基于手性超结构设计的可变形机翼研究进展
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作者:刘凯 曹晓飞 李营 方岱宁
摘要：安全、稳定、高效是当前飞机机翼设计领域重点关注的问题。机翼是提供升力的主要部件之一，可变形机翼在改善飞机整体性能方面有巨大潜力。以智能材料为代表的新材料的发展对机翼柔性蒙皮、驱动装置、控制技术以及轻量化结构产生了革命性的变革，拓展了手性拓扑结构的应用范围。基于手性拓扑结构、飞机机翼的气动性能分析、先进的制备工艺等技术而设计的变形机翼，可在不同飞行速度、飞行坡度以及周围流场改变其机翼形状，从而提高飞行效率，这是飞机机翼结构设计的前沿领域，也是未来重要的发展方向。本文介绍了手性超结构的设计方法及当前的研究现状，总结阐述了当前国内外基于手性拓扑结构设计的可变形机翼的研究进展，为我国可变形飞机机翼的设计提供参考。
关键词：变形机翼；柔性材料；手性拓扑结构；气动性能；飞行效率
中图分类号：224.3文献标识码：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2022.01.003
基金项目：国家自然科学基金（11802030）
基于飞行工况进行机翼表面的主动形状控制是飞机工程中最具挑战性的问题之一。根据飞行高度、马赫数以及飞机重量（质量）进行机翼外形设计，并对其外形参数进行优化是常用的机翼设计方法，这种设计方案形成的机翼具有固定的几何形状[1]。固定构型机翼可以保证飞行器在一种特定工况下性能达到最优。然而，随着军民领域复杂任务需求的增加，飞行器面临空中侦察、抢险救灾、远程运输、航空摄影等日益复杂多变的飞行环境，如在飞行时旋翼和机身会产生严重的气动干扰现象，且该现象与飞行速度密切相关。因此，起降、巡航、高速飞行工况下对飞机机翼的外形参数均有不同的要求[2-3]。传统固定构型的飞机机翼不能改变其机翼外形以适应不同的飞行工况，导致飞行器性能的损耗[4]。自飞机诞生以来，研究者们试图利用仿生学的方法设计出能够自主变化的机翼，以提高飞行效率。力学、材料、制造工艺以及控制技术等学科的快速发展为解决此类问题提供了技术基础。
美国于1995年开展智能翼项目研究，截至今日，美国洛克希德-马丁公司（Lockheed Martin Corporation）、新一代航空公司（NextGen Aeronautics）、波音公司（Boeing）、德国航空航天研究院（DLR）对陆续原有结构进行改进，分别提出折叠翼[5]、变后掠翼（MFX-1）[6]、展向自适应机翼[7]、MFC驱动机翼[8]等机翼形式，实现了飞行器性能和效率的大幅提升。基于新材料、新构型的智能变形机翼的研究已然迈入快速发展阶段。
手性拓扑结构是由圆环节点和韧带连接而组成的一种新型轻质多孔结构，通过圆环节点的旋转和韧带的弯曲变形可实现整体结构的变形，可满足变形机翼轻量化、大变形、形连续等需求。以北京理工大学、佐治亚理工学院等为代表的国内外高校对手性结构的动静态力学性能表征、变形机理、结构创新及理论研究进行了大量研究。目前，基于手性结构设计的变形机翼的大多数研究还处在从概念设计到试验表征的过渡阶段，尚未投入大规模使用。
变形机翼涵盖的范围较广，涉及的材料、构型种类众多。本文着重研究了基于手性结构设计的变形机翼的研究现状，综合目前材料、力学、控制技术等领域的发展现状，探究未来变形机翼的发展趋势。
1发展现状
1.1手性超结构
手性超结构由Kelvin于1894年提出。“手性”一词最初用来描述物理几何的关系，它的表述为：如果一个物体不可以由它的镜像通过旋转和平移得到，那么就称其为手性[9]。
根据结构的特殊排列与空间维度，手性超结构可以分为二维手性结构和三维手性结构。二维手性结构是将节点和韧带在二维平面上进行周期性排列形成的平面结构，在实际的模型制备时需要将平面结构沿着面外方向拉伸一定厚度。三维手性结构是由节点和韧带在三维空间上按一定规则连接的三维结构。与二维平面结构相比，其构型更加复杂，种类更加丰富。根据圆环节点上连接的韧带数目，可以分为三、四、六韧带手性结构；根据韧带和圆环节点的相对位置又可分为手性和反手性。前人的研究表明，反手性结构受到压缩时韧带两端的圆环会朝不同方向旋转，使得韧带弯曲进而产生负泊松比效应。负泊松比结构不同于常规正六边形蜂窝结构，它在轴向压缩时，横向会收缩，整体结构瞬时密度增加，瞬时弹性模量增加，引起结构刚度增加，可提高结构的承载能力，这一结论被郭亚鑫等[10]研究中的内凹蜂窝结构与传统蜂窝结构的准静态力学试验证实。此外，负泊松比结构在承受面外载荷时胞壁易屈曲形成拱形，横向曲率和弯曲的主曲率一样，被称为同向曲率或双曲率现象，这种变形机制提高了面内切变模量和压陷阻力[11]。而常规的正六边形蜂窝在承受面外载荷时，会出现马鞍形状的反背曲率形变[12]，以该形状作夹芯结构时会引起蒙皮的不连续变形[13]。魏路路等[14]将内凹六边形蜂窝顶点替换为圆形节点，并将相邻圆形节点采用反手性的连接方式得到内凹-反手性蜂窝，如图1所示。与传统蜂窝相比，内凹结构和圆环节点旋转的协同作用使得该结构的能量吸收性能更强，负泊松比效应更加明显[15-24]。因此，与传统蜂窝结构相比，具有负泊松比效应的手性结构在飞行器变形结构等应用中称为理想的结构材料。常见的二维、三维手性蜂窝结构分别如图2和图3所示。
1.1.1手性超结构理论研究
目前，关于手性超结构的理论研究多集中在探究手性蜂窝静态力学性能与解释负泊松比行为的机制上[25]。关于手性结构公式的推导多基于以下5个假设：（1）圆环节点是完全刚性的，即不考虑圆环节点的变形；（2）与施加载荷方向垂直的力忽略不计；（3）内力取决于观察到的结构的变形；（4）韧带的剪切变形与轴向变形忽略不计；（5）基于小变形假设，仅考虑韧带的弹性弯曲变形而忽略塑性变形。
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