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科技之光,美国国防智能材料和结构研究项目综

发布时间:2019-08-14 03:49编辑:航空航天浏览(159)

    一、背景智能材料是一种能对其所处环境作出响应的工程材料,用于动力学系统可以替换现有的机械和电子元件。早在1968年,Clauser就提出了智能材料和结构的概念。目前,智能材料和结构的开发途径有三种:第一是在分子和原子水平上合成具有智能响应的新材料,这项技术目前很不成熟。第二是研究传统结构系统上的传感器和致动器,这项技术目前最成熟。第三是利用含有主动性组元的复合材料制造智能结构。后两种研究途径的区别是:第二种研究途径是通过在系统中加入传感器和致动器,使系统对环境产生响应;而第三种研究途径是通过将传感器和致动器与材料集成形成复合材料,从而使材料本身产生响应,这种复合材料就是一种"智能"材料。智能结构的基础是传感器和致动器。传感器可以是应变仪、光纤、压电陶瓷或聚合物。应用嵌入式传感器可以在加工复合结构或系统运行时对内部结构质量进行评估。致动器可以是形状记忆合金、压电陶瓷、电致伸缩或磁致伸缩材料。这些材料可以直接与结构集成,也可作为单独的致动元件使用。致动器和传感器/信号处理网络以及控制系统相结合,可以使结构性能发生改变来满足使用性能要求。其中致动器即可作动力学应用,也可作准静态应用。电致流变和磁致流变液体及弹性体,虽然不是严格意义上的传感器和致动器材料,但其具有的主动变化特性也能利用。形状适应性结构和空气动力学流动控制的概念描述了当前人们关于智能材料和结构应用的主要想法。固定几何形状的结构(如飞行器机翼和发动机进气口)尽管在特定飞行条件下展示了特定性能,但在一系列重要的操作飞行条件下无法获得最佳性能,这一事实推动了对上述这些概念的需求。具体设想的概念包括机翼扭曲、曲度弧修整、发动机进气口唇口钝化以及进气口壁修整。希望由此增加结构的机动性、改进空气弹性变形效应、减少空气阻力和起飞总重、增加巡航能力等。美国国防部门利用一些智能材料的高密度和高功率系数特性,在计划项目中对这些新概念进行了探索研究。二、DARPA的智能材料研究项目20世纪90年代,美国国防高级研究计划局发起了一项历时8年的智能材料和结构论证项目,对在直升机和飞行系统中应用智能材料和结构进行演示验证。其中有三部分研究特别值得关注,分别是智能水平旋翼项目、智能飞行器和船舶推进系统论证项目以及智能机翼项目。DARPA和国防科学办公室对这些研究进行资助。 智能水平旋翼项目 该项目的目的是验证将智能材料应用于直升机水平旋翼来抑制振动和噪声的可行性,共有二个智能水平旋翼设计方案。一个是利用机翼后缘襟翼使桨叶扭曲,另一个是利用嵌入式压电复合材料直接使桨叶扭曲。这些设计概念均被集成到MD900轻型直升机主旋翼系统中来减少噪声和振动以及飞行示踪,从而增加旋翼元件寿命、减少维护成本、增加直升机的承载能力和承受力。例如,利用压电材料驱动的机翼后缘襟翼可以减少由桨叶涡流干扰产生的振动和噪声,并改善气动性能。桨叶涡流干扰在旋翼飞机上是一个历史问题。桨叶旋转的空气动力学非常复杂,空气动力学环境随桨叶位置的变化而变化,从而导致在大多数飞行状态下旋翼无法获得最佳性能。BVI噪声就是由旋翼的前一片桨叶的尾流与后一片桨叶的前缘相遇而引起的。另外,桨叶偏离旋转轨迹时会产生振动。由于直升机各桨叶之间存在细小的物理差异,因此需要进行轨迹调整。但这项工作因为成本高、耗时长而无法实际开展。一种由形状记忆合金驱动的机翼后缘调整片可用来进行准静态飞行下的实时主动性桨叶轨迹调整,这可在很大程度上减少维护成本以及轨迹调整的停机时间,在军事上具有重要价值。智能飞行器和船舶推进系统论证项目 该项目研究了用于超音速飞行器和大型船舶推进系统的气体涡流发动机的进气口形状控制技术。在此只讨论其在飞行器上的应用。飞行器的喷气式发动机要求空气在大约0.5马赫的速率下进入发动机。由于飞行器的马赫数、海拔高度、起飞角、滑落角以及发动机的气流条件变化范围很大,因此固定几何形状的进气口无法在所有飞行条件下提供理想的性能。低速飞行时,发动机进气口唇口应钝且大,使高速气流无间断地进入进气口。超音速巡航时,进气口唇口应尖锐以减小阻力和雷达横截面。为了满足上述要求,F-15飞机上应用了可变形状进气口,可在许多条件下改善飞机性能;但其缺点是在机械上过于复杂且增加了飞机的重量和成本。智能材料和结构技术被认为是一种较简单的替换技术,利用该技术可使进气口通过变形改变形状而不是通过刚性运动来改变形状。波音公司领导了SAMPSON项目的飞行器研究部分。内容是通过研究战术飞机发动机进气口形状和气流控制技术来增加飞行器的行程并改善其生存力。这项研究包括进气口俘获区控制、压缩坡以及前缘钝化研究。所有这三项研究都在实验室中进行了论证。其中第一项研究在全尺寸F-15飞机进气口上得到成功验证。一种基于形状记忆合金的致动系统被集成到发动机进气口上,可在很大范围马赫值下进行进气俘获区控制。这种形状记忆合金致动器能够产生20,000磅的致动力以及6英寸位移,并能对进气口整流罩和较低的唇口实施扩展和收回两种形式的致动控制。在NASA兰勒16英尺亚音速风洞中进行的风洞测试表明,这种系统能够在真实飞行条件下运行,产生很大的致动力对进气口形状进行控制。利用智能材料技术控制发动机进气口形状可增加飞机的行程(对战术飞机来说可增加20%)和机动性,减少飞机的颤动及示踪信号。智能机翼项目 该项目由Northrop Grumman公司的Jay Kudva博士领导,分两阶段,历时6年,目标是利用智能材料致动系统实现飞机的巡航和机动控制。项目的第一阶段对在战斗机16%比例机翼模型上应用智能材料技术进行了论证。研究人员将形状记忆合金扭矩管集成到机翼箱中产生足够的力使机翼扭曲;形状记忆合金线则被直接集成到机翼后缘的控制表面,使控制表面具有光滑的外形形状,这在空气动力学上具有很大优势。项目的第二阶段论证了高频、大偏角,持续顺翼展方向光滑变化的机翼偏转设计,以及使用高速、高扭矩压电材料的超音速发动机和创新的光滑形状控制表面设计。这些设计概念在无人战斗机30%比例模型上进行了评估,并在NASA兰勒16英尺亚音速风洞内进行了测试。结果表明,控制表面能够按照无人战斗机飞行控制所需偏转率产生出许多唯一的形状。

