---可彎曲部件取代傳統襟翼，將減少噪音并節約燃料。
一個多世紀以前，最早的一批航空先驅想出了使用帶襟翼的剛性機翼來產生足夠動力的方法，將笨重的飛機送上天空。這是人類歷史上最偉大的進步之一，亦開創了一個交通新時代。飛機以及以飛機為依托的航空業現在已成為世界上最大的產業之一。航空旅行每年創造的收入超過7000億美元。
然而，商業航空公司的燃料支出卻超過了其運營開支的25%，使得航空業成為著名的微利行業，今年的利潤僅勉強維持在390億美元。與此同時，由于現代飛機機翼和引擎的效率水平已接近頂峰，因此要想節約更多燃料，對工程師來說極其困難。
不過，還是存在一種極具潛力的方法，即在飛行途中改變飛機機翼的形狀。30年來，航空公司、大學以及國防實驗室的工程師們一直致力于研發可以即刻進行細微調整的可扭曲的飛機機翼，以提高燃料效率。采用這種機翼，飛機設計師就可以根據速度、高度、空氣溫度和其他飛行狀況改善飛機的升阻比（這是一個空氣動力學的度量標準），從而離實現最佳性能更近一步。
這一現代探索有一個著名的歷史先例。早在1905年，奧維爾?萊特在駕駛他和兄弟首創的飛行器時，就采用俯臥在駕駛座上的姿勢，通過臀部的擺動來扭轉用布和木頭制成的飛機機翼的翼尖。不久之后，隨著飛機重量的增加，工程師們轉而使用由剛性襟翼和副翼控制的固定機翼，而改變這種翼面被證明是不現實的。
數十年之后，在20世紀80年代中期，美國空軍對波音公司制造并安裝在F-111飛機上的任務自適應機翼（MissionAdaptive Wings）進行了測試。該機翼采用了一個自動化的控制系統來改變覆蓋在機翼表面的一層薄薄外層的形狀，以改變機翼曲率，從而為超音速飛行減少了高達20%的阻力。遺憾的是，這項技術帶來了附加重量并對動力提出了額外要求，這降低了飛行器的整體效率。1996年到2005年間，美國空軍與NASA合作開發了主動氣動彈性機翼（ActiveAeroelastic Wing）。這種機翼使用氣流的力量來實現自身扭轉，從而在高速的機動飛行過程中更好地進行滾動控制。但這項技術僅僅被設計用于戰斗機，而項目也最終失去了資金支持。
從那以后，彈性機翼的概念大為成熟。我與同事已經制造了一個可以控制形狀改變的翼面。近期對灣流III噴氣機進行的測試表明，通過在機翼的傳統襟翼位置安裝這一技術，可降低阻力，并將飛機的燃料效率提高12%。彈性翼面可對機翼后緣的曲率進行調整，從而在整個測試飛行過程中達到最優的升阻比。相比之下，目前飛機的襟翼只有在起飛和降落時才會轉動并產生升力或者阻力。除了可以節約燃料之外，NASA和其他研究者進行的分析顯示，采用這種翼面可降低降落時的噪音，甚至可能減少飛行中的顛簸。
彈性機翼解決了固定機翼飛行中的一個老大難問題。飛機需要將升力和阻力恰當地結合在一起才能夠應對不斷變化的飛行條件所帶來的挑戰。通常來說，飛行員的目標是減少阻力以節省燃料。然而，目前所設計的機翼只有在一種特定的飛行條件下（取決于飛機的預期巡航重量、速度、高度和范圍）才能達到最小的阻力。當條件發生改變時，對襟翼和其他操縱翼面進行的調整，只能相對粗糙地改善升阻比。
但與傳統機翼不同，帶有形狀改變控制翼面的機翼可以在更大范圍內最大程度地減少阻力——這是在之前的商業飛機上從未取得過的成績。我們最先進的技術版本將與改進機型的現有襟翼連同機翼的后緣進行整合，或者安裝在新飛機的襟翼位置上。如果一切順利的話，我們將能夠在未來3年內在大型商業飛機上進行測試。
