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1、探测制导综合设计探测制导综合设计 可变翼智能飞机可变翼智能飞机目录content概述1飞机智能变形的方案2飞机气动布局形式3具体结构设计4控制系统设计5模型仿真6Page03071322282基本概念：基本概念：“可变翼智能飞行器可变翼智能飞行器”的概念的产生大概可分为两个思路： 一个是从仿生学出发，受鸟类飞行启发而提出以超椭圆弧形翼、变弯度翼、超椭圆弧形翼、变弯度翼、Z Z形折叠翼、变体翼梢小翼形折叠翼、变体翼梢小翼等为代表的理论与技术研究体系； 二是从飞行器技术自身发展出发，随着智能飞行控制技术、随控布局技术、结构主动控制技术、智能材料与结构技术等的日益成熟，逐渐催生出以主动柔性机翼、主动
2、气动弹性机翼、自适主动柔性机翼、主动气动弹性机翼、自适应机翼、可变体飞机应机翼、可变体飞机等为代表的智能变形飞行器的概念和相应理论与技术研究体系。目的目的：通过实时改变飞行器结构的几何和物理属性，来提高飞行器的效率、机动性和多任务/环境适应能力，达到全航程最优。概述1仿生学启示：仿生学启示 美国NASA兰利研究中心提出并与康乃尔大学合作设计了超椭圆弧形机翼，。佛罗里达州大学机械与航空工程系等人仿海鸥飞行动作设计了两种微型变形飞行器，分别通过翼展折叠和弯曲变形实现飞行器机动灵活飞行。现代飞机设计存在的问题 在飞机的设计工作中，有一个不易克服的矛盾矛盾：要想提高飞行马赫数，必须选择大后掠角、小展弦
3、比的机翼，以降低飞机的激波阻力，但此类机翼在亚音速状态时升力较小，诱导阻力较大，效率不高。从空气动力学的角度讲，要同时满足飞机对超音速飞行、亚音速巡航和短矩起降的要求，最好是让机翼变后掠，用不同的后掠角去适应不同的飞行状态。可变翼智能飞机的概念由此产生。 众所周知，现代飞行器普遍采用固定的气动布局固定的气动布局，在刚性的机翼上安装用铰链连接的操纵面和增升装置铰链连接的操纵面和增升装置以实现机动控制。这种飞行器的气动外形通常是针对一种飞行条件而优化设计的，或者针对几种飞机外形条件折衷设计的，无法在多种飞行条件下都达到优化的气动性能。与自然界的鸟类等飞行生物的飞行方式相比，现代飞行器仍显的原始和简
4、单。可变翼飞机的发展背景 1、 可变翼飞机其实不是一个全新的概念，早在 40年代时人们就已经提出这一改善飞机性能的方案，在上世纪60年代和70年代的冷战时期就有人尝试在飞行中改变机翼外形，变后掠翼变后掠翼是这时期的主要方案。美国ATF战斗机计划，前苏联的苏-24，都是采用过变后掠翼的设计，试图使机翼按任务要求而改变后掠翼。但变后掠翼的后掠角通常只能达到几个固定的角度，气动性能的提高程度有限，又由于其结构重量大和操作性复杂，因此，它后来的发展受到了限制。可变翼飞机的发展背景 2、随着飞行器的飞行效率、机动性和多任务适应能力要求等综合需求的不断提高，以及智能材料与结构技术、微机电技术及分布式控制技
5、术等的迅速发展，大大地提高了机翼进行连续、光滑与可控的变形的可行性。新型可变翼智能飞行器的研究逐渐在学术界和航空工业界掀起了热潮。3、目前已开展过的或正在开展的重要相关研究项目有：美国美国的主动柔性翼(AFW)、主动气动弹性机翼(AAW)、智能机翼、智能旋翼等项目；欧洲欧洲的主动气动弹性飞行器结构研究项目。我国我国也专门将可变翼智能飞机的相关研究列入重大研究计划中，并设立相应基金资助。此外，国内外许多大学和研究机构也进行了大量的飞行器研究工作。可变翼智能飞行器在国防军事及民用航空方面的应用价值及重要性是不言而喻的，已经成为国际航空航天界的前沿和热点研究内容。基本分类基本分类局部微小尺度变形局部