    作者:梁东星              班级:1402019              学号:14020199040

      主讲人简介:

    【嵌牛导读】:像鸟儿一样灵活自由的飞翔,一直是人类梦寐以求的理想。人类很早就认识到鸟儿可以根据飞行状态适时调整飞行姿态,以最佳效率完成滑翔、盘旋、攻击等动作。随着飞行器设计对于高机动性、高飞行效率和多任务适应能力等综合设计需求的不断提高,像鸟儿一样高效灵活的智能变形飞行器研究逐渐成为学术界和工程界的研究热点。

      高正:南京航空航天大学教授、中国航空学会直升机专业委员会主任,曾获得国家技术发明三等奖一项。2002年被授予“叶戈尔·西科斯基直升机研究奖”,是我国获此殊荣得第一人。

    【嵌牛鼻子】:智能  变形飞行器    高效灵活

      内容简介:

    【嵌牛提问】:智能变形飞行器的研究进展如何?其关键性技术有什么新近突破?

      自一九零三年人类发明了飞机,已经整整一百年了。这一百年里发明了多种载人的飞行器。飞机和直升机都是飞行器 ,都可以载人载物飞行,但是它们的飞行原理、飞行特点和操纵方式是不同的。

    【嵌牛正文】:

      大家知道,机翼要产生升力,必须机翼和空气要有相对运动。所以飞机机翼作为飞机的主升力面,要产生升力必须要有风 ,或者相对速度吹过机翼。那当然飞机就不能在原地起飞,必须在跑道上滑跑,通过滑跑加速,使速度达到一定值以后,机翼上的升力才能把飞机托起来。所以飞机的起飞和着陆都要滑跑。但是直升机可以不滑跑,它能够在原地起飞 ,也可以悬在空中不动。主要靠什么呢?主要靠它的升力面-旋翼。要发明直升机,首先要解决三个大的技术关键问题。第一个技术关键就要让它原地升空。第二个关键就是旋翼旋转以后产生升力了,但是空气对旋翼桨叶的阻力,要通过旋翼又传到机身上,会让机身反转。所谓反作用扭矩。第三个关键就是要可操纵。那么解决了这样三个方向的控制问题,直升机就发明了,就可以在人的控制下自由飞行了。

    北大西洋公约组织对智能变形飞行器做出过如下定义:通过局部或整体改变飞行器的外形形状,使飞行器能够实时适应多种任务需求,并在多种飞行环境保持效率和性能最优。由此可见,智能变形飞行器是一种具有飞行自适应能力的新概念飞行器,其研究涉及非定常气动力、时变结构力学、气动伺服弹性力学、智能材料与结构力学、非线性系统动力学、智能感知与控制科学等多个学科前沿和热点,代表了未来先进飞行器的一种发展方向。智能变形飞行器具有巨大的应用前景,以美国航空航天局设想的未来智能变形飞机为例,通过新型智能材料、作动器、传感器和控制系统的综合运用,飞机可以随着外界环境变化,柔顺、平滑、自主地不断改变外形,不仅保持整个飞行过程中的性能最优,更能提高舒适性并降低成本。

      虽然能够飞了,到六十年代,直升机的声誉并不好。飞得慢,不如飞机快。振动大,嘈音强,难驾驶,而且出事故多。为什么会有这么多故障呢?主要是和直升机它的结构特点和飞行特点有关系。经过六十年的进步,这些主要的困难和障碍在很大的程度上得到克服了。使直升机就得到广泛地应用。咱们国家现在生产的直升机有直5直升机、直8直升机、直9直升机、直11直升机、还有小型的EC120。

    正是因为其巨大优势和应用潜能,国内外涌现出了多种多样的智能变形设计理念和尝试,比如自适应机翼、主动柔性机翼、主动气动弹性机翼、智能机翼、智能旋翼、变体飞行器等。本文按照翼面变形方式对来智能变形飞行器的最新进展进行了归类和总结,详细介绍了机翼智能变形的变展长、变弦长、变厚度、变后掠与变弯度等多种实现类型,提炼了智能变形机翼实现的几项关键技术,通过本文介绍可对智能变形飞行器的设计思路及关键技术有更加丰富的认识和了解。

      最后我谈一点个人设想跟大家研究探讨一下。就是我们看两个直升机,一个是五十年代的“S-61”,一个是最新的欧洲的“EH-90”,猛一眼看过去,好像没有什么大的区别,为什么五十年不变?是不是搞直升机的人特别保守或者特别笨?我想是这么一个原因。就是发动机和减速器,它紧靠着旋翼,还有传动轴传到尾部,它把直升机的核心的部位给占领了,总要把减速器放到旋翼下边,而发动机紧靠着减速器,就直升机上最好的位置被它占了。那么直升机的形状也就决定了,就是像个大头蝌蚪一样。所以现在为什么直升机大部分都是这个样子呢?我想将来的出路能不能向这儿走,我设想了一架直升机,咱们把动力放到桨尖上去,喷气推动,然后在旋翼的桨叶上搞一个小的衿翼,用电来控制这个小翼来摆动。再装上一个小的机翼,在高速飞行的时候,机翼产生一定的升力替旋翼卸载,再在尾部装一个小的矢量推进装置。所以将来希望,如果能解决了智能材料来控制桨叶的桨距,能够解决了在离心力场里面稳定工作的推进器,把它装到桨叶尖部。这样的直升机应该是可以出现的。