換擋加速：NASA和美國空軍對這架灣流III飛機進行了改裝，換上了FlexFoil——一種彈性機翼。從2014年開始，NASA位于加州愛德華茲的阿姆斯特朗飛行研究中心對此進行了22次飛行測試。在飛機機翼后緣安裝的變形控制翼面能夠在飛行過程中提高燃料效率、減少噪音并減輕顛簸。在全新的飛機上，這些翼面將完全取代傳統的襟翼，或者與現有的商業飛機的襟翼相整合。
在20世紀90年代初的一個雨天，我在密歇根開車時突然靈光一閃，產生了彈性機翼的想法。當時，擋風玻璃上的雨刷正來回擺動，發出嗖嗖的聲音，我意識到它們的形狀并不貼合玻璃表面。這使我想到，即使在為有弧度的擋風玻璃設計雨刷時，工程師們依然采用筆直的剛性部件，并用易損和斷裂的接頭進行連接。
我開始思考哪些物體的性能因“可改變形狀”而獲得了提高。我曾經參加過一個關于飛機機翼的設計課程，知道在設計一架新飛機時，航空工程師們都假定機翼的形狀在飛行過程中是不會發生改變的。但在我看來，無折頁、無翼隔、可改變形狀的機翼能夠在更多的飛行條件下提高燃料效率。
傳統的飛機機翼是剛性構造，搭配各類可移動的操作翼面：襟翼、副翼和擾流片。襟翼是安裝在機翼后緣的壁板，用于在起飛和降落時以低速產生升力。副翼是機翼后緣接近翼梢位置的部分，每個機翼各有一個，成對操作，能夠使一側機翼上偏另一側下偏，從而使飛機進行滾動轉動。擾流片是位于機翼上端的壁板，當向上轉動時可以增加阻力，使飛機更快地降落。
這些控制翼面雖然運轉良好，但只能夠在樞軸上轉動，而無法改變形狀。襟翼在飛行過程中通常無法展開，因為連接部分和折頁到處都有間隙，會造成過多的阻力。雖然一些大型飛機準許飛行員在巡航時對副翼和襟翼進行微調以減少阻力，飛行員依然無法真正改善傳統機翼的空氣動力性能，使其適應更溫暖的氣候、更高的高度或者更大的風速。這樣的結果有點像騎著自行車沖向山頂時選擇了錯誤的擋位——你也許能騎上山頂，但與換成更低擋位相比，花費的力氣要多得多。
可以這么說，飛機也可以進行換擋，通過改變機翼的形狀來實現更理想的升阻比。要理解這種方式如何發揮作用，首先得想想機翼是如何產生升力的。一個標準飛機機翼上端的彎曲弧度比下端大，這樣就可以使氣團向下方移動，從而提供升力。機翼上端有弧度的翼面主要負責將空氣往下推。因此，從某種程度上說，增加這一翼面彎度（曲率）能夠改進飛機的升阻比。
綜合一架飛機的重量、高度和速度，對于任何一架飛機來說，都存在一個可以提供所需升力并同時實現最小阻力的理想機翼彎度。空氣動力學研究已經就找出哪個彎度調整能夠在特定條件下提供最佳性能進行了大量研究，但直到現在，開展理論研究工作的專家們還無法將這些研究應用在真正的飛機上。
與帶襟翼的機翼不同，彈性機翼可以在飛行過程中平穩地調整其彎度，從而最大程度地減少阻力。事實上，彈性機翼可以采用的姿勢要比帶有傳統襟翼的機翼多得多，使其對升阻比的控制更加精確，以滿足對飛行進行不斷改進的需求。如果靈活控制的翼面能夠與機翼的其他部分平滑吻合，這些調整就不會由于突出的連接部分和鉸鏈而產生額外阻力。
歸根結底是要在飛行過程中不斷改變機翼的彎度，使飛機設計師能夠根據飛機在具體條件下所需的升力大小來減小阻力。比如，在飛行過程中燃料的消耗減少了整體的燃料重量，因此飛機所需的升力逐漸減少。當前，飛行員是通過降低飛機的攻角（與迎面空氣流動相關的角度）來應對重量的減少。彈性機翼可以通過在整個飛行過程中不斷改變后緣翼面來實現在當前燃料重量下的最佳彎度。
