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【工业之美】NASA造了一架可以折叠机翼的新飞机 灵感来自于老鹰捕食

该设计通过一个连接机翼的铰链来控制机翼形状,最高可弯折75度,飞行员可通过调节铰链找到飞行阻力最小和升力最大的最优位置。

在自然界,老鹰捕猎时发现目标后发起高速俯冲,为保持平衡,它的翅膀会在整个俯冲阶段都保持收拢。日前,美国国家航空航天局(NASA)正研究如何将这一原理实际应用到飞机设计中去,通过折叠机翼来减少飞行阻力、提高飞机的升力和偏航控制力。

据《每日邮报》消息,NASA的阿姆斯特朗飞行研究中心与兰利研究中心、格伦研究中心的团队正合作开发一种名为“展向自适应机翼(SAW)”的新型概念。该设计使用了机械接合的方法,通过一个连接机翼的铰链来控制机翼形状,最高可弯折75度,飞行员可通过调节铰链找到飞行阻力最小和升力最大的最优位置。

SAW概念图 来源:NASA

机翼是飞机的重要部件之一,安装在机身上。其最主要作用是产生升力。“理想地来说,我们希望能够控制部分机翼,通过向上或向下弯折来找到最佳的飞行条件,”该项目的首席调查员Matt Moholt说道,“比如你在一个需要垂直爬升的飞行情景下,那么机翼的最优位置则可能是调高或调低15度”。

超音速飞机 来源:网络

除了普通的飞机,NASA认为SAW的设计可以帮助提高飞机以超音速和高超音速的速度飞行时的效率。一旦飞机突破音障(音障指在飞行速度达到音速的十分之九,即马赫数M0.9空中时速约950公里时,局部气流的速度可能就达到音速,产生局部激波,从而使气动阻力剧增),飞机在获得更大的升力的同时也面临着更大的偏航风险(飞机绕机体发生旋转)。

垂直稳定器 来源:网络

因此,超音速飞机和质量很大的飞机都需要为控制飞行过程中出现偏航现象而安装垂直稳定器。垂直稳定器的主要作用为维持飞行方向的稳定,并在起降过程中发生发动机失效引起的不对称推力时对飞机进行有效控制。

NASA则认为,相较于笨重的稳定器,控制更小更精确的机翼形状可达到同样的稳定效果,可承担部分垂直稳定器的功能。SAW的末端可通过向上或向下折叠,以创造更多的垂直表面来增加稳定性,并且会在需要关键的升力的起降阶段展开机翼,以增加飞行的升力面。该设计可以有效减少、或除去飞行过程中对垂直尾翼的使用,飞机所要承受的阻力和重力减小,燃料的消耗量也会随之降低。

一直以来,对折叠机翼的研究和使用均停留在旨在减少所占空间的阶段。 来源:NASA

“折叠机翼”的概念自1940年代以来就已存在。一直以来,对折叠机翼的研究和使用均停留在减少所占空间的阶段,为飞机在航空母舰的甲板上占据更小的空间或是更适合小型机库做出折叠的设计。但NASA的研究却扩展了一个全新的领域,对传统的固态飞行系统进行了突破。

NASA对SAW设计初衷就是要将这一概念融入21世纪所使用的先进技术和材料。“我们正在回顾折叠翼飞机的研究,因为上世纪60年代不存在的制动器技术,目前机翼所需的接合和控制变得更小、更精准”,Moholt说。

此外,NASA还指出,SAW还能实现动态的位置改变,它能根据不同的飞行条件将升降和偏航两种模式混合起来使用。

正在试飞的飞机左侧机翼后缘安装了“自适应柔性后缘” 来源:网络

当然,NASA关于新飞机设计的实验数不胜数,“折叠机翼”之于NASA也并不是完全陌生的领域。2015年,在NASA完成的长达六年的“环境友好航空项目(Environmentally Responsible Aviation program)”中,有一项被称为“自适应柔性后缘(ACTE)”的新型变形机翼技术完成了22次飞行测试,ACTE的襟翼可在-2度至30度的范围内进行弯折。

原型机 来源:NASA

目前NASA暂未透露有关SAW是如何工作的细节。据其官网消息,目前NASA正与波音、Area-I合作开发一个SAW的原型,计划2017年春天在“Ptera”的比例模型机上进行测试,并将对机翼接合最优化的全尺寸制动器也展开地面测试,对适航性和潜在的燃料储蓄的分析也将同时进行。

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