---可弯曲部件取代传统襟翼，将减少噪音并节约燃料。
一个多世纪以前，最早的一批航空先驱想出了使用带襟翼的刚性机翼来产生足够动力的方法，将笨重的飞机送上天空。这是人类历史上最伟大的进步之一，亦开创了一个交通新时代。飞机以及以飞机为依托的航空业现在已成为世界上最大的产业之一。航空旅行每年创造的收入超过7000亿美元。
然而，商业航空公司的燃料支出却超过了其运营开支的25%，使得航空业成为著名的微利行业，今年的利润仅勉强维持在390亿美元。与此同时，由于现代飞机机翼和引擎的效率水平已接近顶峰，因此要想节约更多燃料，对工程师来说极其困难。
不过，还是存在一种极具潜力的方法，即在飞行途中改变飞机机翼的形状。30年来，航空公司、大学以及国防实验室的工程师们一直致力于研发可以即刻进行细微调整的可扭曲的飞机机翼，以提高燃料效率。采用这种机翼，飞机设计师就可以根据速度、高度、空气温度和其他飞行状况改善飞机的升阻比（这是一个空气动力学的度量标准），从而离实现最佳性能更近一步。
这一现代探索有一个著名的历史先例。早在1905年，奥维尔•莱特在驾驶他和兄弟首创的飞行器时，就采用俯卧在驾驶座上的姿势，通过臀部的摆动来扭转用布和木头制成的飞机机翼的翼尖。不久之后，随着飞机重量的增加，工程师们转而使用由刚性襟翼和副翼控制的固定机翼，而改变这种翼面被证明是不现实的。
数十年之后，在20世纪80年代中期，美国空军对波音公司制造并安装在F-111飞机上的任务自适应机翼（MissionAdaptive Wings）进行了测试。该机翼采用了一个自动化的控制系统来改变覆盖在机翼表面的一层薄薄外层的形状，以改变机翼曲率，从而为超音速飞行减少了高达20%的阻力。遗憾的是，这项技术带来了附加重量并对动力提出了额外要求，这降低了飞行器的整体效率。1996年到2005年间，美国空军与NASA合作开发了主动气动弹性机翼（ActiveAeroelastic Wing）。这种机翼使用气流的力量来实现自身扭转，从而在高速的机动飞行过程中更好地进行滚动控制。但这项技术仅仅被设计用于战斗机，而项目也最终失去了资金支持。
从那以后，弹性机翼的概念大为成熟。我与同事已经制造了一个可以控制形状改变的翼面。近期对湾流III喷气机进行的测试表明，通过在机翼的传统襟翼位置安装这一技术，可降低阻力，并将飞机的燃料效率提高12%。弹性翼面可对机翼后缘的曲率进行调整，从而在整个测试飞行过程中达到最优的升阻比。相比之下，目前飞机的襟翼只有在起飞和降落时才会转动并产生升力或者阻力。除了可以节约燃料之外，NASA和其他研究者进行的分析显示，采用这种翼面可降低降落时的噪音，甚至可能减少飞行中的颠簸。
弹性机翼解决了固定机翼飞行中的一个老大难问题。飞机需要将升力和阻力恰当地结合在一起才能够应对不断变化的飞行条件所带来的挑战。通常来说，飞行员的目标是减少阻力以节省燃料。然而，目前所设计的机翼只有在一种特定的飞行条件下（取决于飞机的预期巡航重量、速度、高度和范围）才能达到最小的阻力。当条件发生改变时，对襟翼和其他操纵翼面进行的调整，只能相对粗糙地改善升阻比。
但与传统机翼不同，带有形状改变控制翼面的机翼可以在更大范围内最大程度地减少阻力——这是在之前的商业飞机上从未取得过的成绩。我们最先进的技术版本将与改进机型的现有襟翼连同机翼的后缘进行整合，或者安装在新飞机的襟翼位置上。如果一切顺利的话，我们将能够在未来3年内在大型商业飞机上进行测试。
换挡加速：NASA和美国空军对这架湾流III飞机进行了改装，换上了FlexFoil——一种弹性机翼。从2014年开始，NASA位于加州爱德华兹的阿姆斯特朗飞行研究中心对此进行了22次飞行测试。在飞机机翼后缘安装的变形控制翼面能够在飞行过程中提高燃料效率、减少噪音并减轻颠簸。在全新的飞机上，这些翼面将完全取代传统的襟翼，或者与现有的商业飞机的襟翼相整合。
在20世纪90年代初的一个雨天，我在密歇根开车时突然灵光一闪，产生了弹性机翼的想法。当时，挡风玻璃上的雨刷正来回摆动，发出嗖嗖的声音，我意识到它们的形状并不贴合玻璃表面。这使我想到，即使在为有弧度的挡风玻璃设计雨刷时，工程师们依然采用笔直的刚性部件，并用易损和断裂的接头进行连接。