在各類飛行條件下都能順利飛行的能力非常重要，因為航空條例對飛機的飛行速度和高度都進行了限制。例如，在美國，聯邦航空管理局將奇數高度（例如3.1萬英尺）留給向北和向東飛行的航班，將偶數高度留給向南和向西飛行的航班。但飛機最終巡航時的速度和高度幾乎都不是空氣動力學上的最佳組合，而彈性機翼則可以根據任何指定的高度和速度改變形狀，使飛行更加高效。
除了可以減少阻力以外，可改變形狀的機翼還有一個尤其能夠讓乘客感到滿意的潛在優點：這種機翼可以抑制由氣流造成的機身抖動。這一點是通過以合適的方式扭轉機翼的后緣來減少氣流造成的載荷，從而最大程度地減少傳遞給機身的運動來實現的。扭轉可以通過精密的飛行控制系統自動完成。
平穩移動：在起飛時，為了使飛機的升阻比最大化，FlexFoil下折多達40度（上圖1）。在巡航時，為了節約燃料，FlexFoil可以逐漸將機翼展平（上圖2）。在遇到氣流時，FlexFoil可以迅速折疊成新形狀來重新分配沉重的負載。例如，飛行控制系統可以自動抬高控制翼面的一端并降低另一端（上圖3）。為最大程度地減少阻力，FlexFoil通過兩端可隨翼面變形進行拉伸的網狀連接裝置與機翼的后緣無縫接合（上圖4）。
在1994年，我開始在家中的辦公室勾勒彈性機翼的原始圖樣時，并沒有航空航天工程的背景。同時，我也忽略了此前許多可變形機翼設計的失敗案例。后來，我了解到這些早期的設計非常復雜，要將數百個零部件和數十臺發動機整合在一起。
從一開始，我就決心讓我的設計既堅固又靈活，不使用任何連接部件或者鉸鏈，并且就使用一塊材料打造，可以在一臺或兩臺電動機的驅動下完成飛行必需的所有功能，同時承受重型飛機在高速飛行時產生的巨大空氣動力壓力。
此時，我依然在家中利用業余時間進行工作，沒有任何外部資金援助。不過，在我完成第一批草圖不久后，我在一篇雜志文章上讀到了美國軍方在位于俄亥俄州代頓的賴特-帕特森空軍基地研發可變形的飛機機翼的最新試驗。我拜訪了該基地，并向研究小組展示了我的設計。隨后在1998年，賴特-帕特森空軍基地的研究實驗室向我提供了一份價值10萬美元的合同，對彈性機翼進行可行性分析。當時，我并不知道美國政府將在未來的18年間投入超過5000萬美元對我的概念進行各類風洞測試和飛行測試，那10萬美元只是個開始。
一開始，我將來自賴特-帕特森的首筆資金用于設計并迅速制造出一臺我所設計的機翼的塑料原型（采用的是如今的3D打印技術），租用了密歇根大學（我是該大學的機械工程教授）的一個風洞進行一些基本測試。我的設計在這個風洞運行良好，顯示出了可擴展性，因此在2001年空軍又給我提供了另一份合同以及更多的資金，用于制造一個可在更高風速條件下進行測試的更大的原型機翼。
大概正是在那時，我在密歇根州的安娜堡創建了彈性系統（FlexSys）公司，并將我設計的機翼命名為FlexFoil。在對更大的原型機翼進行了若干次成功測試后，空軍合作方說他們準備在“白色騎士”（WhiteKnight）號飛機上進行真正的飛行測試，這架飛機也搭載過私人宇宙飛船的先驅“太空飛船一號”。