    变形机翼的分类与进展

      《直升机》 (全文)

    机翼平面形状合理改变可改善飞行器的气动性能。下表列出了机翼参数变化对气动性能的影响,可以看出,通过合理改变机翼形状参数,可以改善飞行器的气动特性和操纵性能,带来增大升力、减小阻力、增大航程与航时等好处,可使飞行器能够高效地完成多种飞行任务。由于机翼形状参数带来的影响多样,机翼变形的设计方式也多种多样。本文针对研究最多的变展长、变弦长、变厚度、变后掠和变弯度等变形形式,分别展开介绍。

      自一九零三年人类发明了飞机,已经整整一百年了。这一百年里发明了多种载人的飞行器。像在航空器里边有飞机、直升机、自转旋翼机、动力伞,还有倾转旋翼机等等。在航天器里边,有航天飞机、宇宙飞船 ,空间站等。但是直升机的发明比飞机晚了三十多年。第一架成功的直升机是在一九三六年首飞,到了四十年代初开始实际应用,到现在经过六十年的进步已经成为用途最广的飞行器。飞机和直升机都是飞行器 ,都可以载人载物飞行 ,但是它们的飞行原理、飞行特点和操纵方式是不同的。

    1.变展长

      大家知道机翼要产生升力,必须机翼和空气要有相对运动,或者说要有相对速度,而且升力的大小是和速度的平方成正比的。所以飞机机翼作为飞机的主升力面,要产生升力必须要有风 ,或者相对速度吹过机翼。那当然飞机就不能在原地起飞,必须在跑道上滑跑,通过滑跑加速,使速度达到一定值以后,机翼上的升力才能把飞机托起来。所以飞机的起飞和着陆都要滑跑。但是直升机可以不滑跑,它能够在原地起飞 ,也可以悬在空中不动。主要靠什么呢?主要靠它的升力面-旋翼。机体虽然不动,但是旋翼旋转起来以后,桨叶上就有了相对气流速度,这个速度使桨叶产生升力,就把直升机拉起来了。那么这个原理大家都看得清楚,有两个例子我们可以举一下。一个,飞机就像我们放风筝,放风筝必须有风,如果没有风,那我们就拉着风筝跑,这就有了相对风,等升到空中以后,空中有风了,那么风筝就可以飘在上面。像直升机,它虽然机体不跑,但旋翼旋转等于在桨叶上产生了相对风 。

    展长伸缩是最简单直接的机翼变形方式。展长变化有如下的优点:增大变形飞行器的机翼展长,相当于增大其翼面积和展弦比,可以带来升阻比提高,航程和航时增大的目的;机翼在停放时收缩,可显著减小飞行器的占用面积;当两侧机翼展长不同时,左右升力不对称造成的滚转力矩,可便于飞行器的横航向操纵。

      其实人类要想飞起来,最早想到的不是滑跑起飞。人没那么聪明,没有想到通过滑跑来加速起飞,是想到要原地垂直起飞的。像咱们中国早期的童话《西游记》,哪吒脚踩的风火轮,那是垂直起落的飞行器。像阿拉伯童话里面的阿拉伯的飞毡,希腊神话里面的希腊神的战车都是原地起飞的。但这个都是神话而已 ,要真正实现原地起飞,人们经过了长期的艰苦的努力,冒了很大的风险。比如说中国明朝的一位万户,他把火箭绑在椅子上,然后扎上个大风筝,让火箭的推力把他推到空中去垂直起飞,当然也失败了。后来国外也是,很多人经过艰苦努力,冒险进行实验,失败了非常多。所以为什么直升机比飞机要晚成功三十多年。要发明直升机,首先要解决三个大的技术关键问题。第一个技术关键就要让它原地升空。世界公认在原地产生升力,作为直升机旋翼的雏形就是竹蜻蜓。竹蜻蜓在中国至少有一千四百多年的历史,后来传到世界各地,许多地方都有。我这儿有一个竹蜻蜓,这就是旋翼原理的雏形。可能你们小时候都玩过,它可以原地起飞,不需要滑跑。那么人们受到这个启发就利用竹蜻蜓的原理,设计制造了旋翼,实现了垂直起飞,这是解决的第一个关键;第二个关键就是旋翼旋转以后产生升力了,但是空气对旋翼桨叶的阻力,要通过旋翼又传到机身上,会让机身反转。所谓反作用扭矩。这个就像我们划船,我们拿着桨去拨水,往后拨水,水给桨一个反作用推力,通过人的手和身体传给船,那么船就往前走,这就是作用力和反作用力。那么发动机让旋翼旋转,空气要阻止旋转,这个阻止力矩通过桨叶传给发动机,再传到机身,于是机身就要对旋叶反转。那么机身要反转起来,这个飞行器我们就没法用了。所以要发明直升机,要解决不让机身转动。早期人们想的办法就是用多个旋翼,最早想的是多旋翼、双旋翼或者是四旋翼。像左边那个图是上下两个旋翼反转,这叫共轴双旋翼式,它们的反扭矩彼此平衡了,不要传到机身上去。左边中间这个叫横列式双旋翼,把两个旋翼设计在机身的左右两边,它们也是反转。在下面这个叫交叉双旋翼式,两个旋翼都是交叉的。右边下面这个叫纵列双旋翼式,两副旋翼,同速,反向旋转,它们的反扭矩彼此平衡,所以可以保持机身就不转了。这个办法呢,特别是在早期,用两个或者四个旋翼是非常复杂的,振动得几乎没有办法飞行。后来在一九三九年,美国的西科斯基这个公认的直升机界的鼻祖和权威,他就发明了单旋翼式直升机,就是左上角这个。他在直升机的尾部加了一个垂直安装的旋翼,实际上我们叫它尾桨。它指向侧面的拉力对重心就有一个力矩,这个力矩来平衡旋翼旋转的反扭矩。所以现在世界上百分之九十五以上的直升机,是这种单旋翼带尾桨式的。第三个关键就是要可操纵。其实在一九零七年法国人,一个叫布雷盖蒂,一个叫卡努都已经实现了垂直起飞。它们的旋翼可以拉着机身垂直飞起来。但是不能操纵,不能控制。又经过了三十多年的努力,在德国首先成功地发明了直升机,就是德国的福克在一九三六年完成了直升机的发明,就是他实现了可控飞行。

