NASA开发积木式飞机机翼结构
当纸上的化学物质被屏幕上的数字像素取代时，人类实现了从画像到摄影的变革。如今，美国航空航天局（NASA）的科学家和工程师通过研究证明了飞机结构也可以通过小型单元的&积木式&组装实现定制化设计。近日，NASA正在开展的&任务自适应数字化复合材料航空结构技术&（MADCAT）项目披露了最新研究进展，通过4米翼展的飞翼模型风洞试验结果初步验证了这种结构的潜力。
MADCAT项目背景3年时间从小尺寸原理验证到大尺寸制造和风洞试验
MADCAT是在NASA的收敛航空解决方案（CAS）计划下推出的首批项目之一。在CAS计划支持下，2016年NASA联合麻省理工学院研制出&积木式&柔性机翼的小尺寸验证机Madcat V0，其翼展1.32米，展弦比3.81，通过数值仿真、风洞试验和飞行试验，完成原理验证。为了确定这种超轻复合材料积木式结构的设计和制造是否可以从试验台扩大到全尺寸飞机，NASA艾姆斯研究中心与兰利研究中心、麻省理工学院、加州大学伯克利分校以及圣克鲁斯进行合作，完成了该飞翼模型的设计和制造，目的是验证积木式结构可以在非常低的质量密度下还具有足够的强度和刚度，以及可编程组件具有调整结构气动弹性响应的能力。
采用热塑性材料3D打印制造的体积元是积木式飞机结构的基础
积木式飞机结构内部不再是传统的离散式的梁肋骨架，而是大量的骨骼状体积元，体积元用螺栓连接在一起，形成一个类似于细胞的积木式结构，该结构不仅可以承受飞行中的气动载荷，还可以在气动载荷下按照特殊的设计产生变形，包括机翼弯度和扭转角的变化。
积木式结构主要由桁架结构、柔性蒙皮、驱动系统三部分组成。桁架结构由八面体体积元通过微型螺栓连接而成，体积元是由高刚度碳纤维复合材料注塑成形的骨骼状多面体；柔性蒙皮为聚酰亚胺薄膜，通过螺栓与桁架结构连接；驱动系统主要包括伺服电机和转向管。转向管在伺服电机的驱动下带动桁架结构连续变形，蒙皮用于维持光滑的气动表面。
体积元材料包括两种不同的聚醚酰亚胺热塑性材料：一是具有20%短切玻璃纤维增强材料的Ultem 2200，二是未增强的Ultem 1000。所有的体积元都具有相同的几何形状，但使用不同的材料，通过注塑成型来生产，这种工艺流程具有尺寸公差小、机械性能变化不大等优点。
目前，尚没有在大规模生产的情况下证明积木式飞机结构的成本优势，但通过此次飞翼模型的制作，展现了其对于提高制造速度的巨大优势。
试验过程和初步结论积木式结构可按飞机要求实现定制化设计
为了完成此次试验，MADCAT项目制造了三个半翼展机翼：其中两个使用相同的材料，仅使用Ultem 2200增强体积元，每个机翼包含2088个体积元；另一个采用不用的材料，包含1741个增强体积元和347个未增强体积元。此外，每个机翼还包含大约2500个接口部件和300个蒙皮壁板。
具有相同材料体积元结构的机翼被用作具有异质结构（由不同材料体积元拼接而成的结构）模型的基线模型（即试验对比项）。初步试验结果显示，异质结构可以被程序化，即具有可编程性，能够智能地产生机翼扭转和增加机翼弯度来提高升力并降低阻力。具体做法是：通过沿展向安装Ultem 1000体积元来实现扭转，通过在内翼段下部沿弦向安装Ultem 1000来降低刚度，从而增加机翼弯度。
积木式结构的未来应用方向变体飞机和空间结构
由于积木式结构柔性机翼通过在飞行过程中连续光滑变形，能有效提升飞机操纵性和经济性，是未来变体飞机的重要技术方案选择。NASA称这种模块化的机翼结构概念，可用于未来新型轰炸机和高空长航时无人机，或将成为未来飞机提高机动性、降低成本的重要途径之一。
随着MADCAT项目的完成，该团队已经启动了另一个项目，新项目旨在开发一种机器人，用于组装和重构积木式空间结构。NASA还认为，这种模块化、超轻的积木式结构可以用于月球、火星甚至是系外行星探测器，因为借助组装机器人，积木式结构可以在太空中完成自动组装，从而大幅降低发射成本。
