引言
“變體”飛機是指能夠在飛行中改變氣動外形，如機翼面積、展弦比和后掠角等，使飛機在不同飛行狀態下性能保持最佳的飛行器。與常規固定布局飛機相比，變體飛機的飛行包線更寬，作戰效能更高，它能夠根據飛行環境、飛行剖面以及作戰任務等需要，自主地改變氣動構型，優化其飛行性能。目前，國外的一些研究機構正致力于變體飛機的研究，并已取得一定進展。如NASA蘭利研究中心當前正致力于智能材料及新型作動器的研究。美國五角大樓國防預研計劃局和空軍研究實驗室已經實施了“變形飛行器結構”(MAS)計劃。在此項目中，承包商洛克希德·馬丁公司和新一代航空技術公司分別提出了“折疊機翼”方案和“滑動蒙皮”變形機翼方案，并取得了一定進展。與此同時，國外多所大學也研究了不同形式的變體飛機，對機翼變形結構的實現途徑、設計方法、氣動彈性及飛行動力學與控制等關鍵技術做了大量理論分析。
由于變體飛機需根據不同飛行狀態改變構型以適應任務要求，因此它的設計面臨諸多復雜問題。要設計出在全飛行包線內均具有優良飛行性能和品質的變體飛機，需要在各種關鍵技術上取得新的突破。本文針對當前提出的幾種不同形式變體飛機，分析了涉及的各學科關鍵技術，對變體飛機的設計具有一定參考價值。
1 主要變形方式
機翼是飛機改變構型的主要部件。變體飛機變形的方式主要是改變機翼的形狀，其中又以改變機翼的展長和面積效果最為明顯。機翼面積的改變可以通過折疊、伸縮機翼或者滑動蒙皮等方式來實現，見圖1。機翼的折疊及伸縮主要通過新型的驅動機構來實現，需采用新型的智能材料來保證機翼折疊后的完整性。滑動蒙皮機翼方案是通過新型的智能結構，使蒙皮變形以達到改變機翼面積的目的，其機翼蒙皮需采用智能材料。通過機翼的變形和輔助舵面的偏轉，可以改變機翼平面形狀和翼型的幾何參數，從而適應飛行條件的變化。
圖1 變體飛機機翼的主要變形方式
變體飛機設計時以多個不同飛行任務的性能指標最優作為設計目標，其設計是一個復雜的系統工程，涉及到多個學科。其關鍵技術包括:總體設計、氣動設計、智能材料及結構設計、可控性設計與飛行控制系統設計等。
2 總體及氣動協調設計
變體飛機可兼顧起降、巡航、機動等多任務需求，其在總體設計上的思想和方法與常規飛機有所不同。變體飛機的總體設計必須考慮多學科交叉綜合，通過總體及氣動協調優化設計以保證其在不同飛行條件下均具有較好的氣動性能。
機翼的幾何形狀是影響飛機氣動性能的主要因素。大展弦比飛機在亞聲速下具有較大的最大升阻比(Kmax)，在超聲速時小展弦比飛機Kmax較大。變體飛機可以改變展弦比的大小，從而在亞聲速和超聲速飛行時都具有較大的Kmax，以提高不同飛行速度下的氣動性能，如圖2所示。
圖2 不同氣動布局下的最大升阻比
飛機在一個完整的飛行任務剖面中，對于不同的飛行階段有著不同的飛行性能指標。如在待機時，要求飛機的航時最大，而在迅速完成轟炸任務時，要求飛機以最大的飛行速度快速飛行等。為了保證變體飛機整個飛行剖面的優良性能，在初始總體設計上，需要考慮機翼變形對氣動特性的改變。對于變體飛機，不同飛行狀態下機翼平面形狀和翼型之間的協調問題需要在氣動設計上予以解決。如何設計變體飛機的氣動構型，使得飛機在不同任務和飛行條件下采用不同構型時都具有較好的氣動特性是變體飛機總體設計的難點。因此，在進行變體飛機的總體參數設計時，要從全局出發，根據不同任務的需求進行優化設計，協調各個方面的需求，折中確定飛機的總體構型參數，最終形成一個完整的設計方案。研究表明，通過總體優化設計后的變體飛機，相對固定構型飛機，其在相同的飛行任務下起飛重量更大且空重更小，飛行性能明顯提高。
發動機推力特性如何與變體飛機不同構型的阻力特性相適配也是總體設計時需要考慮的因素。變體飛機需要在不同的飛行狀態下執行不同的任務，因此，目前針對某特殊飛行任務來設計發動機的方法需要改變。對于變體飛機，發動機須在低速和高速下都具有較好的性能，因而需要進氣道、尾噴口等部件能夠改變形狀以滿足不同的推力要求，以匹配不同構型的阻力變化。
變體飛機不僅在不同靜態構型下氣動性能有很大的改變，在機翼變形的動態過程中，其氣動力變化也比較復雜，變體動態過程中可能會產生非定常氣動力。在風洞實驗中測定機翼變形動態過程的氣動力時，飛機模型的加工是一個難點，如何通過支撐及驅動機構使飛機的機翼形狀按要求動態改變，并且使支撐部件對氣動力的干擾較小，也是需要解決的問題。若通過CFD計算動態過程的非定常氣動力，隨著機翼形狀的改變所建立的計算模型很多參數(如邊界條件等)需要改變，從而使計算更為復雜。機翼變形的整個過程實際上是從靜止先加速，然后勻速轉動，最后減速的過程。因此，機翼加減速階段的轉動加速度和勻速轉動的角速度會影響機翼的氣動力，如果變體過程中機翼的轉動頻率太大，機翼上就有可能產生不期望的非定常流動。
