NASA開發(fā)積木式飛機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)
當(dāng)紙上的化學(xué)物質(zhì)被屏幕上的數(shù)字像素取代時，人類實(shí)現(xiàn)了從畫像到攝影的變革。如今，美國航空航天局（NASA）的科學(xué)家和工程師通過研究證明了飛機(jī)結(jié)構(gòu)也可以通過小型單元的&積木式&組裝實(shí)現(xiàn)定制化設(shè)計。近日，NASA正在開展的&任務(wù)自適應(yīng)數(shù)字化復(fù)合材料航空結(jié)構(gòu)技術(shù)&（MADCAT）項(xiàng)目披露了最新研究進(jìn)展，通過4米翼展的飛翼模型風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果初步驗(yàn)證了這種結(jié)構(gòu)的潛力。
MADCAT項(xiàng)目背景3年時間從小尺寸原理驗(yàn)證到大尺寸制造和風(fēng)洞試驗(yàn)
MADCAT是在NASA的收斂航空解決方案（CAS）計劃下推出的首批項(xiàng)目之一。在CAS計劃支持下，2016年NASA聯(lián)合麻省理工學(xué)院研制出&積木式&柔性機(jī)翼的小尺寸驗(yàn)證機(jī)Madcat V0，其翼展1.32米，展弦比3.81，通過數(shù)值仿真、風(fēng)洞試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)，完成原理驗(yàn)證。為了確定這種超輕復(fù)合材料積木式結(jié)構(gòu)的設(shè)計和制造是否可以從試驗(yàn)臺擴(kuò)大到全尺寸飛機(jī)，NASA艾姆斯研究中心與蘭利研究中心、麻省理工學(xué)院、加州大學(xué)伯克利分校以及圣克魯斯進(jìn)行合作，完成了該飛翼模型的設(shè)計和制造，目的是驗(yàn)證積木式結(jié)構(gòu)可以在非常低的質(zhì)量密度下還具有足夠的強(qiáng)度和剛度，以及可編程組件具有調(diào)整結(jié)構(gòu)氣動彈性響應(yīng)的能力。
采用熱塑性材料3D打印制造的體積元是積木式飛機(jī)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)
積木式飛機(jī)結(jié)構(gòu)內(nèi)部不再是傳統(tǒng)的離散式的梁肋骨架，而是大量的骨骼狀體積元，體積元用螺栓連接在一起，形成一個類似于細(xì)胞的積木式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)不僅可以承受飛行中的氣動載荷，還可以在氣動載荷下按照特殊的設(shè)計產(chǎn)生變形，包括機(jī)翼彎度和扭轉(zhuǎn)角的變化。
積木式結(jié)構(gòu)主要由桁架結(jié)構(gòu)、柔性蒙皮、驅(qū)動系統(tǒng)三部分組成。桁架結(jié)構(gòu)由八面體體積元通過微型螺栓連接而成，體積元是由高剛度碳纖維復(fù)合材料注塑成形的骨骼狀多面體；柔性蒙皮為聚酰亞胺薄膜，通過螺栓與桁架結(jié)構(gòu)連接；驅(qū)動系統(tǒng)主要包括伺服電機(jī)和轉(zhuǎn)向管。轉(zhuǎn)向管在伺服電機(jī)的驅(qū)動下帶動桁架結(jié)構(gòu)連續(xù)變形，蒙皮用于維持光滑的氣動表面。
體積元材料包括兩種不同的聚醚酰亞胺熱塑性材料：一是具有20%短切玻璃纖維增強(qiáng)材料的Ultem 2200，二是未增強(qiáng)的Ultem 1000。所有的體積元都具有相同的幾何形狀，但使用不同的材料，通過注塑成型來生產(chǎn)，這種工藝流程具有尺寸公差小、機(jī)械性能變化不大等優(yōu)點(diǎn)。
目前，尚沒有在大規(guī)模生產(chǎn)的情況下證明積木式飛機(jī)結(jié)構(gòu)的成本優(yōu)勢，但通過此次飛翼模型的制作，展現(xiàn)了其對于提高制造速度的巨大優(yōu)勢。
試驗(yàn)過程和初步結(jié)論積木式結(jié)構(gòu)可按飛機(jī)要求實(shí)現(xiàn)定制化設(shè)計
為了完成此次試驗(yàn)，MADCAT項(xiàng)目制造了三個半翼展機(jī)翼：其中兩個使用相同的材料，僅使用Ultem 2200增強(qiáng)體積元，每個機(jī)翼包含2088個體積元；另一個采用不用的材料，包含1741個增強(qiáng)體積元和347個未增強(qiáng)體積元。此外，每個機(jī)翼還包含大約2500個接口部件和300個蒙皮壁板。
具有相同材料體積元結(jié)構(gòu)的機(jī)翼被用作具有異質(zhì)結(jié)構(gòu)（由不同材料體積元拼接而成的結(jié)構(gòu)）模型的基線模型（即試驗(yàn)對比項(xiàng)）。初步試驗(yàn)結(jié)果顯示，異質(zhì)結(jié)構(gòu)可以被程序化，即具有可編程性，能夠智能地產(chǎn)生機(jī)翼扭轉(zhuǎn)和增加機(jī)翼彎度來提高升力并降低阻力。具體做法是：通過沿展向安裝Ultem 1000體積元來實(shí)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)，通過在內(nèi)翼段下部沿弦向安裝Ultem 1000來降低剛度，從而增加機(jī)翼彎度。
積木式結(jié)構(gòu)的未來應(yīng)用方向變體飛機(jī)和空間結(jié)構(gòu)
由于積木式結(jié)構(gòu)柔性機(jī)翼通過在飛行過程中連續(xù)光滑變形，能有效提升飛機(jī)操縱性和經(jīng)濟(jì)性，是未來變體飛機(jī)的重要技術(shù)方案選擇。NASA稱這種模塊化的機(jī)翼結(jié)構(gòu)概念，可用于未來新型轟炸機(jī)和高空長航時無人機(jī)，或?qū)⒊蔀槲磥盹w機(jī)提高機(jī)動性、降低成本的重要途徑之一。
隨著MADCAT項(xiàng)目的完成，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)啟動了另一個項(xiàng)目，新項(xiàng)目旨在開發(fā)一種機(jī)器人，用于組裝和重構(gòu)積木式空間結(jié)構(gòu)。NASA還認(rèn)為，這種模塊化、超輕的積木式結(jié)構(gòu)可以用于月球、火星甚至是系外行星探測器，因?yàn)榻柚M裝機(jī)器人，積木式結(jié)構(gòu)可以在太空中完成自動組裝，從而大幅降低發(fā)射成本。
