结构是支撑航空平台实现预期功能和性能的基础，在提高飞机效率、控制研制成本和保障服役寿命等方面均发挥举足轻重的作用。2021年，国外在航空结构强度专业领域继续开展大量研究，复合材料结构、变体结构、结构健康监测、数字化结构等成为年度研究热点。
一、继续挖掘复合材料结构的减重、环保潜力
复合材料凭借其高比强度、高比刚度、耐疲劳、抗腐蚀等优点，在飞机结构设计与制造中得到广泛应用。2021年，复合材料结构在民机设计中继续发挥重要作用，一方面，复合材料结构的大规模使用进一步降低了飞机结构重量，实现轻量化设计；另一方面，热塑性复合材料成为提高民机经济性、环保性的重要选择。
1.空客公司“明日之翼”项目完成首个机翼原型组装
2021年9月，空客公司“明日之翼”项目完成首个全尺寸机翼原型组装。“明日之翼”项目旨在为下一代单通道客机研发复合材料机翼，机翼主结构由碳纤维复合材料制造而成。该项目制造三个全尺寸机翼原型：一个用于了解系统集成；第二个用于结构强度试验，并与计算机仿真结果对比；第三个用于组装和测试扩大生产。
2.俄罗斯MC-21-300客机完成复合材料机翼安装
图2 俄罗斯MC-21-300客机复合材料机翼
2021年7月，俄罗斯国家技术集团（Rostec）所属的伊尔库茨克（Irkutsk）飞机制造厂宣布完成了MC-21-310客机机翼的制造和组装。该机翼采用俄罗斯国产复合材料，经过真空灌注技术制造而成。同年12月，MC-21-310客机完成首飞，俄罗斯工贸部部长曼图罗夫表示，俄工贸部共投入44亿卢布（约合6千万美元）用于开发该客机的复合材料机翼。
3.美、英、法、日、荷开展复合材料储氢罐研究
为推动氢燃料在未来航空航天领域的应用，美、英、法、日、荷纷纷开展复合材料储氢罐研究，设计制造了全复合材料的氢燃料箱，并对结构承载性能和减重收益进行了试验和评估。
2021年底，波音公司设计并制造出无内衬全复合材料低温燃料箱，并在美国航空航天局（NASA）马歇尔航天飞行中心进行了一系列关键测试。该燃料箱呈圆柱状，直径4.3米，由于复合材料结构本身重量轻，可将燃料装载量提高30%。此次测试由美国国防部高级研究计划局（DARPA）和波音公司联合资助。试验中，燃料箱加压到设计载荷的3.75倍，主要结构部件没有出现任何损坏。试验结果表明，该复合材料燃料箱技术成熟、安全可靠，可为未来商业航空氢能源存储提供支撑。
英国国家复合材料中心（NCC）与法国航空航天制造商泰雷兹阿莱尼亚太空公司（Thales Alenia Space）联合开展为期一年的“太空储存罐”项目，制造了一种全复合材料无衬垫储存罐演示验证件，与目前使用的传统金属推进剂储存罐相比，重量预计可减轻30%。
荷兰航空航天中心（NLR）在2021年初开始液态氢研究，计划与屯特大学、德尔夫特技术大学以及日本东丽先进复合材料公司合作，重点开展复合材料储氢罐的结构设计和力学特性研究，使其能够承受储存液氢所需的极端压力和温度条件，以便为民用航空开发长寿命、全复合材料液氢储罐。
4.荷兰航空航天中心试制世界最大热塑性复合材料飞机机身结构件
图3 NLR热塑性复合材料“多功能机身演示样机”
2021年6月，荷兰航空航天中心（NLR）STUNNING 项目完成“多功能机身演示样机”(MFFD)热塑性复合材料机身下部蒙皮壁板的制造，该部件长8.5米，直径4米，是目前已知的世界最大单一热塑性复合材料部件。相比热固性复合材料，热塑性复合材料质量更轻，具有更好的抗冲击能力。
二、探索多种变体结构方案
变体飞机通过改变结构外形，适应不同的飞行条件，可提高不同飞行状态下的气动效率、降低油耗和噪声。2021年，变体结构仍旧是航空结构领域的研究热点。
1.“洁净天空”计划可变型翼梢小翼完成飞行测试