3 智能機翼結構設計
變體飛機的機翼需要在不同飛行狀態下均具有優良的性能，因此，其機翼結構應具有自適應性。機翼的蒙皮材料和結構驅動技術是變體飛機設計的最大難點之一。
變體飛機機翼比常規飛機機翼有更多的運動機構和部件，變體后可能會破壞機翼結構的完整性。當機翼的形狀變化后，其內部結構和蒙皮必須有足夠的承載能力。另外，變體飛機在變形過程中應盡量保證機翼表面的連續，并且使機翼的連接處光滑且間隙很小，以避免產生不期望的氣動力。
基于這些復雜的因素，變體飛機要能夠實現機翼的自主變形，所用的機翼變體機構必須采用智能材料和新型智能驅動結構，以便在結構重量增加不大的情況下最大限度地提高變體給飛機帶來的性能收益。
在智能材料與驅動結構方面，壓電材料、電致收縮材料、磁致收縮材料、形狀記憶合金、生物仿生材料、導電高分子材料、磁流變體和電流變體材料均可作為變體飛機的蒙皮及驅動結構材料。由于壓電材料既可以作為傳感器，又可以作為作動器，因此在變體飛機的結構設計中被廣泛應用。
4 可控性設計
變體飛機構型改變時，如何保證其飛行的可控性也是一個需要解決的重要問題。通過對機翼變形前后的靜態構型和變體動態過程的動態特性研究，可為飛行控制設計奠定基礎。
首先，必須科學地設計變體飛機的新型操縱舵面，使其能夠產生滿足飛機可控性需求的三軸力矩。由于舵面位于能夠變形的機翼上，當機翼形狀改變后，某些舵面的操縱效率及操縱功能可能會受到限制甚至改變。以無尾折疊翼變體飛機為例，當機翼展開時，內段機翼上的舵面可用于縱向操縱，功能相當于升降舵，如圖3(a)；而機翼折疊一定角度后，該舵面的偏轉會逐漸產生偏航力矩，當機翼折疊角度達90°時，此時該舵面的功能相當于方向舵，如圖3(b)；若機翼完全折疊使內段機翼與機身貼合時，內段機翼上舵面的偏轉會受到限制，甚至不可操縱，如圖3(c)。可見，變體飛機在不同構型下其可操縱的舵面數量和功能可能不同，因而其舵面設計必須滿足機翼變形前后所有構型的可控性要求。
圖3 機翼折疊時內段機翼上操縱舵面的變化
在機翼形狀動態改變的過程中，建立變體飛機的運動模型時，可將飛機整體視為由機身以及機翼活動部分多個剛體組成的系統(如圖4)。變體飛機機翼形狀的改變使得飛機的重心位置及作用在其上的氣動力大小和方向均發生變化，由此可能導致各軸向力和力矩的不平衡。因此在分析機翼變形過程中飛機的動態特性與仿真研究時，要涉及到飛機氣動力變化以及多體系統動力學的建模問題。
圖4 變體飛機多體系統描述
變體過程中機翼的轉動頻率會對飛機的氣動力產生影響。根據飛行任務和飛行條件的要求，如何確定機翼變形頻率的大小，使變體速度既滿足任務需求，又對飛行產生的不利影響最小，也是一個需要考慮的問題。
變體飛機氣動布局的改變使其穩定特性受到影響。飛機氣動外形改變后，其重心位置及氣動特性隨之改變，如圖5。變體后飛機各軸向的穩定性會發生改變。對于縱向來說，需要考慮變體后飛機氣動焦點和重心的適配以保證飛機具有良好的穩定性和操縱性。若變體飛機變體前后的各軸向操穩特性較差，則需要通過飛行控制系統的設計來保證飛機具有良好的飛行品質。
圖5 變體前后重心與焦點的匹配
5 飛行控制系統設計
變體飛機所對應的最優性能與飛行條件和氣動外形參數有關。在不同的飛行狀態下，這些參數可能在相當大的范圍內變化，給變體飛機的飛行控制系統設計帶來挑戰。
變體飛機通過變形改變氣動構型后，不同的飛行狀態和飛行任務下飛機的操縱舵面的數量和功能會發生變化，因此，在設計變體飛機的控制律時，需要研究多功能操縱面的管理問題。
對于變體飛機這種參數幅度變化大的被控對象，需要設計適合于變體飛機的控制系統才能使其在不同飛行條件及構型條件下的飛行品質得到改善。變體飛機的飛控系統必須能夠保證其所有靜態構型及氣動構型動態變化過程下的穩定飛行。例如，為了使飛機在機翼變形過程中飛行姿態保持不變，需要飛行控制系統能夠根據氣動力及舵面的變化來完成飛機飛行姿態的控制任務。因此，變體飛機構型、操縱舵面數量及功能變化時，飛行控制系統應能自適應重構，以完成不同飛行任務的控制要求。
6 結束語
變體飛機由于需要改變氣動外形適應多任務飛行要求，其涉及的關鍵技術比常規飛機更復雜，在總體設計、氣動設計、智能機翼結構設計及飛行品質分析與控制設計等方面都與常規飛機有很大區別。要設計出在全飛行包線內均具有優良飛行性能和飛行品質的變體飛機，需要在以上關鍵技術方面取得新的突破。目前國外對變體飛機的研究已經有一定進展，但距離真正實用還有一定距離，還有很多關鍵技術尚待解決。
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本文標題：變體飛機設計的主要關鍵技術
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