飞行器智能结构系统研究进展与关键问题

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1、万方数据万方数据万方数据第l期陈舅等：飞行器智能结构系统研究进展与关键问题它相关技术，评价各种驱动器在流体和结构控制上的优劣。AFc在飞行器设计中的潜在应用领域包括机翼、发动机进气道、喷管和燃烧室等。(2)智能旋翼在旋翼飞行器领域，倾转旋翼机面对双重飞行模式的独特问题，因此桨叶的平面形状、扭转和翼剖面等重要设计参数需要针对悬停和巡航状态加以折衷。为了提高驱动效率，除了研究旋翼桨叶形状优化、变直径倾斜桨叶(vDTR)技术外，国外最新研究方向是采用形状记忆合金(sMA)控制桨叶后缘襟翼，自适应改变两种飞行状态下的桨叶弯度和扭转。马里兰大学

2、旋翼机中心根据xv一15桨叶对悬停和前飞的不同要求，设计了sMA扭力驱动器[⋯，安装在桨叶径向30％位置处，使悬停时的桨叶扭转增加10。，实现了前飞和悬停状态下桨叶扭转度的优化分布。近年来，智能旋翼技术在抑制直升机的振动与噪声、提高飞行机动性等方面取得了重要进展。2002年，sikosky公司实现了uH一60A全尺寸模型的单桨叶控制【6J，利用液压驱动器按±1。开环控制变矩角，使每转3次振动减小75％，每转2次噪声衰减12dB。进一步的闭环自适应控制将使振动减小90％，性能提高10％～15％。在智能结构驱动器方面，马里兰大学采用压电堆

3、和连杆机构，主动驱动桨叶后缘襟翼，实现了桨叶变弯度控制"1；MIT在复合材料桨叶中布置分布式压电纤维驱动器，实现了桨叶分布式扭转驱动”1；加拿大国家航空航天研究院采用压电堆驱动器主动改变桨叶刚度，实现了桨叶阻抗主动控制L9j。目前智能旋翼的控制方法均采用了单桨叶控制律(IBc)，它能够实现对直升机振动和噪声各阶谐波分量的独立控制。但是，由于驱动器必须安装在旋转桨叶或变矩连杆上，因此驱动器必须满足频响高、体积小、重量轻且易于维护的要求。目前惟一能够用于全尺寸风洞实验的是ZFLufl_fahrttchnik，GmbH公司的液压驱动器，但结

4、构复杂、维护困难，特别是尺寸和重量尚不能满足实验试飞的要求。当前，国外研究的重点是采用压电材料设计固态驱动器，它在驱动力、结构重量、控制频响和线性度方面具有明显优势，但必须采用多层叠合结构以弥补驱动位移的不足。近来单晶压电材料的研究取得了显著进步，最高应变已接近2％。压电驱动器性能的提高必将极大地促进智能旋翼乃至推动整个智能结构技术的发展。1．3飞行器结构健康监测飞行器结构健康监测系统(sHMs)将先进的传感／驱动网络集成在飞行器结构中，通过对结构信息的实时监测，确定结构健康状况，保证飞行安全、降低维修费用。sHMs的研究内容包括：先

5、进传感／驱动网络的布局与结构集成、信息获取与传输、先进信息处理、结构建模与仿真等。以监测对象区分，飞行器结构健康监测系统可划分为整机疲劳寿命监测和重要结构的损伤监测两类。(1)飞行载荷谱在线监测及整机寿命估计结构健康监测对于保障飞行安全极为重要，智能结构的发展为飞行器结构健康状况的在线监测提供了新途径。实际飞行载荷是描述飞行器使用状况的最基本参数，它不仅记录了整机累积使用寿命，还能通过监测的载荷谱预测飞行器结构的剩余寿命，因此飞行器结构监测的发展方向是在线监测实际飞行载荷，实现对重要结构疲劳寿命的可靠估计。为了准确获取实际飞行载荷谱，

6、需要测量飞机主要受力部位的应变、飞行参数(速度、高度、舵面位置等)和载荷传递函数，并在飞行载荷数据库中加以记录；然后根据随机过程理论，对完成的飞行载荷参数进行统计；再应用先进的高精度力学分析方法，估计整机重要结构的剩余疲劳寿命，以指导后续飞行和结构维护L1⋯。飞行器载荷在线监测的优点在于能够准确掌握每架飞机的实际使用情况，控制结构剩余疲劳寿命，提高飞行安全，便于机群管理。该技术面临的主要问题有：表征飞机结构受力特征的动态参数多、频带差异大，需要台理确定采样频率，进行飞行参数的实时采集与海量数据的压缩存储。目前图像处理技术中迅速发展的实

7、时数据压缩技术可作为有益的参考。此外，需要发展机体结构中传感网络问的数据通讯和多传感器信息融合技术，可靠估计全机结构受力的特征参数。目前的研究途径是通过传感器的微型化和智能化，采用分布式和多级式多传感器系统进行状态的分层估计并提高精度；采用网络间的无线传输提高维护性和可靠性。此外还在发展便于工程实施的高精度力学分析模型与方法，可靠估计结构损伤特性；研究传感网络对飞机结构强度的影响、维护和故障评定原则与方法。(2)飞行器结构的损伤在线监测飞行载荷谱监测主要用于估计飞行器结构的失效概率，一万方数据航空学报第25卷旦发现趋近疲劳极限，则须加

8、强检测以保障安全。智能结构将传感器和驱动器融人飞行器结构中，从而使损伤在线监测成为结构整体功能的一部分。该技术通过在线监测飞行过程中重要构件的应变(临界载荷)、振动模态(当裂纹和振动产生的应力正交时敏感度更高)和声发射(