图4 欧盟“洁净天空”“可变形翼梢小翼”
2021年，欧盟“洁净天空”（Clean Sky）计划支持的“可变形翼梢小翼”（Morphing Winglet）项目取得重要进展，完成了可变形翼梢小翼样机研制，并于2022年初在空客C-295运输机上完成飞行试验。该翼稍小翼由机电作动器（EMA）驱动，采用低成本无夹具复合材料工艺技术一体化成型，目标是实现重量降低约15%，飞机风阻降低约5%，飞机阵风载荷减缓约10%，从而提高飞机的飞行效率，降低燃油消耗。
2.普渡大学开发构形转换变体机翼
2021年5月，普渡大学可编程结构实验室研制的可选刚度变形机翼盒段完成风洞试验。该轻质机翼利用几何双稳态元件通过内部拓扑转换按需提供刚性或柔度，既具备可承受气动载荷的高刚度，又具备可获得气动适应性的高柔度。风洞试验表明，低空速下的转换刚度不会导致气弹不稳定，这为可选刚度飞机结构设计消除了一个重要障碍。
图5 构型转换变体机翼
图6 构型转换变体机翼风洞试验
图5所示的变体机翼可以根据飞行环境条件和任务在两种构型之间进行选择转换。左图中红色和蓝色双稳态装置决定了机翼的刚度，驱动器位于机翼上表面。右图为采用建模仿真手段预测分析可达到的两种构型形状。图6为该机翼安装了监测仪表并准备进行风洞试验。
3.德国航空航天中心开发变弦长旋翼叶片
2021年5月，德国航空航天中心（DLR）“旋翼机高效形状自适应叶片”（Shape Adaptive Blades forRotorcraft Efficiency）项目开发的弦向变形旋翼在布里斯托风洞和DLR布伦瑞克涡流塔中完成演示验证。样机包括用于叶片根部区域的弦向变形结构概念。试验证实，增加弦长可以改善旋翼的悬停性能特征，而减少弦长有利于快速前飞。试验结果为未来变弦长旋翼叶片设计提供了依据，未来旋翼叶片会根据不同的飞行状态改变形状，悬停时弦长变大，快速前飞时弦长变小。
4.蒙特利尔魁北克大学变弯度机翼完成风洞试验
蒙特利尔魁北克大学高等技术学院（ETS）的主动控制、航空电子设备和气动伺服弹性研究实验室（LARCASE）设计了一种前后缘变弯度机翼UAS-S4，改进型UAS-S4在Price-Païdoussis亚声速风洞中完成风洞试验，试验证明了变弯度系统提高了气动性能，包括减少失速迎角和阻力。改进型UAS-S4的变弯度系统使用与原UAS-S4相同的伺服电机，以确保变形驱动不会增加整体重量。
5.哈佛大学研发Totimorphic可变形结构材料研究
图7 哈佛大学研发的Totimorphic可变形结构材料
2021年10月，哈佛大学开发出一种可变形材料，将其命名为“totimorphic”，该材料具备实现并保持任意形状的能力，通过将单元细胞与关节相连，构成中性稳定系统，从而可构建各种2D和3D结构。
三、结构健康监测技术取得进展
结构健康监测技术因能实时监测结构状况，可降低结构维护成本、提高维护效率，同时提高飞机的安全性和可靠性。2021年，结构健康监测技术在理论方法、数据库建设、实践应用等方面开展研究，取得了一定的研究成果。
1.亚利桑那州立大学开发结构损伤诊断和预测方法
2021年3月，在美国陆军研究实验室的资助下，亚利桑那州立大学通过原位复合材料疲劳试验演示了一种自动损伤诊断技术。这种半监督技术使用超声兰姆波和机器学习来检测和分类复合材料结构中的疲劳损伤。在测试中，该团队通过超声波模式识别来捕获结构损伤，然后通过提取损伤特征模式对其进行分类。此外，在美国航空航天局（NASA）“大学领导力计划”资助下，该团队将这种结构损伤诊断和预测的方法应用于飞行安全中，包括使用自动编码器进行数据驱动的飞机健康监测。2021年7月下旬，该技术的性能通过集成到空中交通管理框架模块中得到了验证。