    早在1929年,美国设计师Vinent就首次提出了变展长机翼的设计思想,并成功制作试飞了GX-3验证机。1931年,俄国科学家Makhonine设计制作了MAK-10飞机,其展长可从13米增大到21米,改变量超过60%。1947年出现的MAK-123飞机和1972年出现的FS-29飞机均属于变展长飞机,但由于早期的变形机构均过于笨重和庞大而未能得到推广。

      那么解决了这样三个方向的控制问题,直升机就发明了,就可以在人的控制下自由飞行了。虽然能够飞了,到三十年代、四十年代、一直到五十年代,甚至六十年代,直升机的声誉并不好。飞得慢,不如飞机快。振动大,嘈音强,难驾驶,而且出事故多。为什么会有这么多故障呢?主要是和直升机它的结构特点和飞行特点有关系。我们举个例子,现在一般直升机旋翼的旋转桨尖速度大约是每秒二百米左右,相当于每小时七百二十公里。如果直升机以三百公里的时速往前飞,那么往前转的桨叶那就是七百多公里加上三百公里速度,就是一千多公里了。往后转的桨叶就是四百来公里速度了。所以桨叶每转一圈,它的迎面气流速度,就是从四百多到一千多,然后到四百多这么转。那么既然气流速度这么变化,它的空气动力的变化,这就带来直升机旋翼上始终是处在交变载荷作用下。就由于这些原因,直升机的飞行特点和结构特点造成了振动大,容易疲劳,噪声强。另外还有飞行速度问题。为什么直升机速度大不了,就是三百公里的时速时,前进桨叶已经超过了一千公里的速度,如果飞得更快,前行桨叶会达到音速,而后行桨叶速度更慢。因为它是两个速度之差,所以这两个原因,旋转的旋翼限制了直升机的速度,不可能很大,这就是它的根本原因。

    “伸缩翼”是近年来新提出的变展长设计理念。2003年美国国防预防研究计划局实施的变形飞机结构项目(MAS)中,伸缩翼就是三种主变形方案之一(其余为折叠机翼与滑动蒙皮机翼,后文详述),该设计以“战斧”巡航导弹为对象,巡航飞行时机翼展开获取最大升力、高速俯冲时翼面收缩提高机动性,但由于翼载荷太大、机翼太薄,伸缩机构无法安置,计划未能推广。西北工业大学的王江华等人对伸缩翼巡航导弹的气动外形进行了优化研究,研究表明,伸缩翼设计可使导弹燃料消耗减少12%,明显提升导弹性能。2007年,马里兰大学的Julie等人以充气伸缩粱当作驱动机构,通过机翼伸缩改变升力和控制滚转,并进行了风洞试验,经试验其展弦比可最大变化230%,升阻比最大可到16,但蒙皮偏软产生的寄生阻力使气动性能受一定影响。

      但是经过六十年的进步,这些主要的困难和障碍在很大的程度上得到克服了。由于有了这么巨大的进步,使直升机就得到广泛地应用。它的优越性就显示出来了。我想它的优越性有两条是不可比的。一条,不要机场。它是飞行器,但是不要机场,任何地方它可以起飞,可以着陆,可以悬在空中不动,地面是个烂泥潭它可以离地半米悬停,轮子不接地,人可以照样上下,这是和飞机比。和各种车辆比,它不要道路,没有路的地方它都可以去。特别是发生泥石流的地方,闹水灾的地方,发生地震的地方,其他东西都去不了。像前一段发生泥石流老百姓困在山上没吃的,那么咱们武警战士一人扛上两箱方便面跋山涉水去往那运。结果老百姓在那儿挨饿,咱们如果派两架直升机运它几百箱方便面,这不是很容易的事吗?所以有了这两个大的优点,直升机就得到广泛地应用。

    总体看来,变展长机翼仍需解决伸缩机构的结构减重设计、适应高速飞行的机翼降厚度设计、弹性蒙皮的连续密封性设计等一系列问题,距离工程应用仍有一定距离。

      我们看几个用处,一个是救生。直升机开始最大的用处就是救生。像从海上救落水的人,发大水的时候从水里救人,失火的时候从楼顶上救人,那么在山区,交通不便的地方救伤员,或者是病员,这个是用的最普遍的。第二个是运输,客机,大城市内部和城市到机场之间的运输。最突出的是海上钻井平台的人员换班和物资供应。特别是有风浪大的时候,小船上不去,大船不敢靠,一靠,怕撞坏了,而直升机是最好的办法。所以所有的石油钻井平台上,都有直升机起降平台。另外直升机,像吊装电缆塔架,还有吊装任何东西。公安,现在我们有几个城市已经有了公安的直升机了,可以交通巡查,可以追捕逃犯,海上缉私,还有灭火。至于直升机所能参与的特种作业,那就更多了。右上角这个就是咱们中央电视台的直十一直升机。可以调运,调装,石油和煤气管道的巡查,航拍,新闻,还有现在我们国家有一些大公司,可能是为了宣传的需要,买了自己的公司的专机。将来我们个人像有小轿车一样,还有个人的专机。在军事上,今年春天,美英联军在伊拉克,打了四十三天的仗,出动了一千一百多架直升机,其中攻击直升机四百架,运输机七百多架,这些图,就是美国人所动用的直升机。

    2.变弦长

      下面一个短片是记录美国在伊拉克,直升机怎么用的。这个是伊拉克的前总统萨达姆在备战。美国人首先是出动了大量的武装直升机,这个是他的AH1W超眼镜蛇,它上面装备了导弹,火箭和机炮来攻击地面的目标,包括地面的工事、雷达站、车辆和地面的步兵,这是发射导弹打击伊拉克的坦克,这个是AH64阿帕奇直升机,这是美国的主战直升机,在进攻巴格达的时候,他结集了一百五十架阿帕奇,但是也没有用上,因为共和国卫队没有抵抗。阿帕奇直升机的火力是非常强的,它带的有机炮,也有导弹也有火箭,这是他用机炮来射击,攻击地面的步兵和地面的工事。这是发射火箭,这是发射导弹。

