基金项目:国家自然基金项目(90816003,50905085);教育部博士学科点基金资助(200802871067)作者简介:朱华(1978— ),男,江苏东台人,工学博士、副研究员,中国振动工程学会振动与噪声控制专业委员会委员、理事。
研究方向主要是超声电机及其应用技术。
主持国家自然科学基金,博士学科点基金,航空基金各1项。
在国内外期刊和会议上发表文章共15篇,SC I 检索3篇,E I 检索7篇,I STP 检索1篇,I N SPEC 检索1篇,授权国家发明专利2项。
变体飞行器及其变形驱动技术朱华,刘卫东,赵淳生(南京航空航天大学精密驱动研究所,江苏南京210016)摘 要:变体飞行器可以根据飞行环境的不同,自主地改变气动外形,更有效地完成飞行任务,是目前国内外飞行器领域的研究热点之一。
回顾了早期刚性变体飞行器、柔性变体飞行器及其变形驱动技术的发展过程。
通过对应用于变体飞行器的各种智能材料及作动器的性能特点的比较,总结出一种新型的压电作动器———超声电机在变体飞行器变形驱动上的技术优势,提出了利用超声电机来驱动小型变体飞行器变形所要研究的关键问题。
关键词:变体飞行器;压电作动器;超声电机;控制中图分类号:TH39;V221 文献标志码:A 文章编号:167125276(2010)022*******M orph i n g A i rcraft and ItsM orph 2dr i v i n g Techn i quesZHU Hua,L I U W ei 2dong,Z HAO Chun 2sheng(P re c isi o n D ri vi ng La bo ra t o ry o f N an ji ng U n i ve rs ity o f Ae r o nau ti c s a nd A str o nau ti c s,N an ji ng 210016,C h i na )Abstract:Mo r ph i ng a irc ra ft can cha nge its ae r o dynam i c shap e au t om a ti ca ll y acco rd i ng t o the fli gh t e nvir o nm e n t a nd p e rf o r m thefli ght ta sk m o re e ffe c ti ve l y .It be com e s a ho tspo t i n the re se a rch fi e l d of a e r ona uti c s.The de ve l o pm e nt o f m o r p h i ng a irc ra fts a nd the ir dri vi ng techni que s a re re vi ew e d.The p e rf o r m a nce cha rac te ris ti c s of eve ry ki nd o f i n te lli ge ntm a te ri a l a nd a c tua t o rs a re com pa re d w ith a nd the n the te chn i ca l adva ntage s o f a new p i e zo e l ec tri c a c tua t o r i .e.u ltra son i c m o t o r a re summ a ri zed.The i de a tha t ultra son i c m o 2t o rs a re use d t o a c tua te the m o r ph o f the sm a ll sca l e a irc ra ft is p r opo sed a nd som e key issue s ne e de d t o be i nve s ti ga te d.Key words:m o r p hi ng a irc raft;p i e zoe l ec tri c a c tua t o r;ultra so ni c m o t o r;con tr o l0 引言变体飞行器是将新型智能材料、作动器、传感器综合应用到飞行器的机翼上,通过柔顺、平滑、自主地改变飞行器的外形来改变其气动性能,以适应不同的飞行条件,扩展飞行包线和改善操纵特性,减小阻力,加大航程,减少或消除颤振、抖振和涡流干扰等的影响,从而更有效地完成各种飞行任务。
因此,变体飞行器是一种柔性的具有结构自适应能力的新概念飞行器。
正是因为这种变体飞行器诱人的前景,包括美国国家航空航天局(NAS A )、国防部高级研究计划局(DARP A )在内的各种研究机构都成立了一些专项小组,对其进行预研,并取得了许多研究成果,正逐步应用于飞行器的局部结构改进(如BK117直升机主旋翼后缘襟翼等)。
随着近空间飞行器研究热潮的掀起,我国也对变体飞行器的研究给予了高度重视,研究进展很快。
在智能材料和结构方面取得了一些研究成果,成功突破了形状记忆聚合物(shape me mory poly mer,S MP )等关键智能材料的制备技术,提出了柔性智能结构单元、滑动翼肋等变形方案,并进行了概念原型的探索。
但与国外相比,目前国内对变体飞行器的研究依然处于探索阶段,对工程样机的研制和实验验证研究尚未见报道。
