国内外变体机翼技术最新进展

采用新的结构概念形式，提高飞机结构的功能性和智能化，从而显著提高飞机结构效率，是飞行器发展的一条重要路径。其中，变体机翼技术在近年来受到重视。

2022年1月底，欧盟“洁净天空”计划支持的“变体翼梢小翼”项目工程样机在空客C-295运输机上完成飞行试验，这是变体机翼技术的又一次里程碑式进展，成功演示了集成新型结构、控制系统的变体机翼的功能实用性，提高了变体机翼结构技术的成熟度，推动了变体机翼的工程应用。变体翼梢小翼工程样机由机电作动器（EMA）驱动，结构上采用低成本无夹具复合材料工艺技术一体化成型，项目目标是实现结构减重约15%，飞机阻力降低约5%，飞机阵风载荷减缓约10%，从而提高飞机的飞行效率，降低燃油消耗。

发展背景和概念内涵

发展背景

为应对环境挑战，实现绿色航空目标，未来飞机对节能、减排、降噪的要求越来越苛刻，在飞机结构设计方面，实现这一目标的途径主要有两种 ：一是在传统飞机构型的基础上继续挖掘结构减重方法，进一步实现轻量化设计 ；二是采用新概念结构，提高飞机结构的功能性和智能化，变革性地提高飞机结构效率。然而，随着飞机结构的精细化发展，传统的结构优化设计方法能获取的减重收益空间已十分有限，且结构形式相对固化。以变体机翼为代表的新概念结构为飞机减阻降噪开辟了新的路径。

据美国国家航空航天局（NASA）德莱顿飞行研究中心研究数据显示，翼型阻力每降低1%，每年将为美国宽体运输机节省约7.57亿L燃油。使用自适应变体机翼的中程运输机，根据任务距离，可降低燃油消耗3%～5%。近年来，国内外变体机翼的大量研究结果证实，采用变体机翼是未来飞机进一步提高绿色环保性能的重要途径之一。

概念内涵

飞机在飞行过程中通过改变结构形状，适应不同的飞行环境条件，从而保持性能和效率最优的技术被称为变体结构技术，采用变体结构技术的机翼或飞机又被称为变体机翼或变体飞机。理想的变体机翼是基于智能结构理念设计而成的，可感知飞行环境和飞机姿态变化，经处理机进行综合运算决策后，通过闭环控制，实现机翼结构连续光滑变形。

国外变体机翼结构技术最新进展

机翼是决定飞机飞行性能的关键部件，变体结构的研究主要集中在机翼上。目前，以美国、欧洲、俄罗斯为代表的航空强国均在变体机翼方面开展大量研究。

01

美国 ACTE 项目

“自适应柔性后缘”（ACTE）项目由美国空军研究实验室（AFRL）、NASA和柔性系统公司（FlexSys）合作开展。2014—2015 年，ACTE变形襟 翼以“ 湾 流 ”III 公务机为平台进行了第一轮飞行试验，试验中最大飞行高度为12192m，最大飞行速度为Ma0.75，襟翼最大偏转角度为-2°和+30°。

2017—2018年，ACTE变形襟翼进行了第二轮飞行试验（ACTE II），主要验证三个方面的内容 ：一是机翼扭转变形试飞，即内外襟翼偏转不同的角度，以达到机翼扭转变形的效果 ；二是验证在常规巡航速度下变形襟翼的结构可靠性，试验中最大飞行速度接近Ma0.85，达到“湾流”III 公务机的最大巡航速度 ；三是开展减阻降噪性能验证。飞行中监测燃油流动和噪声，对比分析 ACTE变形襟翼对阻力和噪声的影响。

ACTE变形襟翼是首个进入到全尺寸飞行验证的变体机翼，通过机翼后缘的连续变形，有效提升了飞机的升阻比，降低了油耗，增加了航程，由于取消了传统襟翼的缝隙，在降低噪声方面也起到重要作用，目前看来是极具发展前景的变体机翼技术方案。

02

美国 MADCAT 项目

“任务自适应数字化复合材料航空结构技术”（MADCAT）项目是在NASA的“汇聚航空解决方案”（CAS）计划下推出的首批项目之一，由 NASA和麻省理工学院合作开展，该项目创新性地采用“积木式”拼装结构实现变体机翼设计。

