智能材料与可变形翼飞机

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1、智能材料与可变形翼飞机郭翔宇（上海交通大学，材料科学与工程学院F12051025120519047）摘要：介绍了一种常见的智能材料如压电材料、形状记忆合金等在可变形翼上的应用。关键词：智能材料可变形翼飞机结合翼结构引言：当传统的材料满足不了可变形翼飞机的要求时，科学家们将眼光投向了智能材料，当单一的智能材料不能满足可变形翼飞机的要求时，科学家们又将各种不同的智能材料结合起来应用，最终满足了可变形翼飞机的需要。虽然本文讲的基本上都是猜想，但是随着智能材料的不断发展，可变形翼飞机一定会成为现实生活中替代传统飞机的最佳选择。1.可用于可变形翼的智能材料可变形翼

2、飞机对机翼的要求很苛刻，既要求其能够大尺度变形，又要求其变形准确快速，这是传统材料和传统驱动所不能同时完成的，尤其是准确这一点，是传统材料和驱动的软肋。以下几种智能材料可以代替传统材料，进行可变形翼飞机机翼的制作。1.1.形状记忆合金形状记忆合金是智能材料结构中较早实现工程化应用的一种材料,它是利用应力和温度诱发相变的机理来实现形状记忆功能,即能够在温度变化时引起塑性变形回复形状。形状记忆合金的优点是应变灵敏度高,易于实现结构一体化设计,缺点是响应速度慢,动态控制困难。1.2.压电材料压电材料是一种同时兼具正逆电机械耦合特性的功能材料,具有更为优良的频率

3、特性和可集成特性。大多数压电器件通常由压电陶瓷构成,可以根据设计者的意图调整结构的阻尼与自振频率等动力学特性,同时还可对结构的位移、应变、应力、加速度和破坏情况进行自动监测。压电材料的优点是:频带宽而高、定位分辨力高、反应迅速、能量损耗因数小和激励功率低。缺点是应变较小。1.3.磁致伸缩材料磁致伸缩材料是一种同时兼具正逆磁机械耦合特性的功能材料,随外界磁场变化产生弹性变形。磁致伸缩材料在磁场作用下能变形,变形程度与磁场强度非线性相关。1.4.电致流变流体和磁致流变流体电致流变流体材料和磁致流变流体材料是微米尺寸的介电颗粒均匀弥散地悬浮于另一种互不相溶的绝

4、缘载液中时所形成的悬浮液体,在外加电场或磁场作用下,其流变特性如粘性、塑性、弹性等发生变化。这种材料的优点是响应快速、连续可调、能耗低。缺点是应变较小。1.几种可变形翼的设想2.1．单一压电材料堆积所形成的可变形翼压电材料对外界刺激响应迅速准确能够很好地满足飞机的要求，但是由于其受到外界刺激时产生的形变太小而很难实现飞机的控制。下面这一种结构时将许多压电材料构成的小的结构单元堆叠到一起，这样的好处是会使每一个结构单元的细小形变进行积累，从量变到质变，最终实现飞机机翼的快速、准确、大尺度的变形，改变飞机的运动状态。但是压电材料的大量堆积会使得机翼质量增大，

5、不利于飞机的飞行。另外，制作和组装大量的结构单元使得制作成本居高不下。更严重的是，当每一个结构单元都像这样作为传动装置时，会导致整个系统的可靠性降低。是想如此庞大的结构单元，要保证每一片压电材料都不出问题基本上是不可能的，而一旦有一个结构单元出现问题，对于飞行员来说都是毁灭性的。图2.1单一压电材料堆积所形成的可变形翼2.2．形状记忆合金丝和压电材料组成的可变形翼这种结构是在飞机机翼中心拉上多根形状记忆合金丝，这样一根合金丝变形时产生的形变是许多压电结构单元的总和。这样一来就省去了不少中间的传动环节，可以准确大量的变形。这种设计结构可以说是克服了上面的压

6、电材料结构单元堆积产生的可变形翼的全部缺点，但是新的问题又来了。众所周知，形状记忆合金变形所需要的条件是温度的变化，让形状记忆合金丝的温度迅速变化肯定涉及到加热、散热、保温，这样一来，必要的设备又会增加。还有，我们如何准确的控制温度呢。所以这种设想也不是很靠谱。图2.2．形状记忆合金丝和压电材料组成的可变形翼2.3.传统电磁驱动与压电材料组成的可变形翼我们必须承认，传统驱动方式的反应迅速、形变量大、可靠性强、成本低廉等优点是如今的智能材料所无法比拟的，所以有科学家设想，把传统驱动与压电材料结合起来。当机翼需要变形时，先是传统的驱动方式把机翼变形到大体位置

7、，再由压电材料进行微调。我个人认为这是最佳的设计方案。图2.3.传统电磁驱动与压电材料组成的可变形翼3、总结像鸟儿一样飞翔是人类自古以来的梦想，智能材料的出现让这个梦想成为了可能。据悉，美国NASA已经初步研究出了可变形翼飞机，这种飞机的机翼是用形状记忆合金丝编制而成的网状结构组成，通过每一根合金丝的不同变形来达到整体变形的目的。虽然这种飞机并不能像鸟儿一样灵活，但是相对于现在的固定翼飞机已经是一个大的飞跃。本文介绍的设想是许多科学家思索的结果，如果设计出来已经具有实用价值。而运用智能材料就是目前可变形翼飞机发展的大势所趋。参考文献：【1】蒋海涛颜令辉《

8、飞航导弹》2008年第一期《智能材料在飞行器翼面结构中的应用探索》【2】百度百科