    与变展长机翼的控制效果类似,变弦长机翼也是通过机翼变形引起展弦比和翼面积的合理变化,达到优化飞机升阻比、飞行速度和机动性的目的。

      第二种用处是运机动兵力。在战争初期的时候,它紧急出动直升机占领了伊拉克西部的两个机场,切断了和叙利亚的联系。另外从海上攻占法奥半岛的时候,它没有攻击滩头阵地,他把军队直接运到后方,垂直登陆占领了法奥半岛。

    变弦长理念的最典型应用就是传统飞机的襟副翼设计,通过丝杆机构驱动襟副翼弦向变形可以显著改善飞机的起降性能及滚转机动性。对于飞机翼面本身,由于存在梁架、油箱等设备干扰或翼型较小、空间不足等问题,变弦长设计的难度很大,国内外相关研究也相对较少。早在1937年,俄国科学家Bakashaev就设计并制作了第一架变弦长飞机RK-1,飞机通过6个弦向可伸缩的相互叠加的机身实现弦长改变,其初代飞机翼面积变化为44%、改进型变化高达135%,验证了通过伸缩机构改变弦长的可行性。

      第三个用处是侦察。这是它的OH58,勇士基澳瓦,桅杆上面装的是一个侦查器,包括红外的,电视的雷达。它把战场上的情况,实时地传输给指挥机关和地面部队。这种是AH64D叫长弓阿帕奇,它旋翼上面装的是长弓雷达,它用雷达探索到目标以后,因为它带了武装,它可以直接进行攻击,它经常是做贴地飞行,飞到树梢高度。

    近年来,以美国CRG公司为代表的科技公司,通过使用复合材料及智能材料重新开展变弦长机翼研究。2004年,CRG公司的Perkins等人将压缩比高达400%的形状记忆合金材料用于变弦长设计,实验表明材料经过加热可以达到预期变形量,但由于形状记忆合金不稳定,冷却后无法恢复至原始形态。2005年,CRG公司的Reed等人设计了一种翼肋相互穿插的变弦长机翼,在直流电机和导杆的驱动下,机翼面积可以增大将近80%,但是该设计同样存在机构复杂、表皮材料恢复力太低难以回到变形初始状态的问题。2011年,宾夕法尼亚州立大学的Barbarino等人将可压缩的蜂窝细胞结构应用在直升机叶片的弦向变形设计中,变形蜂窝结构可经受循环驱动、其弦向变形可增大30%左右,此外,值得一提的是设计者通过对柔性蒙皮预拉伸保证了机翼表面的连续光滑性。

      第四种用途就是后勤保障。地面部队往前推进的时候,它后面建立了几百公里长的后方补给线,叫空中走廊,对地面部队进行伴随补给。这是黑鹰补给机队,所以它不需要占领道路,它用空中补给。还有CH46,海上勇士直升机,把它的伤病员运到海上去,运到海上救护船上去。

    在形状记忆合金和复合材料蜂窝结构等新材料新技术的推动下,近年来涌现出了较多的变弦长机翼概念,但面向工程应用,这些新材料的性能稳定性仍有待提升。

      上面介绍的是直升机的使用情况,下面看一下咱们国家的直升机。这是直五。从一九五六年开始试制,五八年开始首飞。从五八年开始出飞机,生产了二十年,到一九七九年停产,总共生产了五百四十五架。这种直升机起飞重量是七吨二五,平飞速度是二百一十公里/小时,航程到五百二十公里,这算是第一代的早期的直升机。现在我们国家正在生产一种叫直8的直升机,是一九八二年首飞,九四年定型。这是我们国家现在生产的最大的直升机,起飞重量12吨以上,外面可以外挂五吨的重物来吊挂飞行。它的航程可以达到八百公里,这架直升机是水上机,可以在水面起落,也可以在舰艇上起落,现在也有陆军型了。这种是我们国家正在生产的直9直升机,是上世纪八十年代从法国引进的海豚生产专利,设计比较先进,就刚才我讲到,它的空机重量只占起飞重量的一半,它起飞重量到四吨一,它自身的重量只有两吨零五十,差着一半,它的速度比较高,可以达到时速三百零六公里,航程也可以到八百六十公里,咱们的驻港部队就是用的这种直升机。现在这种直升机有军用、民用,有好多种型号。这也是我们国家正在生产的直11直升机,是九四年首飞,二零零零年定型,今年又取得了民用的适航证,是军民两用。这是轻型的,起飞重量二吨二,五座,升限到五千二百一十米,航程六百公里,这也是我们陆航装备的主要机种之一 。这种是小型的EC120,是法国牵头和中国、新加坡合作研制生产的,最大起飞重量是1吨7,它的空机重量是890,所以也是一半。速度是每小时230公里,航程也是到700多公里,这是很先进的一种直升机,目前我们是生产直升机的一部分,还没有出整机,整机还在法国出,将来不久我们国家也会出整机的。这些是我们现在正在生产的我们国家的直升机。这几种是我们国家研制过,飞行过的几种直升机。这个叫延安二号直升机,是1975年完成了试飞。这架是直六直升机,这是大的,起飞重量是8.1吨,在1976年完成了试飞。这个是701直升机,也是一吨二,双座的。这个就是蜜蜂16是单座的,下面这两架都飞过。