6、微小尺度变形：主要是通过主动流动控制来抑制边界层分离、抑制激波、控制转戾、控制流动稳定性等； 主要的变形方式有：扰流片、翼面微振动、合成射流、自适应鼓包、柔性蒙包等。分布式中等尺度变形分布式中等尺度变形：通过无缝的、连续光滑的、可逆的飞行器气动部件变形来产生控制力，充分利用气动弹性效应来提高飞行器的控制效率； 主要的变形方式有：翼的扭转、翼尖的弯曲、副翼/襟翼的无缝弯曲、弹头偏转等。整个大尺度变形整个大尺度变形：通过改变飞行器整体气动布局来适应不同的飞行条件和完成不同的飞行任务，扩大飞行器的飞行包线，并在全任务剖面内实现最优化； 主要的变形方式有：掠角的变化、展弦比的变化、翼展长的变化、翼面积
7、的变化、翼型的变化等。12概述飞机智能变形的方案机翼几何参数对飞机性能的影响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少减少寄生阻力 展弦比增大增加升阻比、巡航时间、距离、转弯半径；减小发动机能量消耗减少增大最大速度；减少寄生阻力后掠角增大增大临时马赫数、上反角效应；减少高速阻力减少增大最大升力上反角增大改善滚转性能和侧向稳定性减少增大最大速度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少改善高速翼型性能前缘半径增加改善低速翼型性能减少改善高速翼型性能两种设计
8、方案：方案一方案一：在不改变飞机原有气动布局的情况下，通过改变机翼后掠角来提升飞机适应能力。方案二方案二：给飞机增加一个可以伸出/收缩的鸭翼，来改变原有的气动布局形式，以提高飞机机动性和操纵性。可变后掠翼中等后掠翼：高亚音速性能好平直翼：升力系数大，低速性能好大后掠翼：阻力小，高空高速性能好设计方案评价：优点：通过机翼后掠角变化，使飞机在低速和高速飞行中获得理想的机翼前缘升力。在起飞、着陆和低速飞行时，使用较小的后掠角，使机翼前缘升力增加，机翼效率提高，而高亚音速和超音速飞行时使用大后掠角，提高飞机的加速性能和高速飞行能力。缺点：变后掠翼结构相对复杂，为了支持机翼后掠角的可变，机翼必须由可变动
9、机构组成。增加了机身重量，机翼悬挂点减少，负载减少，灵活度减少。增加了机构的复杂度与固件的数量，可靠性成几何倍数的降低，同时生产复杂度和维护费用成几何倍数的增加，从而造成付出多余回报。综合评价： 虽牺牲如此多的方面也不能弥补其结构强度的降低。不过，就算其有以上这些问题存在，也无法掩盖其机动性能上的强大优势。可变鸭翼结构设计思路： 增加一对可伸出/收缩的小鸭翼。设计方案评价：优点： 鸭翼布局可谓优点多多，特别是针对现如今的超音速时代，其主要优点有配平阻力比较小，具有较大的升阻比。以较小的机翼升力获得较大的全机升力，有利于结构重量减轻。此外，大迎角飞行时，鸭翼的迎角一般大于机翼的迎角，鸭翼首先出现
10、气流分离，导致飞机低头，使鸭式飞机不易失速，有利于飞行安全。缺点：鸭翼飞机的最大升力不及正常布局飞机大，由于机翼后缘离飞机重心较远，当后缘襟翼放下较大的角度产生较大的低头力矩时会使鸭翼负担过重。鸭式飞机的起飞、着陆性能较差。综合评价： 可变鸭翼结构方案试图兼顾稳定性和机动性，解决重心后移和增加平尾面积的恶性循环的一种尝试。兼具两种气动特性，加大了飞机的适应能力。小结：上述两种设计方案各有特点：上述两种设计方案各有特点：方案一方案一：可变后掠翼方案通过改变飞机的机翼后掠角来改变飞机的飞行特性，加大飞行包线，使飞机兼有三种后掠角机翼的优点。方案二方案二：可变鸭翼结构方案通过增加一个可以伸出/收缩的
11、小鸭翼来改变飞行特性，使一种飞机兼具两种气动特性，加大飞机的适应能力，以达到全航程最优控制的目的。123飞机智能变形的方案飞机气动布局形式概述飞机气动布局为了更好的进行后面的讲解，下面将就飞机气动布局形式进行简要为了更好的进行后面的讲解，下面将就飞机气动布局形式进行简要的介绍：的介绍：正常（平尾）布局： 常规布局是现代飞机最经常采用的气动布局，通常将飞机的水平尾翼和垂直尾翼都放在机翼后面的飞机尾部。 研究人员发现，如果在机翼前沿根部靠近机身两侧处增加一片大后掠角圆弧形的机翼面积，就可以大为改善飞机大迎角状态的升力，即我们所说的叫做“边条”。新式战斗机很多都采用这种布局。这种飞机强调近距离格斗性
