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1、26航空制造技术 2008 年第22 期 COVER STORY 封面文章 F 16 战机的布局设计适合高机动 高速飞行 而全球鹰无人机适合长航 时侦察飞行 另一方面民用和军事 领域还提出了对具有特殊性能的飞 行器的需求 包括高超声速空天飞行 器 低速临近空间飞行器和微型飞行 器等 高超声速空天飞行器的飞行 状态跨越低速和高超声速 需要既保 证高速性能 又兼顾低速性能 微型 飞行器尺寸小 重量轻 隐蔽性好 成 本低 具有广泛的军事用途 但是随 着飞行器尺寸的减小 使用常规布局 的微型飞行器会存在因尺寸限制而 引起升力不足的问题 以及因低雷诺 数引起推进系统效率大大降低的问 题 临近空间飞行器在
2、遥感和监测 方面比卫星观测更清楚 在通信方面 变体飞行器是一种能够改变外 形 以适应不同的飞行环境 改善空 当前 民用和军事领域都对飞行器提出了更高的要求 要求新一代飞行器能够在变化很大的飞行环境 高度 马赫 数等 下和在执行多种任务 如起降 巡航 机动 盘旋 攻 击等 时始终保持良好性能 固定外形的飞行器难以满足 这个要求 南京航空航天大学 陆宇平 何 真 吕 毅 变体飞行器技术 陆宇平 南京航空航天大学教授 博士生导 师 航天学院院长 国家高新技术研究 发展计划 863 计划 专家 中国航空 学会自动控制专业委员会副主任 中国 宇航学会空间控制专委会委员 1996 年获中国航空工业总公司
3、优秀留学回 国人员 荣誉称号 长期从事飞行控制 系统与导航技术研究 研究领域包括 先 进飞行控制技术 高超声速飞行控制 复 杂系统建模和控制 远程控制等 Morphing Aircraft Technology 气动力学特性的飞行器 鸟类是变 体飞行器在自然界的最好例证 鸟 类具有改变翼面形状的能力 在低速 飞行时伸展翼面 而在高速飞行时缩 拢翼面 鸟类还能改变其翼型 增大 翼型弧度能增加最大升力系数 减小 失速速度 使其可以低速安全降落 鸟类在降落时还能够增加翼面的上 反角 在下降过程中调整可以增加滚 转的稳定性 当前 民用和军事领域都对飞行 器提出了更高的要求 要求新一代飞 行器能够在变化
4、很大的飞行环境 高 度 马赫数等 下和在执行多种任务 如起降 巡航 机动 盘旋 攻击等 时始终保持良好性能 固定外形的 飞行器难以满足这个要求 例如 2008 年第22 期 航空制造技术27 COVER STORY 封面文章 需要的发射功率比卫星通信小 而且 可灵活布置覆盖范围 在临近空间 的飞行环境里 大气密度很低 作为 通信侦察平台的低速临近空间飞行 器雷诺数很小 也会存在升力不足和 推进效率低的问题 变体飞行器的研究随着这些需 求而蓬勃发展起来 变体飞行器能 够利用智能材料或其他驱动器 根据 飞行环境和飞行任务的变化 相应地 改变外形 始终保持最优飞行状态 研究还表明 变体飞行器是克服低
5、雷 诺数 提高飞行器气动效率的一个非 常有前景的方法 变体飞行器的发展 变体飞行器的研究基础是各 种主动柔性翼和主动气动弹性机 翼研究 美国于 1979 年开始研制 AFTI F111 自适应机翼 研制了无 铰链机翼 这种机翼无铰链 利用 机翼内部的液压驱动机构调节机翼 前后缘的曲度来获得最大的空气动 力效率 1986 年的试飞结果表明 自适应机翼提高了飞机的升阻比和 操纵性能 1985 年开展了主动柔性 翼 AFW 计 划 并 于 1996 年 后 扩 展为主动气动弹性机翼 AAW 计 划 1995年 开展了智能机翼 Smart Wing 项目 采用形状记忆合金构成 的驱动机构来代替常规的机