    3.变厚度

      现在我们国家正在研制先进的直升机。那么大家知道了直升机的飞行原理,它的应用和我们国家的情况,但是现在我们感觉科技发展无止境,直升机还有许多令人不满意的地方。从用户要求来看,这几个方面需要大力发展和改善。第一就是要改善它的可靠性和耐久性。这是相对于飞机而言的,因为刚才我讲到它的结构和飞行的特点,容易产生故障,因为振动大,一直处在交变载荷下,使它的耐久性和可靠性还不能令人满意,寿命一般就是几千小时,故障率比飞机要高。第二方面驾驶和维护都比较复杂。因为它结构复杂。另外大家可以想像,一个旋翼旋转把一个飞机挂在空中,它是稳定的吗?它本质上是不稳定飞行器,要想让它稳定的悬住,驾驶起来就比较难。就像杂技演员耍盘子,他用一个杆能把一个盘子耍住,但是那要训练的,驾驶直升机悬停是比较难的一个动作。第三方面就是性能。现在的直升机虽然速度记录已经超过了400公里的时速,比起飞机来讲还是低一些,当然比汽车要高一两倍了,因为速度低那么航程也就要小,飞得慢也就飞得近一些。另外因为直升机有各种各样的用途,所以对它的专用性能要求就很苛刻。譬如有的直升机要它做空中起重机用,它把很大的电缆塔,它要吊起来运到深山里面,放到山顶上,底下和地角螺钉对起来,把螺丝拧上。所以要求悬停和操纵非常精确。有的像军用机、它空战得有大的机动性。那么各种不同的用处有对它的各种不同的特殊的要求。第四个方面,就是要减小振动,要降低噪声。振动大家很容易理解,噪声这个事情现在来讲对直升机是一个难题。搞气动的,搞结构的,都在认真研究。因为旋翼是一个很大的旋转体,尾桨又在旋转,发动机又在发出噪声,在很远就听到了,这叫环境的噪声污染。在座舱里面,顶上有一个很大的齿轮箱----减速器,又有发动机,人座在里面,在减速器和发动机的下面,如果这个直升机再是个金属壳子,就像把你放在一个铁桶里面,在外面敲铁桶,这个噪声是很严重。当然在想各种办法在降噪,在隔音。但是仍然比不上座客机那么舒服。

    变厚度设计是指在不引起机翼形状明显变化的前提下调整机翼的轮廓线,是一种微幅变形设计。机翼厚度改变可以改善翼型的高低速气动性能,具有避免或延迟附面层分离、控制转捩位置、控制激波从而降低波阻和抑制抖振等优点。

      总而言之,从使用角度来看这些方面是存在缺点,还要再不断地改进,才能够使它更好用,更经济,就走向普及。从技术方面来讲,我就不多说了,大家可以知道,重点的改进是这样几个方面;一个是旋翼,旋翼是直升机的核心,在气动上怎么样优化使它气动效率更高,在结构上怎么更简单。譬如说桨毂,从几百零件,简化到几十个零件,简化到十几个零件。如果再搞成,比如说两个零件,桨毂是一个,往轴上一套,桨叶是一个,往轴上一对,不要维护检查就更方便了。第二个方面就是复合材料和智能结构的采用。现在所有的飞行器、航空器里面,直升机用的复合材料是用得最多的,有的直升机结构重量的70%已经是复合材料,旋翼、尾桨现在都是复合材料,飞机还没有达到这个程度。因为直升机太需要耐疲劳,减振、降噪了,而且有些特殊要求。比如说直升机在海上用,盐雾、霉菌、湿热对它的腐蚀一般金属是抗不住的,而复合材料是抗得住。所以复合材料在直升机上的用处现在发展很快。智能结构能够自动适应你的要求,根据载荷,根据空中飞行状态自动调整它的形态,这个在旋翼上更发挥它的作用。第三方面就是电子技术。电子信息技术,综合管理技术,特别是智能化自主飞行控制。我在设想,直升机驾驶不是很困难吗?如果靠自主的智能化控制,将来直升机的驾驶就变成按开关,那么按一个开关“悬停”它就起来了,再按一个开关“前飞”它就往前走。这样就像我们以前用的照相机,开始要对焦距,调光圈很难照得好,现在傻瓜相机人人都会用,那么将来直升机也变成傻瓜直升机,咱不就是人人都会开了吗。当然为了实现这些技术,像大家所学的设计、试验、制造的新技术、新工艺、新材料也必须相应的发展,才可能实现前面说的技术上的飞跃。这个就是总的讲发展的趋势和新技术。

    早在1992年,美国的Austin等人就设计了一种基于桁架结构的变厚度机翼,设计者在桁架上布置线位移驱动器,通过激励驱动器,可以调节桁架上各条支杆的长度,从而达到调整翼型厚度、优化气动效率的目的。近年来,加拿大国家研究中心进行了一系列变厚度机翼的理论研究及试验验证工作。2007年,该中心的Coutu等人设计了一种自适应变厚度机翼,机翼由刚体部分、柔性蒙皮和安装在机翼内部的驱动器构成,机翼蒙皮采用碳纤维复合材料制作,具有良好的柔性和足够的支撑刚度,在驱动器的激励下机翼厚度产生变化,并有效提高了机翼的层流效应。2008年,该中心的Andrei等人在机翼上表面厚度方向设计激励装置,通过对17种不同翼型外形进行数值仿真,均得到转捩位置向后延迟的结论,证明周期性驱动激励可应用于转捩控制中。2009年,在Andrei的研究基础上Grigorie设计了一个用于变形控制的自适应神经模糊控制器,控制器根据压力传感器采集的翼型表面压力,计算参考翼型与优化翼型之间的压力变化,首次实现了压力变化和转捩位置的直接关联。此外,2009年,英国布里斯托尔大学的Stephen等人采用压电材料作为驱动器,安装在机翼蒙皮上表面,通电后驱动器产生固定频率振动,从而改变蒙皮表面的边界层流动,风洞试验表明该驱动方法可使机翼阻力降低、升力提高。

      最后我谈一点个人设想跟大家研究探讨一下。大家看这四个图,下面两个图是飞机。左边这个是我们国家五十年代就开始应用的“轰五”,右边这个是现在美国的“B-2”,这两种飞机的差别,五十年的差别,完全是不同的。但是上面看两个直升机,一个是五十年代的“S-61”,一个是最新的欧洲的“EH-90”,猛一眼看过去,好像没有什么大的区别,为什么五十年不变?是不是搞直升机的人特别保守或者特别笨?大家看,我想是这么一个原因。左边这个图,把直升机的动力装置,就是发动机和减速器,它紧靠着旋翼,还有传动轴传到尾部,它把直升机的核心的部位给占领了,总要把减速器放到旋翼下边,而发动机紧靠着减速器,就直升机上最好的位置被它占了。就是操纵和动力部分把位置一占,那么直升机的形状也就决定了,就是像个大头蝌蚪一样。所以现在为什么直升机大部分都是这个样子呢?这个样子显然阻力会比较大,旋翼对机身的气动干扰,互相影响也比较大。我想将来的出路能不能向这儿走,我设想了一架直升机,咱们把动力放到桨尖上去。这不是我发明的,这个五十年代就有喷气直升机试验过,都没有成功,这样的话机身里面就没有发动机也没有减速器,动力在桨尖上,喷气推动,问题是只要大家能研究出在离心力场里面能够稳定工作的小型的推进器,就解决了。所以把直升机上最好的位置就腾出来了。

