主动性空气弹性别变化形机翼正在F-18飞机上海展览中心开飞行试验

Posted by

三、空军研究实验室和NASA的智能材料研究项目美国空军研究实验室和NASA的任务适应性机翼以及主动性空气弹性变形机翼联合项目预测了今后智能材料飞行器形状控制技术有可能取得的进步。⑴
任务适应性机翼项目
该项目对螺旋桨弦向曲度弧、翼展方向曲度弧和翼掠的主动控制技术进行了研究,并在F-111A试验飞机上进行了飞行测试。机翼前后缘形状可变具有特殊意义:低速飞行时,希望机翼产生较大的曲度弧、前缘半径及厚度,从而产生较高的最大起飞系数;与此相反,高速飞行时,阻力成为主要的控制参数,因此机翼曲度弧和前缘半径及厚度就要变小。具有可变前后缘的F-111A机翼的显著优点是改进了地形适应性和机动性负载控制,减小了雷达横截面。而要使机翼形状进行主动性改变以使其获得优异的隐身和气动性能所必需的装置及连接非常复杂,目前的研究水平还无法实现。⑵
主动性空气弹性变形机翼项目
该项目对分布式致动系统的集成以及主动性机翼弹性变形控制进行了多方面研究。主动性空气弹性机翼能够通过空气动力学力使机翼结构发生变形,从而使飞行器获得较好的机动性、起飞状态可控性以及阻力最小化。这一技术可使机翼按所需形状进行空气弹性变形从而获得最佳性能,也使未来战斗机获得多重空气动力学性能成为可能。目前,主动性空气弹性变形机翼正在F-18飞机上进行飞行试验。从某种意义上说,这项技术是智能结构技术的先导,它使利用传感器和致动器感应气流力的分布来进行有效多点响应从而获得高稳定性机翼成为可能。综上所述,智能材料和结构技术使随时间变化、具有可控几何形状的机翼的出现成为可能。当前,该技术在无人机上的应用为航空学探索和新操作概念的开发提供了一个前所未有的机遇,应用分布式致动系统制造出”变体”飞机是研究人员努力的目标。面积和形状可变20%~50%的变体机翼在形状控制方面将非常先进,其先进性超越了传统的设计以及受动器(如襟翼、副翼、逢翼)概念。进行”变体”飞机的设计是一项大胆而艰巨的工作,需要对先进材料、致动器、动力系统和机械装置进行有效而富有创造性的研究。虽然这项研究有很大障碍,但其潜在价值将给军事和商业市场带来巨大收益。

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。

相关文章

Leave a Reply

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注