我开始思考哪些物体的性能因“可改变形状”而获得了提高。我曾经参加过一个关于飞机机翼的设计课程，知道在设计一架新飞机时，航空工程师们都假定机翼的形状在飞行过程中是不会发生改变的。但在我看来，无折页、无翼隔、可改变形状的机翼能够在更多的飞行条件下提高燃料效率。
传统的飞机机翼是刚性构造，搭配各类可移动的操作翼面：襟翼、副翼和扰流片。襟翼是安装在机翼后缘的壁板，用于在起飞和降落时以低速产生升力。副翼是机翼后缘接近翼梢位置的部分，每个机翼各有一个，成对操作，能够使一侧机翼上偏另一侧下偏，从而使飞机进行滚动转动。扰流片是位于机翼上端的壁板，当向上转动时可以增加阻力，使飞机更快地降落。
这些控制翼面虽然运转良好，但只能够在枢轴上转动，而无法改变形状。襟翼在飞行过程中通常无法展开，因为连接部分和折页到处都有间隙，会造成过多的阻力。虽然一些大型飞机准许飞行员在巡航时对副翼和襟翼进行微调以减少阻力，飞行员依然无法真正改善传统机翼的空气动力性能，使其适应更温暖的气候、更高的高度或者更大的风速。这样的结果有点像骑着自行车冲向山顶时选择了错误的挡位——你也许能骑上山顶，但与换成更低挡位相比，花费的力气要多得多。
可以这么说，飞机也可以进行换挡，通过改变机翼的形状来实现更理想的升阻比。要理解这种方式如何发挥作用，首先得想想机翼是如何产生升力的。一个标准飞机机翼上端的弯曲弧度比下端大，这样就可以使气团向下方移动，从而提供升力。机翼上端有弧度的翼面主要负责将空气往下推。因此，从某种程度上说，增加这一翼面弯度（曲率）能够改进飞机的升阻比。
综合一架飞机的重量、高度和速度，对于任何一架飞机来说，都存在一个可以提供所需升力并同时实现最小阻力的理想机翼弯度。空气动力学研究已经就找出哪个弯度调整能够在特定条件下提供最佳性能进行了大量研究，但直到现在，开展理论研究工作的专家们还无法将这些研究应用在真正的飞机上。
与带襟翼的机翼不同，弹性机翼可以在飞行过程中平稳地调整其弯度，从而最大程度地减少阻力。事实上，弹性机翼可以采用的姿势要比带有传统襟翼的机翼多得多，使其对升阻比的控制更加精确，以满足对飞行进行不断改进的需求。如果灵活控制的翼面能够与机翼的其他部分平滑吻合，这些调整就不会由于突出的连接部分和铰链而产生额外阻力。
归根结底是要在飞行过程中不断改变机翼的弯度，使飞机设计师能够根据飞机在具体条件下所需的升力大小来减小阻力。比如，在飞行过程中燃料的消耗减少了整体的燃料重量，因此飞机所需的升力逐渐减少。当前，飞行员是通过降低飞机的攻角（与迎面空气流动相关的角度）来应对重量的减少。弹性机翼可以通过在整个飞行过程中不断改变后缘翼面来实现在当前燃料重量下的最佳弯度。
在各类飞行条件下都能顺利飞行的能力非常重要，因为航空条例对飞机的飞行速度和高度都进行了限制。例如，在美国，联邦航空管理局将奇数高度（例如3.1万英尺）留给向北和向东飞行的航班，将偶数高度留给向南和向西飞行的航班。但飞机最终巡航时的速度和高度几乎都不是空气动力学上的最佳组合，而弹性机翼则可以根据任何指定的高度和速度改变形状，使飞行更加高效。
除了可以减少阻力以外，可改变形状的机翼还有一个尤其能够让乘客感到满意的潜在优点：这种机翼可以抑制由气流造成的机身抖动。这一点是通过以合适的方式扭转机翼的后缘来减少气流造成的载荷，从而最大程度地减少传递给机身的运动来实现的。扭转可以通过精密的飞行控制系统自动完成。
平稳移动：在起飞时，为了使飞机的升阻比最大化，FlexFoil下折多达40度（上图1）。在巡航时，为了节约燃料，FlexFoil可以逐渐将机翼展平（上图2）。在遇到气流时，FlexFoil可以迅速折叠成新形状来重新分配沉重的负载。例如，飞行控制系统可以自动抬高控制翼面的一端并降低另一端（上图3）。为最大程度地减少阻力，FlexFoil通过两端可随翼面变形进行拉伸的网状连接装置与机翼的后缘无缝接合（上图4）。
在1994年，我开始在家中的办公室勾勒弹性机翼的原始图样时，并没有航空航天工程的背景。同时，我也忽略了此前许多可变形机翼设计的失败案例。后来，我了解到这些早期的设计非常复杂，要将数百个零部件和数十台发动机整合在一起。