2016 年，NASA联合麻省理工学院（MIT）研制出小尺寸验证机Madcat V0，其翼展1.32m，展弦比3.81，通过数值仿真、风洞试验和飞行试验，完成原理验证。

Madcat V0 小尺寸无人机机翼台架试验（a）和风洞试验（b）。

为了验证大尺寸模型的变形能力及强度刚度等性能，2019年3月，研究团队制造了展长4.27m的飞翼模型并开展风洞试验。

“积木式”变体机翼主要由体积元、柔性蒙皮、驱动系统三部分组成。试验分析表明，该设计具有如下优点 ：一是改善气动性能。“积木式”变体机翼可实现整个机翼的自适应连续光滑变形，机翼扭转 6°获得的气动效率与襟副翼偏转 10°相当 ；二是提高结构承载效率。“积木式”变体机翼采用超强、超轻复合材料制造的桁架结构，取代了传统的板梁结构，且能通过变形改变机翼的局部结构密度，从而提高承载效率，减轻结构重量 ；三是简化飞机结构设计、制造和维修流程。“积木式”变体机翼采用拼装设计，不需专门设计和制造复杂的结构零部件，还可通过替换损坏的体积元进行快速维修。

03

美国 VCCW 项目

“变弯度柔性机翼”（VCCW）项目由AFRL开展，旨在通过机翼前后缘变形改变翼型弯度，从而实现在没有襟副翼情况下对飞机俯仰、滚转等姿态的控制。

2015年，研究团队制造了展长0.3m的台架模型和展长1.8m的大尺寸模型，台架模型在怀特帕特森空军基地的DISCOVERY风洞中进行试验，验证该机翼在气动载荷下的变形能力。大尺寸模型在AFRL的垂直风洞（VWT）中进行试验，采用3D光学几何测量系统精确测量机翼的变形情况，建立所施加驱动力和机翼变形角度之间的映射关系。

VCCW 机翼台架模型（左）和大尺寸模型（右）风洞试验。

2019年9—10月，研究团队制造了经设计迭代后的第二代机翼，展长2.4m，在商用无人机上完成多次飞行试验，飞行中翼型弯度变化最高达到 6%。

AFRL 变弯度柔性机翼进行飞行试验。

VCCW变体机翼在设计上具有三大特点：一是采用柔顺机构实现分布式变形，可显著降低应力集中 ；二是使用一体成形的复合材料蒙皮，有助于维持翼面的光滑；三是沿翼展方向设置多个驱动器，可实现三维非均匀、非对称变形。

与传统的带离散控制面的机翼相比，VCCW变体机翼具有如下优势 ：一是可减缓气流分离，有利于层流设计，从而降低阻力，提高飞机的燃油经济性，增加飞机航程。据AFRL评估，VCCW变体机翼的应用可将飞机的油耗降低约 10% ；二是取消缝道，消除了襟副翼噪声源，大幅降低飞机噪声 ；三是单体设计使翼肋和蒙皮更加坚固，强化了机翼结构，提高了结构可靠性 ；四是光滑连续的变形能力便于优化机翼外形，有利于飞机结构的隐身设计。

04

欧盟 SARISTU 项目

“灵巧智能飞机结构”（SARISTU）项目是欧盟第七框架设立的新概念机翼研究项目，项目经费 5100万欧元，研究周期为2011年9月至2015年8月，由空客公司牵头。

SARISTU项目通过在机翼的前缘、后缘、翼尖集成不同形式的变形结构来改善飞机的性能，可实现飞机减阻约6%，降噪约6dB。该项目设计并制造了大尺寸变体机翼演示样件，并开展了相关的功能和性能试验。

SARISTU项目探索了未来飞机结构智能化、灵巧化的新技术，通过大量的演示验证，形成了“几十个演示平台、几百个演示部件、上千个子部件和上万个演示元件”一系列研究成果，相关技术成熟度已达到5~6级。