2.AlphaSTAR公司使用数字孪生传感进行结构健康监测
2021年，位于加利福尼亚的AlphaSTAR公司使用可定制的数字孪生传感和计算架构进行结构健康监测，通过机载传感器（包括压电陶瓷、应变仪、振动计、加速度计和热电偶等）、实时分析和反馈来评估飞行器结构的剩余使用寿命。
3.荷兰代尔夫特理工大学建成世界首个飞行器结构健康监测专题数据库
2021年6月，荷兰代尔夫特理工大学（TU Delft）与希腊帕特雷大学（University of Patras）合作，针对航空航天复合材料结构进行了为期两年的测试，建成了结构健康监测（SHM）专题数据库。该数据库能够为航空业界提供高参考价值数据资源，不仅可用于飞行器结构状态实时诊断，还可结合人工智能模型，对飞行器结构的未来状态进行合理预测，可帮助飞机维修工程师检测、定位和评估复杂航空装备结构的损坏程度，显著缩短传统人工检验周期，大大降低人力损耗。
4.法国完成航空平台自动化无损检测技术演示试验
2021年6月，法国国防创新局（Defence Innovation Agency）、法国航空维修局（DMAé）、法国武器装备总署（DGA）和空天军合作开展的“自动化无损检测”项目在蒙德马桑（Mont-de-Marsan，代号BA118）空军基地完成技术演示。该项目开发了一种使用无人机为飞机涂层进行自动3D检测和使用半自主无损超声检测机器人自动检测核心部件缺陷的技术，项目成果后续将集成应用到现有运维体系中。
四、航空数字化结构设计、制造与试验技术逐步推进
高性能计算和数字化仿真技术在结构设计、优化、试验、保障等方面正发挥着越来越重要的作用，虚拟试验和数字孪生将提高结构强度试验、寿命评估预测和维护维修的便利性、准确性和经济性，变革未来飞机结构设计、试验、保障方法。2021年，国外在数字化结构设计、制造与试验方面也开展了相关研究。
1.NLR《未来飞机结构设计白皮书》关注虚拟试验与数字孪生
图8 荷兰航空航天中心提出的虚拟试验与数字孪生
2021年4月，荷兰航空航天中心（NLR）发布了《未来飞机结构设计白皮书》，提出虚拟试验和数字孪生是未来飞机结构设计的关键技术。在虚拟试验方面，未来飞机结构设计可不采用加载点简化的等效载荷，而是将整个设计寿命期间模拟飞行的分布式载荷施加在模型上，还可以增加温度和湿度等环境条件。以虚拟全尺寸疲劳试验（FSFT）为例，可在有限元模型的每个单元上进行概率性变幅疲劳计算，准确评估结构每个位置的疲劳强度。虚拟试验将给出不同设计方案的失效概率，失效类型包括静态、疲劳、腐蚀、蠕变、磨损等。采用虚拟试验技术后，可考虑降低安全系数（当前一般取1.5，即结构可承受的最大载荷相当于实际使用中允许承受载荷的1.5倍），采用失效概率作为结构设计的依据。
在数字孪生方面，未来飞机结构设计可创建飞机结构的数字孪生系统，使用大量各种类型的传感器持续监测飞机的载荷和运行状况，跟踪飞机结构在飞行参数、载荷、环境、结构更改和维修、维护等方面的历史，结合概率失效机制计算结构的当前物理状态，并与虚拟试验得到的数据进行比较，判断损伤情况和结构剩余寿命，实现结构的预测性维护和优化检修方案。
2.英国推进复合材料螺旋桨叶片数字化设计与制造
2021年7月，由Dowty螺旋桨公司和国家复合材料中心承担的“数字螺旋桨推进器”项目设计制造了全尺寸螺旋桨叶片原型样件，该项目建立了参数化的复合材料螺旋桨数字模型，采用数字化方法实现对复杂、大变量模型的快速迭代设计和高精细度结构优化。
（航空工业发展研究中心 宋刚）
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