人类可能在很多问题上看法不一,但大多数人都同意一点:用变形金属制成的飞机机翼非常酷。机翼呈巨大的薄片状,它的几何特性影响着飞行的几乎方方面面,用能够在半空中改变形状的金属来制造机翼,可以使你的旅程更加平稳、安全和高效。

变形机翼并非新事物。

飞机发明者莱特兄弟飞过北卡罗来纳州的沙丘时,利用髋关节支架和金属丝来弯曲布料和木头做成的“飞行者”号飞机机翼。现代飞机通过机械驱动的襟翼、缝翼、副翼、扰流板、升降舵和方向舵,达到同样的效果——确切地说是更好的效果。

“传统飞机有非常多的活动部件,”美国宇航局(NASA)格伦研究中心工程师奥玛尼·贝纳范(Othmane Benafan)说。那些活动部件必不可少,飞行员正是依靠它们来驾驶飞机、减少扰动、起飞、着陆,基本上除了随意滑翔之外,所有一切都要靠它们来完成。但促动器、电缆、发动机、润滑剂、液压传动装置和移动那些部件所需的其他组件会占用负重和空间,而对任何飞机来说,负重和空间都是宝贵的资源。

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替代方法是利用变形金属来移动那些机翼部件。变形金属也被工程师称为形状记忆合金。

“用形状记忆合金制成的部件,其大小和重量通常只有传统部件的10%至20%,”波音公司形状记忆合金专家吉姆·梅布(Jim Mabe)说。对于去年油费达到1330亿美元的航空业来说,无论什么东西只要能做到更小、更轻,都是令人兴奋的好消息。

形状记忆合金就像可逆的玻璃冰。被加热到一定温度时,它们会收缩、扭曲和弯折。一旦冷却下来,它们就会恢复原状。加热、冷却、加热,形态记忆合金能周而复始地循环几百万次而不会磨损。需要做的只是产生热量,或者从其他某个已经热得发烫的飞机组件(比如发动机)那里提取热量。

飞机制造商、研究人员和政府相关机构可以用变形金属来做很多事,不单单是减少油费。形状记忆合金也能用来给飞机增加活动部件,完成使用传统机械会占用太多空间和负重的任务。例如,降低喷气发动机产生的噪音。温度触发的折叠机翼可以让航母甲板容纳更多的战斗机。这项技术甚至可以缓解音爆问题,为超音速客机的复兴创造条件。

什么是形状记忆合金

形状记忆合金诞生在航空领域,但最初并不是为了飞机而研发。

1959年,研究人员威廉·比勒(William Buehler)在美国海军Ordnance1实验室研究可承受极端温度和压力的洲际弹道导弹弹头材料。比勒发明了一种镍钛合金,不仅坚固、抗疲劳,而且在高温下极具延展性。他故意让块状镍钛合金跌落,听落在地上的声音,结果发现了这种合金最惊人的特性。

块状镍钛合金在冰凉和温热时发出的声音大为不同,说明镍钛合金分子在不同的温度下具有不同的方向性,这不是金属的普遍特征。后来,比勒的一名同事把打火机放在手风琴状的镍钛合金条下面。令所有人吃惊的是,它完全展开,说明加热的镍钛合金分子不仅会受热展开,而且会完全改变分子键的方向。这些合金可以变相,但不是从固体到液体。它们从一种固相变成另一种固相,如同冰变成另一种冰。

自此以后,工程师们已经非常善于训练形状记忆结构,让它们在精确的温度下发生可预料的变化。他们发明了各种各样的形状记忆材料,甚至是某些塑料。然而,比勒最初发明的那种镍钛形状记忆合金(称为“镍钛诺”)仍然非常流行。当今的大多数材料创新都致力于提高镍钛合金的抗疲劳性,改变镍钛比重来更好地控制这种合金的温度响应范围。

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这种原型机翼利用形状记忆合金来改变机翼弯度,或者机翼顶部和底部之间的相对弧度