6、翼铰链 该项目采用由形状记忆合金 SMA 构成的集成驱动机构来代替常规的 铰链控制舵面 智能机翼在不同的 飞行状态下 能提供相应的最优气动 外形 风洞试验表明 该项目的设计 可以改善飞机俯仰和滚转力矩系数 减小控制面的偏转 2003 年启动了 变形飞机结构 MAS 项目 提出了 折叠机翼 滑动蒙皮变形机翼和伸缩 机翼的概念 欧洲在 A340 验证机 上应用了主动吸气技术 自适应鼓 包 柔性后缘技术等自适应机翼控制 技术 获得了比原型机更好的气动效 能 变体飞行器的变形方式 变体飞行器通过改变外形来适 应不同的飞行环境 改善空气动力学 特性 综合已有的变体飞行器的研 究成果 按尺度将变体方式分为
7、三 类 一是大尺度变体 包括翼展长 后掠角 翼面积和翼面形状等的改 变 二是中等尺度变体 包括翼型的 弯度 厚度变化和翼的扭转变形等的 改变 三是小尺度变体 即局部发生 变形 如鼓包 以影响飞行器局部的 流动特性 机翼外形对于飞行器的空气动 力学特性影响最大 许多变体飞行 器的研究集中在机翼变形方式上 例如 美国的 MAS 计划 寻求实现 更大的机翼形变 大尺度的机翼平 面形状改变的目标包括 面积改变 50 展弦比改变 200 机翼扭转 50 后掠角改变 20 表 1 列出了几种机翼几何形状 参数对飞行性能的影响 变体飞行器的变形结构 变体飞行器的变形结构是使变 体飞行器实现 变体 的部件 目
8、前 的变体飞行器研究中出现的有集中 驱动式和分布驱动式两种变形结构 1 集中驱动式变形结构 集中驱动式变形结构制作较简 单 但驱动器承受的载荷大 对其强 度要求高 导致结构重量大 而且变 形形式固定单一 如只能改变后掠 角 驱动器故障时将导致飞行器失 效 2 分布驱动式变形结构 分布驱动式变形结构中 多个驱 动器分担载荷 有助于减轻结构重 量 变形形式灵活 鲁棒性强 在部分 驱动器发生故障时能够保证飞行器 具有足够的可控性 参数变化对飞行性能的影响 翼面积 增大增大升力 增加机翼负载系数 减小减小寄生阻力 展弦比 增大增大升阻比 巡航时间 距离 转弯半径 减小发动机能量消耗 减小增大最大速度
9、减小寄生阻力 上反角 增大改善滚转性能和侧向稳定性 减小增大最大速度 后掠角 增大增大临界马赫数 上反角效应 减小高速阻力 减小增大最大升力系数 根梢比影响机翼效率 展向升力分布 诱导阻力等 扭转分布阻止翼尖失速效应 影响展向升力分布 弧度影响零升攻角 翼型效率 气流分离等 厚度 弦长比 增大改善低速翼型性能 减小改善高速翼型性能 前缘半径 增大改善低速翼型性能 减小改善高速翼型性能 表 1 机翼几何形状参数对飞行性能的影响 28航空制造技术 2008 年第22 期 COVER STORY 封面文章 美国 Grumman 公司研究中心 设计了自适应桁架翼肋结构 用于 改变机翼横截面翼型 其直线
10、驱动器 安置在桁架元件的自适应肋上 美 国 Dayton 研究学院与空军研究实 验室等设计了使用分布式驱动器网 络的剪形机翼机构 可以改变机翼 面积和后掠角 每个结构单元包含 4 根连杆 1 个驱动器 NASA 设计了 一种可以改变展向弯度的机翼 称为 超椭圆弧形翼 HECS 它沿翼展方 向的曲率可以不断改变 这种方式 在机翼后缘使用了一种无铰链的嵌 板作为操纵面 使用形状记忆合金 SMA 进行驱动 美国 NextGen 航 空公司为 MAS 项目设计的滑动蒙 皮变形机翼也采用了分布式驱动结 构 其机械结构由多个四连杆单元连 接而成 目前 所开发的智能材料还不能 在全尺寸模型上应用 原因是单个
11、驱 动器输出的力和位移较小 因此 产 生了 柔性机构 的概念 柔性机构 通过组件的弹性变形传递力或位移 使某些节点处很小的弯曲或位移转 变为较大的整体变形 这样 就可以 将智能驱动器与柔性机构结合起来 发挥各自的优点 这种结构具有质 量轻 制造简单 无摩擦等优点 美 国 Penn 州 立 大 学 设 计 以 八 面 体 腱 驱 动 柔 顺 细 胞 桁 架 Compliant Cellular Truss 作为 变体飞行器的主动结构单元 每个 单元的桁架杆件通过柔 性铰链 SMA 连接 机 翼由八面体的结构单元 组成 在不同的负载情况 下 通过拉紧或放松绳索 驱动结构变形 通过积 累局部的小形变