    变厚度机翼设计,通过对翼型进行微小改变,就可实现调节流场流动、改善气动性能等目的,伴随着压电陶瓷等新型智能材料的发展,必将在未来工程应用中产生更多的应用尝试和更大的经济价值。

      第二个是操纵,我们不要什么拉杆、摇臂操纵,电传操纵不是已经在使用了吗?在旋翼的桨叶上搞一个小的衿翼,用电来控制这个小翼来摆动,用这个小翼的变化来改变桨叶的桨距,改变安装角。那么座舱里面只要驾驶员拧动开关,相当于操纵电位器一样,输入一些操纵信号,计算机会指挥桨叶上的那些操纵衿翼。这样就把直升机的操纵机构、动力装置都集中在旋翼上,我就叫它集成旋翼。这样机身里面就可以自由的安排,就可以像现在的飞机一样,我们就用飞机的机身,这样把旋翼装到飞机的机身上就可以了。那么再装上一个小的机翼,在高速飞行的时候,机翼产生一定的升力替旋翼卸载,那么可以增大飞行速度,在尾部装一个小的矢量推进装置。因为悬停的时候你怎么转弯呢?靠尾部这个小的矢量推进装置让它转弯。因为动力已经在桨尖上了,没有反扭矩传到机身上,就不需要大的平衡反扭的东西,所以将来希望,如果能解决了智能材料来控制桨叶的桨距,能够解决了在离心力场里面稳定工作的推进器,把它装到桨叶尖部。这样的直升机应该是可以出现的。

    4.变后掠

      问:我看见一个报道好像最近美国的一种飞机,那种飞机就是固定翼飞机和直升机的结合的一种飞机,说那种飞机是充分地利用了直升机在垂直起降和悬停方面的优势,然后又可以达到比较大平飞速度。

    低速飞行时小后掠角有助于提升机翼的效率,高速飞行时大后掠角有助于降低波阻,不同飞行状态后掠角自主变化,成为兼顾高低速不同气动性能的最有效手段。正因为此,变后掠技术也成为最早成熟应用于型号的改变机翼形状技术。

      你很关心现在航空的发展动向。美国已经制造成功了V-22,叫倾转旋翼飞行器。它有直升机和飞机的优点,当然也有直升机和飞机的缺点。它在起飞和悬停的时候,螺旋桨是旋翼式的。在机翼两边各带一台发动机,带着旋翼这样,可以垂直离地。转入前飞的时候,旋翼和发动机慢慢往前转,转平过来,这样往前飞就相当于一个双发的螺旋桨飞机。这个设想是很好的,而且人们很早就希望把飞机和直升机的优点结合起来,但是试过很多种方案,真正成功的到目前为止就这一种,当然还有很多种正在试验或者研究中。这样它有直升机的优点可以垂直起飞,垂直着陆,可以在军舰的甲板上着陆。另外可以空中悬停。但是它的缺点,和直升机比缺点呢,一个它经济性不好,因为它转了做螺旋桨用,所以旋翼就不可能很大。为什么直升机要大旋翼呢?旋翼直径越大,它吸入和排出的空气量越大,因此要给空气加速所消耗的能量就可以小,就是可以花费比较小的功率来得到比较大的升力。所以现在一般直升机,差不多是一匹马力能得到4、5公斤的升力,而飞机螺旋桨因为它都比较小,所以一般是一匹马力也就是得到一公斤的升力,那么倾转旋翼的飞行器,是介于飞机螺旋桨和旋翼之间。所以它的经济性也是介于二者之间。它不像旋翼经济性这么好,这是和直升机比,它有它的缺点。第二个缺点就是因为它螺旋桨直径小,它要产生足够的升力,当然一个消耗功率大,另外它往下排出的空气速度很大,我们叫螺旋桨的滑流。如果你要想当客机用,上机、下机或者装货物有诸多不便,直升机旋翼下面的风已经够大,“倾转旋翼”下面的风更大,这也是使用上不是太方便之处。(来源:cctv-10《百家讲坛》栏目)

    自上世纪40年代至70年代,变后掠技术已成功应用于多种战斗机和轰炸机,如:米格-23、F-14、狂风、B-1B轰炸机等。但早期的变后掠技术因机构及操纵复杂、故障率高、维护困难,且限制了飞机载荷、外型、隐身等性能的提高,逐渐被双三角设计、鸭翼、大边条设计、翼身融合技术所取代。

    进入21世纪,随着新材料新技术的发展与运用,变后掠飞行器性能也得到发展和提高。2004年,弗吉尼亚理工大学的Neal等人设计了一种可自适应变形的无人机模型,除了机翼展长能改变17%、机身尾部能压缩12%、机翼能够扭转20°以外,该无人机的后掠角能够从0°变化到40°,风洞实验验证了无人机模型在多种变形形式下的有效性。2006年,佛罗里达大学的Grant等人通过研究海鸥的飞行姿态,设计了一种多节点变后掠微小型飞行器,飞行器机翼的内外翼两部分具有独立的变后掠机构,仿真显示其具有很好的转向能力和抗侧风能力。2013年中国航天空气动力技术研究院的陈钱等人对飞机外翼段大尺度剪切式变后掠方式进行了设计与分析,并通过风洞试验验证变后掠机翼在蒙皮、结构、驱动、控制等方面满足气动特性研究需求,准定常气动特性曲线显示出变后掠机翼的较大气动效益。