例如,贝纳范制作出长长的空心镍钛诺管,用来取代机翼各种活动部件的铰链。他正在翼梢小翼上测试这种镍钛诺管。贝纳范说,这些促动器应该能够使136公斤重的翼梢小翼向上或向下旋转180度,让飞行员在飞机遭遇气流时有了另一个保持平稳的工具。今年10月,贝纳范开始把他的形状记忆管安装进一个掏空的F/A-18喷气式战斗机机翼,这是对镍钛诺机翼在各种飞行环境下表现如何的长期测试的一部分。

应用范围不只是机翼。几年前,梅布和同事发明了一套降低涡轮发动机噪音的系统,名为“可变几何V形”,本质上就是发动机外排气口周围的一大圈附加整流罩。这个整流罩的尾端呈Z字形,就像卡通人物查理·布朗(Charlie Brown)T恤上接连不断的V形图案。每个V都用厚厚的条状形状记忆合金固定。加热时,形状记忆合金会弯曲,那些V的末端会伸入排气流,向热空气添加适量的扰流,以减少噪音。“形状记忆合金的温度越高,弯曲的程度就越大,所以在不同的飞行环境中,我们可以让V具有不同的弯曲程度。”

噪音是特别烦人的航空问题,尤其是超音速飞行。“进行超音速飞行的飞机表面会产生震波,”德克萨斯A&M大学航空工程师达伦·哈特尔(Darren Hartl)说。震波从机头开始出现,凡是飞机表面有间断的地方都会再次发生。大量的震波起初是分开的,但在向地面传播的过程中逐渐结合。所有这些震波结合在一起的能量就是音爆。

飞机工程师试图设计出尽量减少音爆的超音速飞机,但震波的表现会因为温度、湿度和大气压力等因素的变化而改变,所以没有一刀切的解决方案。而形状记忆合金可以让工程师设计出外形轮廓根据环境因素而改变的飞机,在震波之间增加几毫秒时间。“这样就不会出现音爆,只是一些比较轻微的声响而已,”哈特尔说。

没错,传统促动器也可以达到同样的效果,但它们过于笨重,弊大于利。“关于形状记忆合金,有一点需要牢记,那就是它们在所有促动器中拥有最高的单位体积工作密度,”哈特尔说。就单位重量可实现的功率而言,形状记忆合金无出其右。

热和冷

既然如此,是什么阻止这些神奇的材料改革航空业,或者复兴超音速客机?你猜对了:政府阴谋。

开个玩笑。航空管理机构对飞机的制造有着严格的要求,因此造就了几乎完美的航空安全记录,但也导致作出改变的速度非常缓慢。直到最近,航空管理机构都还没有形状记忆合金的认证标准。但几年前,梅布和哈特尔把来自NASA、军方、学界和商界的一群形状记忆材料热衷者组织到一起。他们为形状记忆合金每一个可想到的方面制定了测试标准,今年才得到批准。

当然,技术挑战依然存在,主要是温度。形状记忆合金变相的温度范围相对有限,但飞行环境却是复杂多变。“巡航高度的温度低至零下50度,而地面温度高达40多度,”哈特尔说。所以,哈特尔和其他很多人正在想办法让形状记忆合金在任何情况下都能保持在适当的温度。

另一个与温度有关的问题是控制形状记忆合金加热和冷却所需的时间。想想你家里的金属锅加热和冷却得要多久。“这应该能让你对这个问题的难度有一些直观的认识,”哈特尔说。除非工程师解决这个热力学问题,否则形状记忆合金就无法用于主控制系统。在起飞和着陆等复杂的飞行操作期间,飞行员依靠主控制系统来获得即时反馈。

尽管如此,形状记忆合金仍然大有可为,比如降噪,在飞行途中根据空气状态改变机翼形状以减少阻力,还有用于其他次级控制。哈特尔和其他专家认为,首批形状记忆合金控制将在十年内通过相关机构的合规审查,用于真正的飞机。当然,形状记忆合金可能永远无法让飞机成为变形金刚,为人类的命运而战。但人类已经面临着诸多的非机器人挑战,有了更小更轻的机翼就很好了,别不知足。


翻译:于波

来源:Wired

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