12、能，适合大迎角、大过载的机动飞行无尾布局：无平尾、无垂尾和飞翼布局可以统称为无尾布局。无尾布局有诸多优点：首先是飞机重量显著减少；其次，因为取消尾部使全机质量更趋合理地沿机翼翼展分布，从而可以减小机翼弯曲载荷，使结构重量进一步减轻；另外，尾翼的取消可以明显减小飞机的气动阻力，同常规布局相比，其型阻可减小60%以上；不言而喻，取消尾翼之后将使飞机的目标特征尺寸大为减小，隐身性能得到极大提高；最后尾翼的取消同时减少了操纵面、作动器和液压系统，从而也改善了维修性和具有了更低的全寿命周期成本。鸭式布局：采用鸭式布局的飞机的前翼称为“鸭翼”。战机的鸭翼有两种，一种是不能操纵的，其功能是当飞机处在大迎角状
13、态时加强机翼的前缘涡流，改善飞机大迎角状态的性能，也利于飞机的短距起降。另一种是有操纵性的，如我国的歼-10，以及歼-20，这些飞机的鸭翼除了用以产生涡流外，还用于改善跨音速过程中安定性骤降的问题，同时也可减少配平阻力、有利于超音速空战。在降落时，鸭翼还可偏转一个很大的负角，起减速板的作用。三翼面布局： 在常规布局的飞机主翼前机身两侧增加一对鸭翼的布局称为“三翼面布局”。 三翼面的采用使得飞机机动性得到提高，而且宜于实现直接力控制达到对飞行轨迹的精确控制，同时使飞机在载荷分配上也更趋合理。三翼面布局的前翼所起的作用与鸭式布局的前翼相同，使飞机跨音速和超音速飞行时的机动性较好。 缺点是增加了鸭翼
14、，阻力和重量自然也会增大，电传操纵系统也会复杂一些1234概述飞机智能变形的方案飞机气动布局形式具体结构设计251.可变后掠翼结构设计 大展弦比的飞机有较好的低速性能，升阻比较高，但随着速度增加，阻力也随之加，阻力与速度的平方呈正比关系，因此高速飞行采用小展弦比，大后掠角设计。 可变后掠角飞机则综合上述特点，低速时展开机翼，拥有较好的低速性能，同时高速飞行时向后折掠机翼，降低飞行阻力，提高高速性能。 可变后掠翼结构设计的关键问题是机翼后掠时，驱动力矩与气动阻力矩同向，驱动力矩需求相对较小；而机翼向前展开时，则需要非常大的驱动力矩来克服气动阻力矩。 需要解决如下问题：足够抵抗外载荷力矩作用的支撑
15、结构设计；保证两边翼掠角同步变化的变形结构设计；大推力输出且紧凑轻质的动力系统设计。1.可变后掠翼结构设计从机构原理角度看，主要有如下几种解决方案： 1.曲柄滑块机构。通过两个曲柄滑块机构分别控制两个机翼来实现机翼的后掠角变化。 2.滑块摇杆机构。将两个滑块摇杆机构的滑块共用，共滑块的滑块摇杆机构通过将滑块在导轨上的直线运动转换为两侧连杆的同步摆动，可以有效实现变后掠翼的同步要求。 3.单曲柄双摇杆结构。这类机构的一个突出特点是：为了简化驱动装置，两边曲柄遥杆结构的曲柄固结在一起同步运动。缺点会发生急回现象。 综合考虑后，决定选用单曲柄双摇杆作为变后掠翼的结构方案2.可变鸭翼结构设计 鸭式飞机
16、的主要是配平阻力比较小，具有较大的升阻比。通常飞机增大迎角、增大升力时会产生低头力矩。鸭翼处于飞机重心之前，增大机翼迎角和升力时，鸭翼出现正偏转，产生正升力(正常布局飞机平尾出现负偏转，产生负升力)，用抬头力矩加以平衡，使全机升力增大。 可变鸭翼结构方案的关键问题是鸭翼伸出时，将会是一种从无到有的突变过程，对于控制系统来说，这样的变化相当于一种阶跃变化，这种变化会让系统饱和，失去线性系统的特性，导致稳定性降低。 为了降低这种变化对控制系统的影响，设计的可变鸭翼结构为转动导杆机构。它以导杆上的滑块为主动件的转动导杆机构。12345概述飞机智能变形的方案飞机气动布局形式具体结构设计控制系统设计1.
