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智能变形飞行器进展及关键技术研究作者:日期:智能变形飞行器进展及关键技术研究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。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。美国航空航天局设想的未来智能变体飞机概念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。提ff:ft力、重载龍力减小眸低:寄生阻力塾比增大揺喜匕升阻比,续航龍力,脸航龍离,'偏航速車释低:境动机熹求减小援高已最大激廈晾低;寄生阴力S1:偏航性能,侧向稳定性减小提葛匕最玄速度增大提畐:临幌鮒上反效应 'Plffi:高速PH力提高:最夫畀尢棊埶劉响展向升力系毂廿布頂诵导阳丈1机翩转影响翼尖失谨尺展向升力分布劭响霎卅攻角,翼塑議奉,分离特性岸度她弩曲半径增大改善OS型性能SE小改善高建翼型性能分布影响翼型特性,层济绩济过渥1、变展长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。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。“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。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。2、变弦长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。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。近年来,以美国CRG公司为代表的科技公司,