無可比擬的，但鳥類在飛行過程中其翅膀、身體各部分甚至每一塊肌肉、每一片羽毛都可本能地隨氣流進行微妙地、近乎實時的調整，因而能夠在各種複雜環境下隨意地盤旋、倒飛、懸停或側向滑行，這種能力卻是目前的人造飛行器所不可企及的。若能模擬鳥類的這種能力，在飛行過程中有目的地調整飛行器的氣動外形將顯著減小飛行阻力，增大升力，從而大幅提高飛機的飛行性能(加快速度、增大機動性、降低油耗)，並最大程度地滿足不同任務狀態(如起降、巡航、俯衝、機動飛行等)或不同飛行環境(如高度、速度、氣象條件等)下對飛機飛行性能的不同要求。變形飛機就是在這種思想指導下，將新型智慧型材料、作動器、激勵器和感測器無縫地綜合套用于飛行器的一種全新設計理念。這種飛機表面遍布有靈敏的感測器(類似於鳥類的感覺神經)密切監視著整個機翼和機身表面的氣壓條件變化，並適時將這些變化傳遞給內部作動器(類似於鳥類的骨骼肌肉)，通過作動器平滑而持續地改變飛機機翼甚至部分機身的位置、形狀和尺度以回響不斷變化的外部環境，使飛機的氣動外形始終保持在最優狀態，從而像鳥類一樣在空中靈活自如地飛行。
優點
經研究發現，飛行器採用變形技術後除具備優異的氣動外形從而提高飛行性能外，還具有以下優點：提高飛行安全性，並改善飛機起飛著陸性能以適應在各種條件的機場(如短跑道機場)起降；在變形技術基礎上可以形成新的舵面設計和流動控制方法，改善飛行器的操縱和控制品質；利用機翼變形來操縱飛機可以取代現有飛機上的全部控制翼面，減輕結構重量、減小阻力和雷達反射面積(目前飛行器的控制翼面都是較大的反射體)；在飛行器上綜合套用變形技術(包括變形機翼、變形機身以至於變形進氣道、變形噴管等)有助於改善發動機性能，拓寬其跨高度、跨速度穩定工作範圍，提高推進效能；在戰時可根據戰場態勢和戰術需要機動靈活地改變自身隱身特性，減小或故意增強雷達散射面積。
套用
變形飛行器所固有的各種優異特性使其無論在軍用還是民用領域都有廣闊的套用前景。從目前國外(主要是美國)對變形飛行器潛在用途的研究來看，主要包括以下幾方面：
無人機
無人機採用變形技術後能從根本上改善其不同任務狀態下的飛行性能，將同時兼顧長航時巡邏飛行、高速衝刺和高機動飛行能力，使無人機在擔負傳統的偵察監視任務的同時具備有效打擊各種地(海)面甚至空中目標的能力。隨著技術的成熟，變形技術未來同樣可以套用到有人駕駛飛機上。
巡航飛彈
將智慧型變形技術套用到巡航飛彈上，戰時可針對不同的作戰任務、戰場環境和攻擊目標，通過採用自適應變形彈翼技術等措施機動靈活地改變飛彈氣動外形、飛行性能和隱身特性，在大幅提高作戰效能(增大飛彈射程、提高命中精度、增加突防機率)的同時擴展飛彈的任務領域(從單純的一次性攻擊擴展到待機巡飛、偵察監視、目標指示或彈群領航等諸多任務)。
直升機
變形技術的套用將會促進直升機用的智慧型變形旋翼(如美國正在研製的“任務自適應旋翼”)的研製。這種旋翼可以自動感受旋翼自身或者機體的振動、噪聲等特性，並適時對旋翼有關參數進行相應調整，從而使直升機的飛行性能、操控特性、振動噪聲以及旋翼本身的結構、重量和疲勞性能都得到極大的改善。
空天飛行器
新一代空天飛行器將跨大氣層飛行執行各種使命，在飛行過程中其速度、高度和環境將在大範圍內急劇變化，傳統的固定外形或通過機械操縱局部調整氣動外形的飛行器很難適應，採用變形技術則可解決這一難題。
微型仿生飛行器
微型仿生飛行器採用變形技術將有助於改善抗風穩定飛行能力，降低能耗，增加航程和續航時間。
民用飛機