17、 控制系统设计关键技术1）机械动力学系统的建模、简化与控制2）智能结构的精确动态形状控制3）共享信道的大规模分布式系统的协调控制4）非线性气动弹性与主动变形耦合系统的控制5）变体飞行器的多体系统建模与简化6）变体飞行器飞行控制技术2.可变后掠翼结构方案的控制系统设计 可变后掠翼结构方案的对控制系统的操纵有手动和自动两种。 手动操纵一般其机构以实现无极操纵。但实际使用时往往做出了具体规定，只使用几种后掠翼（这里设为三级），甚至在操作系统中还作了限动措施，只用这几种后掠角。其主要原因是为了简化飞行员的操纵，当然，这种操纵不能经常是飞机处于最适合的后掠位置。而采用自动控制，就可以实现后掠翼的操纵，使
18、机翼后掠角随飞行M数（马赫数）和飞行高度近似与最佳状态变化。所以采用自动无极变后掠翼系统。 自动无极变后掠翼系统也需要以一套手动变后掠翼系统作为备份，以增加安全裕度。必要时飞行员可以停止自动变后掠翼系统而直接干预后掠翼控制。可变后掠翼飞机的控制方案可变后掠翼飞机的控制方案： 期望状态就是结构变化所希望达到的效果； 飞行控制器就是提供控制算法保证在变形时飞机还可以保持稳定； 全局变形控制器就是输出控制指令驱动后面的分布式驱动器使机翼后掠角改变； 局部变形控制器是对机翼变形进行更准确地控制； 分布式驱动器是驱动机翼发生形变的； 分布式传感器与传感器都会探测飞机变形工程中的时时数据。2.可变鸭翼结构
19、的控制系统设计 可变鸭翼结构设计也可分为手动和自动两种方式。由于增加的鸭翼体积和质量相对较小，无论是手动控制还是自动控制都能达到比较理想的效果。3.传感器与驱动器的选择传感器选择传感器选择 1.压阻式动静压传感器。具有体积小、质量轻、灵敏度高、易于集成化和微型化等优点。 2.空速传感器。空速管安放在受气流扰动最小的地方，其余部分安放在密封的仪表壳体内。 3.角度传感器和角速度传感器。在驱动机翼后掠角和鸭翼变化时需要对角度和角速度进行实时监测，所以角度传感器和角速度传感器是必不可少的。3.传感器与驱动器的选择驱动器选择驱动器选择 可变后掠翼结构方案由于驱动的机翼体积、质量都很大，单一的驱动器无法
20、很好地完成变形任务，为了较好的完成预期目标，就需要多个驱动器协同工作。因此，对于可变后掠翼飞机来说就需要分布式驱动器。 复合驱动器，是一种压电和液压相结合的新型作动器，并拟应用于无人驾驶飞行器。这种作动器利用压电泵产生压力, 克服了传统液压系统传输线路所占空间体积大,安装和维修都相对复杂且需要地面设备支持等缺点。与电磁作动器相比,这种作动器可以获得较大的加速度, 导致机体较快的变形。12345概述飞机智能变形的方案飞机气动布局形式具体结构设计控制系统设计6模型仿真！：模型仿真 可变后掠翼飞机的建模及过程模拟可变后掠翼飞机的建模及过程模拟变化过程一模型仿真模型仿真变化过程二模型仿真变化过程三模型
21、仿真可变鸭翼飞机的建模及过程模拟可变鸭翼飞机的建模及过程模拟模型仿真变化过程一模型仿真变化过程二模型仿真变化过程三总结与展望 本次课设中，我们小组选择了变体飞行器的智能变体结构设计与控制问题，在基于飞行器气动布局分析，飞行器智能变形结构设计和智能变形机翼飞机的理论探索等几个方面进行较深入的研究。 在诸多智能飞行器改进方案中我们选择从两个角度来设计智能变形飞机，一种是在不改变原有气动布局的情况下，通过改变机翼后掠角来提升飞机适应能力，另一种是通过增加一个可以伸出/收缩的鸭翼，来改变原有的气动布局形式，以提高飞机机动性和操纵性。总结与展望 到目前为止，我们所做的研究与提出的方案基本上仍然带有一定的局限性，这是因为一方面我们的方案还有一定的不足之处；另外，我们的现所拥有的科技水平仍然有些未达到我们所理想的水平。 飞行器智能变形的研究是一项富有创造性的工作，其技术涉及领域非常广泛，在各领域的基础研究中衍生出的新科学技术对先进的新概念飞行器的研究和技术储备具有很深的意义，各种基础技术的快速发展将为早日实现智能变形飞行器提供基础。谢谢！完