12、使得整 体完成全局的光滑形变 欧洲资助的 3AS 计 划 Active Aeroelastic Aircraft Structures 中 通过改变飞行器内部结 构 利用作用在机翼上的 空气动力提供扭转机翼 的力矩 控制机翼的弯曲 扭转 相 比利用驱动器扭转机翼并保持形状 而言 利用外部的空气动力提供变形 的力矩 需要的能量要小得多 3 变形结构的驱动器与传感 器 变形结构的驱动器用于驱动变 形结构运动 国内外研究中的变体 飞行器的变形结构采用的驱动器及 其特点总结如下 压电驱动器 不能提供机翼扭 曲的足够的应变 可以设计高度可 变形机构 HDM 等机械结构 将它们 与压电驱动器结合起来 以克
13、服压电 驱动器不能提供机翼扭曲的足够的 应变的缺点 电活性高聚物 电致形变材 料 驱动力的能级不够高 形状记忆合金 对敏捷的机动 飞行而言 带宽不够 大 响 应 时 间 不 够 快 气动活塞 驱 动力大 速度快 行 程大 而且重量比液 压和机电驱动器轻 但需要储存气体 难 以安装在机翼里 充气驱动器 如烟火驱动器和气囊 驱动力大 但需要空间储存 需要多个充气袋 电动液压驱动器 技术成熟 但结构很复杂 且变换速度较慢 重 量和体积很大 线性机电驱动器 如滚珠螺旋 致动器 输出力大 在负载下不会 回退 可以抵御空气动力 廉价 易于 购得 但是速度较慢 偏心杠杆 用电超声电机驱 动 偏心杠杆将电机的
14、转动转化为杠 杆另一端的垂直力 响应速度快 绳索驱动 多根绳索与桁架组 成柔顺机构作为驱动器 用绳索的伸 缩来驱动结构的变形 可以减轻重 量 并能实现分布式驱动 但变形机 构设计比较复杂 如张拉整体结构的 设计和计算 变形结构的传感器用于反馈 变形结构的位置 形状 可以在每 个驱动器上安置一个内部电位计用 于反馈线性位置 或使用内部旋转 电位计来测量智能操纵面的倾转角 度 也有研究用线性可变差动变压 器 LVDTs 测量变形结构的线性位 移 用应变片结合模态变换算法测 量变形结构位移 有研究用摄影测 量方法测量形状 即用两个摄像机来 测量机翼上标记的位移 用视频模 型扭曲测量系统 VMD 投射
15、叠纹 干涉法 PMI 等测量方法测量机翼 外形 有实验室用光纤机翼形状测 量系统 该系统使用多路纤维 Bragg 光栅传感器 FBG 共使用了 36 个 FBG 传感器 并利用神经网络方法 柔性扑翼飞行器概念设计图 腱驱动柔顺细胞桁架 飞行器交替进 行扑翼飞行和 滑翔运动 光伏电池 锂离子电池 阴极栅 阳极栅 IPMC 离子金属 聚合物复合物层 2008 年第22 期 航空制造技术29 COVER STORY 封面文章 顶层为控制飞行器机 动的飞行控制 底层 为控制飞行器变形的 基础控制 本节重点 讨论变体飞行器控制 方面的研究 变体飞行器的飞 行控制器根据飞行任 务的要求 感知飞行 环境信息
16、和飞行器姿 态等状态信息 将需 要的飞行器静态形状 和动态变化特征传输 给变形控制器 变形 控制器控制变形部位 达到变形的动 态和静态要求 变体飞行器飞行环境变化大 飞 行任务多 不断切换外形状态 时变 和非线性特性严重 变体飞行器具 有大型的变形结构 不能像常规飞行 器那样将飞行器作为单个刚体来建 模 大尺度变形的变体飞行器具有 多刚体系统的特点 中尺度和小尺 度变形的变形飞行器具有柔性体的 特点 这给变体飞行器的模型建立 和飞行控制的研究带来了挑战 变形结构是由分布式作动器驱 动的机械连杆结构 需做较大幅度的 运动 其动力学特性变化大 且具有 很强的非线性特性 变体飞行器的 变形控制系统 是在网络结构下 实 现对多执行机构的控制问题 变体 飞行器上分布设置了数目巨大的驱 动器 单个驱动器功能简单 因此 需要全体驱动器协作来完成复杂的 动作 是一个大数目输入 输出系 统 各驱动器和传感器通过总线连 接组成网络结构 驱动器间以及驱 动器与传感器间有局部通信 也有与 中心控制器的通信 通信速率受约 束 因此 需要针对这些特点设计变 形结构控制器 结束语 变体飞行器在改善飞行器空气 动力学