變形技術用於民用飛機可降低油耗、增大航程、減小噪音、提高乘坐舒適性。目前德國宇航中心(DLR)實驗室正在進行這方面的研究，希望通過採用變形結構(包括可變形後緣)來改變“空客”A340等飛機在飛行過程中的機翼形狀，以提高其升阻比。
由上述用途可以看出，變形飛行器作為一種具有“智慧型”功能的、按需應變的新概念飛行器，在各種飛行環境和各種任務狀態下都具備良好的飛行性能，能做到性能與效能、成本與效益的兼顧，大大擴展了傳統飛行器的任務領域，對未來高技術飛行器的發展將產生巨大影響，甚至有望成為新一代飛行器性能取得突破性進展的重要源泉，因此無論在軍用還是民用方面都有著有廣闊的套用前景。尤其是在軍事上，一旦變形技術成熟並大量採用將大幅提高軍用飛機的綜合作戰效能和效費比，為軍用飛機的設計思想帶來革命性的變化，並在軍隊戰術思想、作戰模式和組織編制等方面引發一系列重大變革。
由上述用途可以看出，變形飛行器作為一種具有“智慧型”功能的、按需應變的新概念飛行器，在各種飛行環境和各種任務狀態下都具備良好的飛行性能，能做到性能與效能、成本與效益的兼顧，大大擴展了傳統飛行器的任務領域，對未來高技術飛行器的發展將產生巨大影響，甚至有望成為新一代飛行器性能取得突破性進展的重要源泉，因此無論在軍用還是民用方面都有著有廣闊的套用前景。尤其是在軍事上，一旦變形技術成熟並大量採用將大幅提高軍用飛機的綜合作戰效能和效費比，為軍用飛機的設計思想帶來革命性的變化，並在軍隊戰術思想、作戰模式和組織編制等方面引發一系列重大變革。
型號舉例
“海鷂”戰鬥機
英國的變形飛機——“海鷂”戰鬥機是艦載式的戰鬥機。它起飛時像直升機一樣，利用背上的螺旋槳騰空而起，飛到一定高度後，突然從兩側伸出“翅膀”，背上的螺旋槳則停止轉動，直升機立刻就變成了戰鬥機。
英國宇航公司生產的“海鷂”戰鬥機是世界上第一種實用的可以垂直起落、快速平飛、空中懸停和倒退飛行的戰鬥機。該機由英國霍克·西德尼航空公司研製，經長時間研製後，於1966年8月31日首飛。在1982年4月的英阿馬島戰爭中，英國的“海鷂”曾發揮過重要的作用，使用AIM-9“響尾蛇”近距空空飛彈擊落了多架阿根廷幻影Ⅲ戰鬥機和其他攻擊飛機。“鷂”式各型都可裝備各種空對空、空對地(艦)飛彈、各種炸彈及火箭發射器等武器裝備。
F-14“雄貓”
可變形飛機F-14“雄貓”(Tomcat)是最初由美國海軍研製，後來被伊朗國王購得，因為它是當時能獲得的最複雜的戰鬥機。這種飛機裝備了空對空飛彈，特別是擁有一個能在60英里範圍內同時跟蹤八個目標的雷達裝置，遠比伊拉克的任何武器都更先進。
F-14戰鬥機是冷戰時期美國為對付蘇聯遠程轟炸機而設計的，是美國海軍航空隊配備的超音速、遠程截擊艦載戰鬥機，其最大特點是速度快，並且是美國第三代戰鬥機中火力最強的機種，也是最早具備打擊能力、多目標跟蹤能力的第三代戰鬥機。
我國發展
“中國人要不要研製智慧型可變形飛行器？怎樣研製？同樣的問題，恐怕是政治家、軍事家持一種觀點，科學家、工程師可能會持另外一種觀點，甚至在科學家和工程師之間也有很大分歧。”在中國科學院院士、北京理工大學校長胡海岩看來，雖然大家看待智慧型可變形飛行器技術的角度不同，但可以取得基本共識，這就是要立足長遠，從現在就開始謀劃“路線圖”並積極展開研究。
胡海岩說，智慧型可變形飛行器研究將給技術科學和工程實現帶來巨大挑戰，從而推動相關科學技術的巨大進步。人們在朝著一個遠大科技目標努力的過程中，會產生很多科學發現和技術創新的副產品，有時副產品的價值甚至會超過原來的主攻目標。在科學技術發展史上，有很多這樣的例子。