在這些測試中，作為安全預防措施，我們將一個127厘米長的鋁制FlexFoil控制翼面從飛機底部垂直吊起，而不是直接將其與飛機的機翼連接。在飛行過程中，我們在機艙遠程操縱FlexFoil的彎度和形狀，并通過安裝在懸吊的原型機翼的壓力端口（用于測量升力和阻力）和熱傳感器來對其性能進行監控。
2006年夏天，我們使用“白色騎士”在莫哈韋沙漠進行了多次測試。所有測試都顯示FlexFoil可以顯著減少阻力，并承受住了飛行過程中的壓力和氣溫波動。測試還顯示，從起飛到降落，FlexFoil在飛行的每個階段都可以針對一個給定大小的升力來減少阻力。NASA進行的另一項分析顯示，這一技術能夠使升阻比提升高達10%。
不過，最好的消息是：在這些飛行中收集到的測量數據顯示，如果在新飛機的襟翼位置安裝FlexFoil，可將燃料效率提升8%～12%；如果采用改裝的方式，將該技術與現有的機翼后緣的襟翼進行整合，則燃料效率將提升3%左右。相比之下，最近被安裝在許多飛機上的新型小翼（每對至少需要花費100萬美元）可節省4%～5%的燃料。
起航：萊特兄弟第一架真正可用的飛機由飛行員扭動木頭和布制成的機翼來進行轉向。第二次世界大戰之后，諾斯洛普?格魯門公司推出了昵稱為“飛翔的翅膀”的XB-35轟炸機，想要最大程度地減小長距離飛行的阻力，但卻難以駕駛。貝爾X-5飛機是第一架能夠在飛行過程中“掠起”機翼（或者說將機翼向后方折疊）的飛機。數十年之后，NASA和美國空軍對可在超音速下改變機翼曲率的任務自適應機翼進行了測試。接下來，他們測試了利用高速飛行產生的力量來更好地進行滾動控制的主動氣動彈性機翼。在2013年項目結束前，NASA對具有未來色彩的可折疊機翼X-48B進行了80項飛行測試。
受這一成功的鼓舞，2009年，位于賴特-帕特森的空軍研究實驗室與NASA要求我們對一架灣流III飛機進行改裝。這一次的任務是測試FlexFoil在飛機機翼上的表現，而不是像“白色騎士”進行的飛行測試一樣將它從底部懸掛上來。
在這一輪的測試中，我們制作了一個新型原型機翼，并將飛機的每個襟翼都替換成展開長度為7米、可覆蓋整個機翼后緣的FlexFoil。我們后來在一架全新的飛機上就進行了類似的安裝。
這次的原型機翼使用通用的航空級材料（例如鋁合金和和復合材料）制成，采用我的團隊開發的設計工具和算法進行制作，使我們能夠將彎曲的結構梁和直立梁按照一定結構進行安排，使每根梁在應對作用力時都能夠像一張弓一樣彎曲。這一結構組成了FlexFoil翼展的內部骨架。翼展的形狀取決于其受到多大的壓力以及施加壓力的位置。向這一結構的一個或者兩個點施壓將改變整個翼展的形狀。
最后完工的控制翼面重約110千克（約240磅），與它所替代的襟翼和相關導軌的重量大致相當。在翼展的每一端，包裹在高彈力外殼內的彈性裝置都像手風琴一樣與機翼連接，可根據FlexFoil的變形來擴展和收縮。沒有任何外部的連接部分或折頁來阻礙空氣的流動。
NASA的聲學專家曾預測：這一無縫翼面覆蓋使FlexFoil有潛力將飛機著陸時的噪音減少40%。截至本文英文版發稿時得到的消息，NASA計劃從9月開始進行飛行測試來驗證這些優點。在著陸過程中，由于氣流穿過傳統襟翼和機翼之間的空隙，所產生的機體噪音比發動機噪音要大得多。