    最值得一提的是美国NextGen公司针对MAS项目设计的滑动蒙皮变后掠飞机MFX-1,与传统的机翼埋入机身的变后掠方式不同,该飞机的弦长增减可独立于后掠角而改变。2006年MFX-1首飞成功,在185~220km/h的速度下成功将翼展改变30%、翼面积改变40%、后掠角从15°改变到35°,且整个过程不超过15s,试验结果成功证实了飞行器在飞行过程中大面积改变机翼形状的可行性,在变形飞行器的工程应用上具有很强的指导意义。

    5.变弯度

    机翼产生升力的最基础要素是弯度,改变弯度可以有效地控制机翼表面的气流分离情况,可显著提高飞行器的飞行机动性能,尤其是对于通常处于低雷诺数飞行条件下、性能主要取决于层流边界层流动的低速飞行器。

    国内外对变弯度机翼已经开展了许多研究,如1981年任务自适应机翼(MAW)项目中的机械铰链式变弯度机翼、1992年Powers等人在F-111战斗机上安装的机械式变弯曲机翼和2004年马里兰大学的Poonsong等人设计的机械式多关节变弯度机翼。由于机械结构复杂和质量笨重,大多数的变弯度机翼都没有得到推广。

    近年来,智能材料和先进制造工艺的发展为变弯度机翼提供了良好的材料和技术基础。2003年,弗吉尼亚大学的Elzey等人设计了一种形状记忆合金驱动的链环式变弯度机翼,在机翼截面内产生很大的弯曲变形。2009年,德州农工大学的Peel等人自制了通过对中央翼盒内的气袋加压驱动机翼前后缘变形的机构,经测试在气袋所能承受的最大压力下,翼型头部最大变形14°、尾部最大变形13°、且变形后蒙皮仍能保持光滑连续。2011年,瑞士结构科技中心的Hasse等人提出了“带肋结构”的概念,并应用于变形机翼设计,设计者通过采用分布式柔性带肋结构代替了传统的铰链结构,具有几何变形大、承载能力高和重量轻等优点,地面试验表明,带肋结构设计可实现翼型从NACA0012到NACA2412之间自主变化。2015年,美国空军实验室的James等人设计了基于“顺从机构”的保形翼面,顺从机构可将智能材料的作动位移放大并传递给前后缘,使翼面操控需要的能量更低,去掉操纵面还使机翼的重量减轻、成本也更低,其试验模型展长为1.8米,在气动载荷作用下弯度变化超过6%、最大升阻比变化约1倍左右。2015年,意大利的Alessandro等人设计了基于“非对称结构”的保形机翼,其设计思路与“顺从机构”相似,也是设计巧妙的传力机构,将作动位移放大传递至前后缘,该设计可有效避免变形产生的局部应力,设计者通过地面试验证明了非对称蜂窝结构自主变形的先进性,并分析了结构的典型失效形式及大变形引起的强非线性响应问题。2015年,英国斯旺西大学的Benjimin等人在生物学的启发下提出了“鱼骨主动弯曲变形”的概念,利用鱼骨结构减小翼型的弦向刚度,实现翼型变弯度控制,风洞试验表明,相同试验条件下,变形翼相对传统机翼的升阻比可提升20%~25%,该概念可应用于固定翼、直升机、风力机以及潮汐泵的叶片设计。2016年,瑞士复合材料及自适应结构实验室的Francesco等人设计了可代替副翼的“增强褶皱蒙皮”机翼,在电流作用下后缘的褶皱蒙皮可伸缩变形并推动尾部上下弯曲,风洞试验表明该设计可提供高频滚转控制力有效替代副翼功能,此外,由于机翼的形状连续该设计可显著减小零升阻力。

    目前,国外对变弯度机翼的研究相当重视,伴随着智能材料的发展涌现出了多种多样的设计理念。基于变弯度的保形翼面设计,既可以通过翼面的弯度改变控制气流的分离、提高飞行器的气动性能,又可以通过对不同弦截面设置不同弯度实现翼面的翘曲、控制飞行器的滚转机动,可有效代替襟副翼等控制面,具有较高的应用价值和工程可实现性。

    变形机翼的关键技术

    根据以上介绍可知,虽然机翼变形的方式多种多样,但是所有变形机翼都离不开大尺度光滑连续的柔性蒙皮结构、轻质高效的变形驱动系统和快速灵敏的传感控制系统。因此,实现机翼变形的关键技术可以归为以下几类:

    1.光滑连续的柔性蒙皮技术

    变形机翼与常规机翼相比对蒙皮结构提出了新的要求,即蒙皮不仅要保持常规蒙皮重量轻、在面法向刚度大、可以承受并传递气动载荷的特点,同时还要具备足够的光滑连续性和大尺度变形特性。因此,将传统材料和新型材料相结合,在结构设计上进行创新,设计重量、变形能力和承载能力满足变形方案的柔性蒙皮结构,是未来智能变形飞行器设计的一项重要挑战。

    2.轻质高效能的变形驱动控制技术

    变形机翼的驱动及控制也是智能变形飞行器设计的关键技术之一。智能变形飞行器的驱动装置应具备重量轻、分布式、高效能、响应快、低能耗、易控制等特点。传统的电机和液压驱动方式过于笨重而复杂难以适应设计需求,基于智能材料的新型驱动装置应作为后续发展的重点,比如磁致伸缩驱动器、压电陶瓷驱动器和形状记忆材料驱动器等。

    3.适应大变形的分布式传感网络技术

    澳门金莎娱乐网址,结构智能变形需要实时检测并感知周围环境与自身状态的变化,这就需要机翼上布满可感知各种信息的传感元件,并构成一个分布式的多传感网络系统。传感元件不仅要保证足够的精度和快速响应特性,还必须适应智能变形飞行器大位移大应变的运动特点,这对传感元件和传感网络提出了新的要求,也是未来面临的挑战之一。

    智能变形飞行器设计是一项在民用和军用飞行器领域都有广泛应用前景的新技术,可推动新型智能材料、仿生设计、结构优化设计、先进传感技术、多信息融合技术等学科领域的发展,对未来新概念飞行器的预研和技术储备具有深远的意义。本文对智能变形技术的总结归纳,可以为智能变形飞行器领域的设计发展提供相应的参考。

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