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一组工程师已经制造并测试了一种全新机翼，由数百个微小的相同部件组装而成。研究人员说，机翼可以改变形状来控制飞机的飞行，可以显著提高飞机的生产、飞行和维护效率。机翼构造的新方法可以为未来飞机的设计和制造提供更大灵活性。新机翼设计在NASA的风洞中进行了测试，并于2019年4月发表在《智能材料与结构》上，该论文由加州NASA艾姆斯实验室的研究工程师尼古拉斯·克莱默合著，和麻省理工学院校友Kenneth张SM '07博士；本杰明·杰耐特麻省理工学院位与原子中心的研究生8人。

博科园-科学科普：与传统机翼不同，这种新型装配系统不需要像副翼那样单独的活动表面来控制飞机的横摇和俯仰，而是通过在结构中加入刚性和柔性部件，使整个机翼或部分机翼变形成为可能。这些微小的组件通过螺栓连接在一起，形成一个开放的、轻量级的晶格框架，然后覆盖一层类似框架的聚合物材料。研究人员说，结果是机翼比传统设计的机翼要轻得多，因此也更节能，无论是用金属还是复合材料制成。由于该结构由成千上万个火柴棍状支柱组成的微小三角形组成，大部分由空的空间组成，它形成了一种机械“超材料”。

• 制造飞机机翼的新方法可能使一些全新设计成为可能，比如这个概念，在某些应用中可能更有效。图片：Eli Gershenfeld, NASA Ames Research Center

结合了橡胶类聚合物的结构刚度和气凝胶的极度轻盈和低密度。杰耐特解释说：对于飞行的每一个阶段（起飞和降落、巡航、机动等等）每一个阶段都有自己、不同的最优机翼参数集，因此传统机翼必然是一种妥协，没有对这些参数进行优化，因此牺牲了效率。一个不断变形的机翼可以为每个阶段提供一个更好的最佳配置近似。虽然有可能包括发动机和电缆来产生使机翼变形所需的力量，但该团队已经更进一步，设计了一个系统，通过改变机翼形状(一种自我调节的被动机翼重新配置过程)来自动响应其气动载荷条件的变化。

该论文的第一作者克莱默表示：我们能够通过将形状与不同攻角的载荷匹配来提高效率，能够产生和主动做完全一样的行为，但我们是被动做的。这一切都是通过对具有不同柔性或刚度支柱的相对位置精心设计来实现，设计使机翼或其截面在特定应力作用下以特定的方式弯曲。几年前，张和其他人演示了基本的基本原理，制造了一个大约一米长的机翼，大小与典型的遥控模型飞机相当。新版本机翼长度约为单座飞机的5倍，与真正的单座飞机机翼大小相当，制造起来也很容易。

• 机翼组件正在建造中，由数百个相同的子单元组装而成，机翼在NASA的风洞中进行了测试。图片：Kenny Cheung, NASA Ames Research Center

虽然这个版本是由一组研究生手工组装，但重复过程被设计成由一群小型、简单的自主组装机器人轻松完成。Jenett说，机器人装配系统的设计和测试是即将发表的论文主题。杰耐特说，前一个机翼的各个部件都是用水射流系统切割，每一个部件都需要几分钟的时间。新系统使用聚乙烯树脂在一个复杂3d模具中注塑成型，每一个部件(本质上是一个由火柴棍大小的支柱沿每个边组成的空心立方体)只需17秒，这使其距离可扩展的生产水平又近了一大步。现在有了一种制造方法，尽管在模具方面有前期投资，但一旦完成，“零件就很便宜了。

• 为了测试，最初机翼是手工组装的，但未来版本可以由专门的微型机器人组装。图片：Kenny Cheung, NASA Ames Research Center

由此产生的晶格密度为5.6千克每立方米。杰耐特说：相比之下，橡胶的密度约为每立方米1500公斤。它们有相同的硬度，但我们的密度不到它的千分之一。因为机翼或其他结构的整体结构是由微小亚单元构成，所以形状并不重要。可以做出任何你想要的几何图形，事实上，大多数飞机的形状都是一样的（本质上是一个带机翼的管子），它并不总是最有效的形状。但是，在设计、工具和生产过程上的大量投资使得保持长期建立的配置更加容易。研究表明，一个集成的机身和机翼结构可以在许多应用中更有效，而且有了这个系统，可以很容易地构建、测试、修改和重新测试。

波音公司Aurora Flight Sciences的结构研究员丹尼尔•坎贝尔(Daniel Campbell)表示：这项研究显示，对于大型、轻型、刚性结构而言，有希望降低成本，提高性能。近期最有希望的应用是飞艇和天基结构的结构应用，比如天线。新机翼的设计是尽可能大，以适应美国宇航局在兰利研究中心的高速风洞，在那里表现甚至比预期的好一点。同样的系统也可以用于制造其他结构，包括风力涡轮机的翼状叶片，这种现场装配的能力可以避免运输越来越长的叶片问题。类似的组件正在开发中，用于建造空间结构，最终可能用于桥梁和其他高性能结构。

• 美工概念展示了集成翼体飞机，由一组专业机器人装配的新构造方法使之成为可能，用橙色表示。图片：Eli Gershenfeld, NASA Ames Research Center

博科园-科学科普｜研究/来自: 麻省理工学院/David L. Chandler

参考期刊文献:《智能材料与结构》

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