“就開展智慧型可變形飛行器研究而言，它將會對飛行器總體技術、空氣動力學、功能材料、智慧型結構、自動控制等研究產生直接推動，還會促進仿生結構、流固耦合、機電驅動等新興交叉技術的發展，甚至帶來飛行器設計、載運工具設計的革命性變化。”胡海岩說，“從這些方面看，智慧型可變形飛行器研究對我們有很大的吸引力。”
航天科工集團科技委研究員花祿森也認為，開展智慧型可變形飛行器的研究會對中國科學技術產生很大的帶動作用。“不能因為智慧型可變形飛行器是前沿技術，需要基礎研究和技術集成的時間長，我們就放棄。如果等著一切都成熟了再去做，那就已經晚了。”
“智慧型可變形飛行器可以提高我國航空航天的綜合設計水平，牽引相關技術的發展。”瀋陽飛機設計研究所研究員邱濤表示，通過開展變體飛機技術的研製，將極大促進相關學科的發展和交叉、融合。它涉及力學、材料學、控制科學、仿生學、電子學、計算數學信息科學等學科。如計算力學和材料科學的交叉導致多尺度、跨層次計算；空氣動力學與仿生學的交叉產生新流型以及氣動彈性分析技術的發展；空氣動力學、結構力學、氣動彈性力學、數學與材料科學的交叉，形成飛機外形、結構和材料的多種綜合最佳化設計的發展；智慧型材料、控制理論和信息科學的交叉促進智慧型結構及其主動控制的發展，形成飛機多學科最佳化設計和總體設計集成的理論與方法。
在沙龍上，與會專家對於是否要搞智慧型可變形飛行器這個問題，基本達成一致意見：中國人應該搞，而且要搞好。
在沙龍上，邱濤介紹了中國變體飛行器的研究現狀：從20世紀90年代起，許多科研院所和高校開展了變體智慧型材料領域的研究。儘管中國多家單位在變體飛機相關的基礎技術研究方面做了一定的工作，但如何將單項技術集成起來研究發展新一代飛行器，還沒有總體牽頭單位。邱濤說：“僅靠單項技術的突破不可能研製出創新的飛行器。”
在談到中國開展變體飛行器的研究目標時，邱濤認為，以變形機翼為牽引，開展先期綜合集成研究，經過15年左右的時間突破各專業的關鍵技術，經地面試驗和試飛驗證之後，推廣套用到軍用飛機、民用飛機以及航天工程上。 在中國目前的國情下，怎么來思考智慧型可變形飛行器技術發展的未來？對此，胡海岩表示，決不能僅僅是跟蹤國外技術。對於智慧型可變形飛行器這樣一個具有遠景的研究來看，由於沒有直接的型號需求或者背景需求，應該立足國情，準確把握國內已有的技術優勢，把這些優勢綜合起來，制訂適當的中長期奮鬥目標，分階段實施。
參加沙龍的中國科學院院士周恆表示，對於智慧型可變形飛行器研究而言，應該提出一個很明確的目標，包括技術上的近期、遠期的可行性，表明想要達到什麼效果。
中國科學院院士、中國科學院研究生院教授童秉綱提出，智慧型可變形飛行器研究可以從自然界生物的飛行和遊動得到重要啟示，因此要高度重視仿生學等基礎性研究，包括昆蟲和鳥類的飛行原理，抗風穩定飛行的能力，乃至生物材料和結構等。有些問題雖然很難，但不能因為難就放棄，要從實際需求出發，用系統工程的觀點加以安排。
對於如何確定中國研製智慧型可變形飛行器的路線圖，花祿森表示，從中國航空航天的研究現狀看，要想不增加飛行器的重量就實現智慧型可變形，目前還不太可能，因為目前的材料水平、驅動器水平等等都差距很大。從實際情況看，飛行器的全面變形，目前還難以實現；而局部變形，在可承受的範圍內，實現飛行器性能的提高並不是不可能的。
花祿森說，循序漸進可能比較好，技術成熟一點用一點，同時加大基礎研究，這需要耐心、毅力和韌勁。