在傳統飛機機翼中，襟翼的運動是靠一對液壓缸來驅動的。為簡單起見，我們的原型機翼也被設計為與這些液壓缸相連。我對于商業版本的設想是僅通過飛行控制系統就能改變FlexFoil的彎度，每個機翼僅需使用一臺發動機（形狀改變需要使用兩臺發動機，一臺用于推，一臺用于拉）。如果我要在飛機上安裝新的動力來源，監管機構本會要求進行測試，但因為通常大型飛機上已經安裝有這些發動機，所以這一設計不進行額外測試。
在空軍發出對灣流III進行改裝的邀請后，我們花了5年時間完成了首次飛行所要求的設計、安裝、地面測試和調度。NASA再次在FlexFoil和飛機上安裝了全套測試儀器來記錄飛行狀況和測量該技術在高風速、低溫和氣壓突變情況下的運行情況。僅在FlexFoil上就安裝了112個應變儀、60個加速計和足夠多的傳感器，以便在每次飛行中收集超過4300個數據點的數據。
2014年11月6日， 裝有世界上第一對現代化彈性機翼的灣流III從加利福尼亞高原沙漠（HighDesert）沖向空中。出于安全考慮，在最初的幾次測試里，我們沒有在飛行過程中改變機翼形狀，而是在地面上對FlexFoil進行操控。在位于加利福尼亞愛德華茲的NASA阿姆斯特朗飛行研究中心進行的22次飛行中，這些機翼的傾角在2度到32度間變化，改變了其形狀。換句話說，這樣的傾角跨度變化也就是機翼的后緣被略微提升之后扭曲下降至傳統襟翼起飛時的大致位置。
之后，我們的數據顯示，FlexFoil處于這些位置時最大可產生相當于5噸的升力。在達到這一升力的同時，在2萬到4萬英尺的高度，飛機在高載荷的條件下進行一系列操作。在這些測試中，飛機承受了最大達到每平方米1875千克的動態氣壓，這比以往任何商業飛機所承受的負載都要多得多。在每一種情況下，FlexFoil都表現得完美無缺。
測試數據顯示，FlexFoil能夠承受從-53到82攝氏度的溫度范圍，預計使用壽命是商業飛機的5倍。這些結果第一次顯示：安裝在現代飛機上的這種實用、輕便且使用壽命長的可變形翼面能夠在各類飛行條件下展現頂尖性能。
我們現在的優先重點是讓航空業的領導者了解我們的可變形機翼的優點和可靠性。他們對于全新技術非常謹慎，這是可以理解的。去年11月，我們與西雅圖的AviationPartners公司組建合資企業，向航空公司提供能夠提高效率的小翼。為了將FlexFoil商業化，我們共同組建了一家名為Aviation PartnersFlexSys的新公司。我們計劃到2020年可在商業飛機上對FlexFoil進行測試。
這項技術也能夠很好地與即將問世的新一代飛機融合。航空專家預測，在無縫設計中，機翼和機身將結合在一起。尤其是，波音公司和NASA已經對具有未來色彩的混合機翼飛機進行了試驗，FlexFoil將變形成為一個非常平穩、安靜和高效的飛行工具。
在更遙遠的未來，我們的靈活控制翼面可在固定機翼飛機以外的領域中得到應用。任何以穿越空氣或者水域為目的的活動都可以受益于此。我的同事和我已經開發出了直升機旋翼槳葉的原型，可以在每次旋轉中多次改變其前緣和后緣的形狀，從而提高性能。早期演示顯示，這些槳葉可以每秒變形達到15次，這可以改善直升飛機的升阻比并減少振動。其他應用還包括作為潛水艇、汽車和風力渦輪機的組件。
花費至少15年為商業飛行開發和測試一項新技術并不罕見，但如果工程師們能夠接受彈性設計并認為其能夠提供效能更高的變形模式（正如我發現這一原則適用于飛機），那么其他應用的周轉時間將會快得多。■
作者：Sridhar Kota 插圖：JohnMacNeill