从一开始，我就决心让我的设计既坚固又灵活，不使用任何连接部件或者铰链，并且就使用一块材料打造，可以在一台或两台电动机的驱动下完成飞行必需的所有功能，同时承受重型飞机在高速飞行时产生的巨大空气动力压力。
此时，我依然在家中利用业余时间进行工作，没有任何外部资金援助。不过，在我完成第一批草图不久后，我在一篇杂志文章上读到了美国军方在位于俄亥俄州代顿的赖特-帕特森空军基地研发可变形的飞机机翼的最新试验。我拜访了该基地，并向研究小组展示了我的设计。随后在1998年，赖特-帕特森空军基地的研究实验室向我提供了一份价值10万美元的合同，对弹性机翼进行可行性分析。当时，我并不知道美国政府将在未来的18年间投入超过5000万美元对我的概念进行各类风洞测试和飞行测试，那10万美元只是个开始。
一开始，我将来自赖特-帕特森的首笔资金用于设计并迅速制造出一台我所设计的机翼的塑料原型（采用的是如今的3D打印技术），租用了密歇根大学（我是该大学的机械工程教授）的一个风洞进行一些基本测试。我的设计在这个风洞运行良好，显示出了可扩展性，因此在2001年空军又给我提供了另一份合同以及更多的资金，用于制造一个可在更高风速条件下进行测试的更大的原型机翼。
大概正是在那时，我在密歇根州的安娜堡创建了弹性系统（FlexSys）公司，并将我设计的机翼命名为FlexFoil。在对更大的原型机翼进行了若干次成功测试后，空军合作方说他们准备在“白色骑士”（WhiteKnight）号飞机上进行真正的飞行测试，这架飞机也搭载过私人宇宙飞船的先驱“太空飞船一号”。
在这些测试中，作为安全预防措施，我们将一个127厘米长的铝制FlexFoil控制翼面从飞机底部垂直吊起，而不是直接将其与飞机的机翼连接。在飞行过程中，我们在机舱远程操纵FlexFoil的弯度和形状，并通过安装在悬吊的原型机翼的压力端口（用于测量升力和阻力）和热传感器来对其性能进行监控。
2006年夏天，我们使用“白色骑士”在莫哈韦沙漠进行了多次测试。所有测试都显示FlexFoil可以显著减少阻力，并承受住了飞行过程中的压力和气温波动。测试还显示，从起飞到降落，FlexFoil在飞行的每个阶段都可以针对一个给定大小的升力来减少阻力。NASA进行的另一项分析显示，这一技术能够使升阻比提升高达10%。
不过，最好的消息是：在这些飞行中收集到的测量数据显示，如果在新飞机的襟翼位置安装FlexFoil，可将燃料效率提升8%～12%；如果采用改装的方式，将该技术与现有的机翼后缘的襟翼进行整合，则燃料效率将提升3%左右。相比之下，最近被安装在许多飞机上的新型小翼（每对至少需要花费100万美元）可节省4%～5%的燃料。
起航：莱特兄弟第一架真正可用的飞机由飞行员扭动木头和布制成的机翼来进行转向。第二次世界大战之后，诺斯洛普•格鲁门公司推出了昵称为“飞翔的翅膀”的XB-35轰炸机，想要最大程度地减小长距离飞行的阻力，但却难以驾驶。贝尔X-5飞机是第一架能够在飞行过程中“掠起”机翼（或者说将机翼向后方折叠）的飞机。数十年之后，NASA和美国空军对可在超音速下改变机翼曲率的任务自适应机翼进行了测试。接下来，他们测试了利用高速飞行产生的力量来更好地进行滚动控制的主动气动弹性机翼。在2013年项目结束前，NASA对具有未来色彩的可折叠机翼X-48B进行了80项飞行测试。
受这一成功的鼓舞，2009年，位于赖特-帕特森的空军研究实验室与NASA要求我们对一架湾流III飞机进行改装。这一次的任务是测试FlexFoil在飞机机翼上的表现，而不是像“白色骑士”进行的飞行测试一样将它从底部悬挂上来。
在这一轮的测试中，我们制作了一个新型原型机翼，并将飞机的每个襟翼都替换成展开长度为7米、可覆盖整个机翼后缘的FlexFoil。我们后来在一架全新的飞机上就进行了类似的安装。
这次的原型机翼使用通用的航空级材料（例如铝合金和和复合材料）制成，采用我的团队开发的设计工具和算法进行制作，使我们能够将弯曲的结构梁和直立梁按照一定结构进行安排，使每根梁在应对作用力时都能够像一张弓一样弯曲。这一结构组成了FlexFoil翼展的内部骨架。翼展的形状取决于其受到多大的压力以及施加压力的位置。向这一结构的一个或者两个点施压将改变整个翼展的形状。