05

欧盟“变体翼梢小翼”项目

2021年，“变体翼梢小翼”项目完成了变体翼梢小翼数字模型设计和工程样机研制。2022年1月，工程样件在空客C-295运输机上完成飞行试验。

变体翼稍小翼数字模型和工程样件。

06

空客“超性能机翼”项目

“超性能机翼”项目由空客公司设立，于2021年9月启动，目标是通过仿生设计改善机翼气动性能，从而减少二氧化碳排放。

2022年4月，空客公司完成“超性能机翼”演示样机风洞试验，试验模型通过3D打印技术制造而成。根据项目计划安排，未来将使用缩比样机在赛斯纳“奖状 VII”公务机试验平台上进行试飞。

“超性能机翼”项目重点研究和验证4项技术 ：一是加装阵风传感器，使飞机能自动调整机翼控制面以应对阵风载荷 ；二是采用半气动弹性铰链翼尖，飞行中根据需要，翼尖可自动折叠或展开，该技术曾在空客“信天翁 1号”项目中进行过小尺寸样机的飞行验证 ；三是采用多功能变体机翼，可在飞行中改变机翼后缘形状，从而提高飞机的总体气动性能 ；四是安装弹出式扰流板，可根据气流状况快速偏转至所需角度，从而优化机翼性能。

“超性能机翼”（eXtra Performance Wing）项目演示样机风洞试验。

空客“信天翁1号”进行过“超性能机翼”的折叠翼尖飞行试验。

07

俄罗斯“无人机柔性前后缘机翼”

项目

“无人机柔性前后缘机翼”是俄罗斯斯科尔科沃科学与技术研究所开展的研究性项目，旨在探索变体机翼对无人机气动性能的影响。

2018年，研究团队以中型无人机为对象，设计了一种具有自适应后缘襟翼和前缘缝翼的变体机翼模型。

处于不同状态的可变形缝翼和襟翼。

该团队采用丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）塑料和硅树脂通过3D打印方法制造了原理样机并开展风洞试验。

用于变体机翼试验的风洞，其中1-粒子源，2-进气口，3-试验舱，4-高速摄像机，5-激光示踪系统，6-电机和出气口

风洞试验结果表明，与传统带有离散式缝翼、襟翼的机翼相比，自适应变体机翼的升力系数小幅提升，阻力系数有较大程度降低，某些工况下的升阻比提高20%～30%。因此，该变体机翼可降低无人机的能耗，从而提高无人机的航程和续航时间。

未来趋势分析

变体机翼因具有提高飞机的气动效率、降低油耗和噪声等优点，已成为军民用飞机新概念结构发展的热点。目前，部分变体机翼方案已经完成风洞试验和飞行试验，工程化进展迅速。总结国外最新进展，有几点发展趋势需要注意。

局部自适应变形是未来热点

早期变体机翼结构技术的研究主要在美国，以折叠机翼、滑动蒙皮、压缩机翼为代表的技术使机翼可大范围变形，旨在提高军用飞机机动性，改善飞机高速巡航时的气动性能。由于受到驱动技术、控制技术等的限制，大范围改变机翼形状带来了较大的重量代价，且结构稳定性和可靠性降低，进而影响飞机的安全性。20世纪90年代以来，欧洲 DLR、空客公司开始在变体机翼方面开展研究，通过智能后缘、智能翼梢、智能前缘的研究，在材料、结构、气动等方面积累了的大量的基础数据。

近年来，变体机翼的研究重点逐步由机翼的整体大范围机械式变形转向了机翼前后缘、翼尖的局部连续光滑变形，局部自适应变形降低了对于驱动力的需求，重量代价小，可实现性强，是变体机翼未来研究的热点和趋势之一。

智能化程度将不断提高

变体机翼结构技术通常与自适应结构、智能结构等概念紧密相关。通过对国外相关项目的研究分析发现，变体机翼正向着更加智能化的方向发展，主要体现在两个方面 ：一是以压电陶瓷、形状记忆合金 / 聚合物等为代表的智能驱动材料和系统得到越来越充分的研究和验证，为变体机翼提供更加智能化的驱动方式 ；二是从国外飞行试验的发展历程可知，从对称固定偏角试飞，到扭转构型试飞，再到动态改变偏角试飞，变体机翼正一步步增加变形的复杂度和智能化。在空客“超性能机翼”项目中，已计划根据阵风传感器获取的数据，自动调整机翼形状以应对阵风载荷。未来，随着传感器、控制系统、变形装置的集成度越来越高，变体机翼的智能化程度也将大幅提升。

编辑：黄飞