智能柔性變形機翼技術的應用與發展

“機翼”是決定飛機性能的關鍵部件。傳統飛機一般根據特定飛行任務和環境條件下的空氣動力學特性設計機翼的總體布局和形狀參數,并采用輕量化、高強度和固定式的材料結構制造,利用電傳感技術感知各種載荷。這種固定式剛性機翼可以通過襟翼、前緣縫翼等機構的簡單剛性變形使飛機在特定飛行條件下改善其空氣動力學性能。但是,固定機翼的局部剛性變形會使翼型截面幾何廓形產生非連續變化和曲率突變,影響氣動特性。更大的問題在于飛行環境參數是連續變化的,固定式機翼通常只能在一個設計點達到最優氣動性能,大多數情況下性能不佳,在提升飛行性能和多任務適應性等方面存在瓶頸。

近年來,隨著軍事偵察打擊、遠程運輸和醫療救災等對飛行器性能要求的不斷提高和技術的發展(尤其是無人機的應用發展),先進飛行器向著智能化、高效能化和偵查/打擊一體多任務化的方向發展。這種情況下,傳統的固定式機翼技術逐漸無法滿足應用需求,能夠適應多種飛行任務和不同環境條件并達到最優飛行性能的變形機翼技術受到日益廣泛的關注和研究。

目前,變形機翼已經成為未來先進航空飛行器的重要特征和發展方向。與固定式機翼不同,變形機翼可以根據不同的飛行任務和飛行環境條件改變機翼形狀進而獲得最優的飛行性能。利用變形機翼可使一架飛機高性能地執行多種任務,高效地完成通常需要不同飛機執行的不同屬性的任務或組合型任務,同時在飛行過程中改變機翼的氣動外形,適應不同的飛行環境和條件,達到最優效能。

為滿足上述應用要求,變形機翼在性能上要求能夠進行連續性、大尺度、多自由度、高速率的主動變形,并實時感知飛行載荷和氣動外形變化,這使其在設計制造上不能采用傳統方式,需要研究采用新型的材料、結構和驅動控制與傳感技術,使變形機翼在功能性、承載性和可靠性上符合實際飛行的性能要求。然而,受限于蒙皮材料與結構、變形驅動和傳感控制等關鍵技術的發展水平和應用性能,變形機翼技術經過幾十年的研究仍然沒有達到預期的性能要求和應用效果,存在的主要問題主要如下:利用傳統蒙皮、機械機構和電動機控制方式制作的變形機構及驅動裝置增加了機翼的重量和機械復雜度,影響系統可靠性;利用智能材料與結構制作的變形機構及驅動系統難以在氣動載荷承載性、驅動力和重復可靠性等方面均達到應用要求;缺少能夠感知飛行載荷和氣動外形的柔性傳感技術與系統,以及可演算最優氣動外形并主動自適應變形的控制技術。

近年來,隨著智能材料與結構和新型傳感控制技術的快速發展,智能蒙皮材料、柔性變形機構和分布驅動控制與柔性傳感技術等方面的研究都取得了進展,這促進了新型的自適應變形機翼技術的研究與發展,具備柔性變形和智能感知與控制能力的變形機翼逐漸能夠得以實現,這使得未來變體飛行器有望進入智能化自適應飛行的新階段。當前研究的典型案例如下:美國國防高級研究計劃局(DARPA)研究了基于形狀記憶合金、形狀記憶聚合物和柔性蜂窩芯等智能材料與結構的柔性變形機翼。美國宇航局(NASA)完成了弦向彎曲變形機翼的飛行測試。目前,雖然國內外學者在變形機翼相關方面已開展大量研究,取得了一定進展,但是仍然存在若干問題限制了技術的應用發展,亟待探討解決方法。

智能柔性變形機翼技術的應用與發展的圖1

變形機翼技術研究和應用發展歷程簡圖

為此,北京信息科技大學祝連慶、孫廣開、李紅、董明利《智能柔性變形機翼技術的應用與發展》《機械工程學報》2018年14期,封面文章)一文中從智能柔性變形機翼的基本概念與內涵出發,介紹了其研究發展歷程,分析了關鍵技術問題,指出在柔性蒙皮、變形機構、分布控制、智能感知和系統集成與協同等方面的研究重點和方法,并對未來發展提出建議。

未來發展

隨著新型智能材料與結構和分布式傳感控制技術的發展,變形機翼技術向著智能化和柔性化的方向演變,采用智能柔性變形機翼技術的變體飛行器逐漸能夠得以實現,加強以下幾個方面的研究將會對變體飛行器變形機翼技術的應用發展帶來革命性的變化。