最后完工的控制翼面重约110千克（约240磅），与它所替代的襟翼和相关导轨的重量大致相当。在翼展的每一端，包裹在高弹力外壳内的弹性装置都像手风琴一样与机翼连接，可根据FlexFoil的变形来扩展和收缩。没有任何外部的连接部分或折页来阻碍空气的流动。
NASA的声学专家曾预测：这一无缝翼面覆盖使FlexFoil有潜力将飞机着陆时的噪音减少40%。截至本文英文版发稿时得到的消息，NASA计划从9月开始进行飞行测试来验证这些优点。在着陆过程中，由于气流穿过传统襟翼和机翼之间的空隙，所产生的机体噪音比发动机噪音要大得多。
在传统飞机机翼中，襟翼的运动是靠一对液压缸来驱动的。为简单起见，我们的原型机翼也被设计为与这些液压缸相连。我对于商业版本的设想是仅通过飞行控制系统就能改变FlexFoil的弯度，每个机翼仅需使用一台发动机（形状改变需要使用两台发动机，一台用于推，一台用于拉）。如果我要在飞机上安装新的动力来源，监管机构本会要求进行测试，但因为通常大型飞机上已经安装有这些发动机，所以这一设计不进行额外测试。
在空军发出对湾流III进行改装的邀请后，我们花了5年时间完成了首次飞行所要求的设计、安装、地面测试和调度。NASA再次在FlexFoil和飞机上安装了全套测试仪器来记录飞行状况和测量该技术在高风速、低温和气压突变情况下的运行情况。仅在FlexFoil上就安装了112个应变仪、60个加速计和足够多的传感器，以便在每次飞行中收集超过4300个数据点的数据。
2014年11月6日， 装有世界上第一对现代化弹性机翼的湾流III从加利福尼亚高原沙漠（HighDesert）冲向空中。出于安全考虑，在最初的几次测试里，我们没有在飞行过程中改变机翼形状，而是在地面上对FlexFoil进行操控。在位于加利福尼亚爱德华兹的NASA阿姆斯特朗飞行研究中心进行的22次飞行中，这些机翼的倾角在2度到32度间变化，改变了其形状。换句话说，这样的倾角跨度变化也就是机翼的后缘被略微提升之后扭曲下降至传统襟翼起飞时的大致位置。
之后，我们的数据显示，FlexFoil处于这些位置时最大可产生相当于5吨的升力。在达到这一升力的同时，在2万到4万英尺的高度，飞机在高载荷的条件下进行一系列操作。在这些测试中，飞机承受了最大达到每平方米1875千克的动态气压，这比以往任何商业飞机所承受的负载都要多得多。在每一种情况下，FlexFoil都表现得完美无缺。
测试数据显示，FlexFoil能够承受从-53到82摄氏度的温度范围，预计使用寿命是商业飞机的5倍。这些结果第一次显示：安装在现代飞机上的这种实用、轻便且使用寿命长的可变形翼面能够在各类飞行条件下展现顶尖性能。
我们现在的优先重点是让航空业的领导者了解我们的可变形机翼的优点和可靠性。他们对于全新技术非常谨慎，这是可以理解的。去年11月，我们与西雅图的AviationPartners公司组建合资企业，向航空公司提供能够提高效率的小翼。为了将FlexFoil商业化，我们共同组建了一家名为Aviation PartnersFlexSys的新公司。我们计划到2020年可在商业飞机上对FlexFoil进行测试。
这项技术也能够很好地与即将问世的新一代飞机融合。航空专家预测，在无缝设计中，机翼和机身将结合在一起。尤其是，波音公司和NASA已经对具有未来色彩的混合机翼飞机进行了试验，FlexFoil将变形成为一个非常平稳、安静和高效的飞行工具。
在更遥远的未来，我们的灵活控制翼面可在固定机翼飞机以外的领域中得到应用。任何以穿越空气或者水域为目的的活动都可以受益于此。我的同事和我已经开发出了直升机旋翼桨叶的原型，可以在每次旋转中多次改变其前缘和后缘的形状，从而提高性能。早期演示显示，这些桨叶可以每秒变形达到15次，这可以改善直升飞机的升阻比并减少振动。其他应用还包括作为潜水艇、汽车和风力涡轮机的组件。
花费至少15年为商业飞行开发和测试一项新技术并不罕见，但如果工程师们能够接受弹性设计并认为其能够提供效能更高的变形模式（正如我发现这一原则适用于飞机），那么其他应用的周转时间将会快得多。■
作者：Sridhar Kota 插图：JohnMacNeill