迅速开展对变体飞行器相关关键技术的研究迫在眉睫。
在此背景下,回顾了变体飞行器的发展历史,综述了其驱动技术的研究成果,通过比较各种智能材料作动器的性能,提出利用超声电机来驱动飞行器变形的思想。
1 刚性变体飞行器变形飞行器的概念最早可以追溯到1890年,法国Cle ment Ader 提出了变体机翼的设计思想(图1)。
他首次提出变体侦察机出于对速度的追求,机翼应设计成类似于蝙蝠或者鸟翅膀的形状,框架可折叠,面积可以缩小1/2,甚至1/3,蒙皮膜应有弹性[1]。
1914年,为了提高飞行器的可控性,美国Eds on 申请了一项关于变体扭曲机翼的专利,提出了可变后掠翼的思想。
1931年,H ill 研制图2所示的可变后掠无尾翼飞行器试飞成功,其后掠角可从4°变化到75°,利用蜗轮蜗杆机构驱动。
1930年,前苏联I van M akhonine 设计了机翼可伸缩的飞行器K 210飞行器,并与1931年试飞成功,其翼展可以从13m 增加到21m,翼面积增加57%,采用气动作动器驱动。
当机翼收缩时,最高时速186k m,而当机翼伸展时,最高时速为155k m 。
1937年,前苏联研制了一种可面内变形的大展弦比变体飞行器Baksaev L I G27(图3)。
在起飞和降落时,通过操纵驾驶舱内的钢丝绳拖动6片宽50cm的伸缩面,可以改变2/3的展长。
1932年,V ladi m ir V.Shevchenko设计了I S21单座战斗机(图4)。
该飞行器在1940年成功试飞,起飞时为双翼,起飞后下机翼在空气动力的作用下7～10s内折叠,变为单翼飞行器。
图1 Ader提出的变体飞行器设计思想图2 H ill的可变后掠翼飞行器图3 Baks aev L I G27图4 I S21 1951年,美国贝尔公司制造了X25可变后掠翼飞行器,后掠角可保持在三个角度:20°,40°和60°。
机翼从最小后掠角到最大后掠角需要不到30s。
F2111战术轰炸机、F214战斗机、B21战略轰炸机也采取了可变后掠翼的方案(图5)。
图5 美国可变后掠翼军用飞行器1955年,美国提出了XB270Valkyrie轰炸机研究计划。
该机两侧翼端采用液压可变设计,后掠角可在25°到70°之间切换(图6)。
下折的主翼端除了在利用缩小的翼面积,控制空气动力中心在超音速飞行下位置的变化,增加超音速飞行时的稳定性之外,它们还可将飞行器在超音速飞行时机身前段处所造成的冲击波包围在机身下方无法自两侧扩散消逝,等于是让整架飞行器“骑”在自己产生的冲击波上,这种被称为“压缩升力”的概念可将超音速冲击波转化成飞行器的上举力,使得XB270在超音速范围下有较高的升阻比。
1981年,前苏联试飞的Tu2160超音速轰炸机也采用了可变翼,主翼全展20°时用于起降;主翼展开至35°时用于巡航;主翼内收至65°时用于高速飞行。
M ig223超音速战斗机也采用了后掠翼,其机翼可以停在18°40′到74°40′之间的任意角度(图7)。
图6 XB 270Va lkyr ie图7 前苏联可变后掠翼军用飞行器人们已经在军机上对该技术进行了大胆应用,同时也发现了很多问题,比如质量的大幅增加,高速飞机气流分离导致的不稳定问题等。
要解决这些问题,需要借鉴仿生学的理论,从变形原理上进行深入探索,因此人们提出了所谓柔性智能变体飞机的概念。
2 柔性变体飞行器早在20世纪80年代中期,Rock well 公司首先提出主动柔性机翼的设计概念来减轻飞行器质量,提高飞行器的气动特性。
机翼的前后缘被分为若干个独立的控制面,通过对机翼的控制实现飞行器的滚转,同时实现机翼颤振的抑制[2]。
美国在20世纪80～90年代期间开展过两次大规模的自适应机翼研究,即MAW (m issi on adap tive wing )和AF W (active flexible wing )计划[3]。
MAW 计划采用机械驱动系统,在翼面覆盖一层柔性材料,实现机翼前/后缘控制面外形的光滑过渡。
该计划在F111飞行器上进行了试验,后来因为机械结构系统复杂、笨重而未能在实际中应用。
AF W 计划主要进行了柔性机翼的研究,通过控制前/后缘控制面的变形来提高飞行器的机动性。
在NAS A 的资助下,W r obleski 等以BAC1211和MAW F 2111为应用对象,对智能机翼的研究成果的应用前景进行了可行性评估,即S W I FT 计划[4],通过对比智能机翼和常规机翼的质量以及对智能机翼分段数量、材料配置、加载位置等方面的评估,证实了智能机翼在实际飞行器中应用的可行性。
2004年至2006年,DARP A 资助了N 2MAS 计划。
在该计划中,NextGen 航空技术公司研制了质量为45.36kg 的可变翼飞行器M FX 21,并在跨音速风洞内完成了全尺寸飞行器的风洞试验,模拟了0.92马赫、152400k m 高度时的飞行状况,柔性变体机翼承受住了各种气动载荷[5]。
样机如图8所示。
图8 NextGen 研制的滑动蒙皮变体飞行器国外飞行器的主要研究集中在准静态的大尺度机翼形状改变,如可变展弦比、后缘副翼扭转变形以及可折叠翼等,涉及了许多研究项目,比如NAS A Langley 研究中心的HECS 机翼,DARPA 的智能机翼、波音的Samp s on 项目等。