(1) 在柔性蒙皮材料方面,加強形狀記憶材料、纖維增強柔性材料和高性能薄膜等新型材料的研究,突破材料柔韌性與載荷承載性能瓶頸,使柔性蒙皮材料能夠多自由度、大尺度變形并承受氣動載荷作用,實現超柔、超韌、超輕和大承載、長壽命的性能飛躍。

(2) 在變形承載機構方面,加強更優性能的形狀記憶材料與結構的研究,使其加載更簡易、變形速率更高、重復性及可控性更好;發展數字化、模塊式的高可靠性變形機構,突破建立具有輕量化、大承載、簡單靈活和高可靠性特點的多自由度變形承載結構技術。

(3) 在變形驅動控制方面,利用智能材料驅動變形,并實現柔性蒙皮材料、結構和驅動一體化是當前的研究熱點和未來應用的發展方向。但是,目前輕量化設計的智能材料變形驅動系統的驅動力和位移量都比較小,無法滿足應用要求。通過增加智能材料的體積和數量雖然能夠增大驅動力和變形量,但同時也會增加驅動系統的體積和重量,與飛行器的輕量化設計要求相矛盾。鑒于此,加強新型智能材料和變形驅動技術與系統的研究,發展具有超小、超輕、超快、驅動力強和簡單易集成等特點的分布式驅動控制系統,是變形驅動控制技術的研究發展方向。

(4) 在智能感知系統方面,加強微機電傳感技術、光纖傳感技術和新型柔性傳感技術的研究,發展基于嵌入式微傳感器的分布傳感系統并與柔性蒙皮相結合,形成可實時感知飛行載荷和變形姿態的智能柔性蒙皮系統。

(5) 在系統集成與協同方面,變形機翼增加了用于自適應變形控制的分布傳感系統、變形機構和驅動控制系統等,增加了飛行器系統的重量和復雜度,需要解決系統集成的輕量化和可靠性問題。面向高速高低溫、高低氣壓等飛行環境,需要研究空氣動力學及動態傳感控制問題,明確變形機翼局部與飛行器總體系統的相互影響規律,解決變體飛行器的自適應控制和主動控制協同、人機協同、人機環境協同等問題。

由此可見,基于形狀記憶材料、纖維增強柔性材料和高性能薄膜等新型材料的柔性蒙皮技術,結合智能材料與結構和數字化設計方法的變形機構技術,分布驅動控制和柔性傳感技術,以及輕量化和高可靠性的系統技術與協同控制技術是智能柔性變形機翼技術的未來研究重點。如果能在蒙皮材料柔韌性和飛行載荷承載性與環境適應性,以及承載機構柔性變形性能、分布式驅動技術、柔性傳感技術和系統集成與協同控制技術等方面取得實用化的突破,將推動智能柔性變形機翼技術在先進變體飛行器上的應用。

重要結論

(1) 變形機翼技術正在逐步由簡單剛性變形向智能柔性變形的方向演變。該技術將使飛行器智能感知各種載荷和姿態并主動控制實現大尺度、多自由度的柔性變形,實時獲得最適氣動外形,顯著改善氣動特性,以最優效能適應不同飛行任務和組合任務,已成為未來高性能飛行器的重要標志,將在軍事偵察打擊一體化和遠程運輸、醫療救災等方面發揮重大作用。

(2) 當前隨著新型柔性材料、變形機構和傳感控制技術的發展,智能柔性變形機翼技術正處于實用化發展的關鍵階段,加強在蒙皮材料柔韌性和飛行載荷承載性與環境適應性,以及承載機構柔性變形性能、分布式驅動技術、柔性傳感技術等方面的研究突破,將使智能柔性變形機翼技術進入實用化發展的新階段。

(3) 在飛行器系統與協同方面,需要研究解決系統集成面臨的輕量化和可靠性問題,以及自適應變形的空氣動力學及動態傳感控制問題,建立變形機翼與飛行器整體系統的協同控制理論和方法。上述問題的解決,將給變體飛行器技術的應用發展帶來革命性的變化。

主創簡介

智能柔性變形機翼技術的應用與發展的圖2

祝連慶,男,1963年出生,博士,教授,博士研究生導師。儀器科學與技術一級學科帶頭人,北京市重點學科帶頭人,團隊帶頭人。從事飛行器載荷監測、光纖傳感與系統、光電精密測量技術等領域的研究工作,主持國家863重大課題、國家重大研發計劃、國家自然科學基金、北京市重大科技項目、北京市自然科學基金重點項目以及其他科研項目30余項,獲國家科學技術進步二等獎(第1完成人),北京市科學技術二等獎(第1完成人)。

孫廣開,男,1984年出生,博士,副教授。主要研究方向為智能傳感、檢測與機器人技術。


李紅,女,1985年出生,博士,講師。主要研究方向為先進傳感與檢測技術。


董明利,女,1965年出生,博士,教授,博士研究生導師。主要研究方向為視覺測量技術、精密測量技術與儀器。

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