基于智能材料的长航时变体无人机设计与研究

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1、中图分类号：V279论文编号：102870117-B003学科分类号：590.15博士学位论文基于智能材料的长航时变体无人机设计与研究研究生姓名李宏达学科、专业飞行器设计研究方向飞行器总体设计指导教师昂海松教授南京航空航天大学研究生院航空宇航学院二一六年十一月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofAerospaceEngineeringDesignandResearchofLongEnduranceUAVusingSmartMateria

2、lAThesisinFlightVehicleDesignByLiHongdaAdvisedbyProf.AngHaisongSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophyNovember,2016承诺书本人声明所呈交的博/硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料

3、。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：南京航空航天大学博士学位论文摘要相比传统的飞行器而言，变体飞行器可以通过机翼或者机体变形在不同飞行状态下获得更高的飞行效率或者更强的飞行机动能力。近年来，随着新材料和新工艺的不断发展和进步，国内外研究人员提出了许多种变体飞行器构型方案，对其中某些关键技术进行了较为深入的研究。此外，随着人们对飞行器滞空时间的要求不断提高，长航时无人机的发展变得越来越热门，然而

4、长航时无人机对气动和结构重量存在巨大的要求，而变体技术是非常有希望解决气动特性这一问题。但是当前的变体机构大部分重量过大，不利于部署在长航时无人机上。本文根据最新材料科学的发展，从气动和变体机构双重角度对长航时无人机的设计提出了一些解决方案，设计了轻量级大变形的无人机变体机构，得出了一些成果。本文的主要研究内容和成果如下：1)针对长航时无人机变体机构减重和提高续航能力的需求，基于先进的人工肌肉，提出了驱动蒙皮概念，驱动蒙皮将无人机蒙皮和变形机构的驱动部分结合在一起，可以减轻无人机变体结构的重量。2)根据提出的驱动蒙皮概念，设计了一款机翼变弯度

5、机构，该机构不仅能有效地驱动机翼实现大幅度的弯度变化，还能有效地保持翼型光滑柔顺。本文设计的变体机构可以有效地降低变体驱动力的需求，从而在轻量级的变体结构上实现大变形。3)针对飞机相对厚度控制上无法实现有效大变形的问题，提出了“三明治蒙皮”的概念。“三明治蒙皮”能够在有效地传递横向和纵向载荷的基础上，实现10%以上的厚度变化，且驱动机构可以简化设计，有利于工程实践应用。4)设计了变体翼型功能模拟实验，验证了所提出的变弯度机构的可行性及有效性，证实该机构在弯度变化上有效切可控。并设计了变体机翼盒段，从实践角度验证了变体设计的可行性。5)基于粒子

6、群算法，结合多学科优化设计软件，发展了一个专门的翼型设计工具，解决了长航时无人机在设计过程中自定义翼型的问。6)设计了一架无缝机翼长航时无人机，使用发展的翼型设计工具针对特定的飞行条件进行翼型设计，对翼型和飞机的巡航性能进行了分析，并将结果与高升力翼型SD7037进行对比，二维翼型的最大升阻比提高了50％以上，整机的续航因子提高了20％。7)对变体长航时无人机在没有副翼情况下的俯仰和滚转特性进行了研究，表明所设计的方案能够有效改变无人机的俯仰力矩和滚转力矩。8)采用自抗扰控制方法，为长航时变体无人机姿态控制律设计提供了有效方法，仿真实验结果表

7、明该控制律能够有效地对所设计的长航时变体无人机进行控制。关键词：变体翼，翼型变形，变弯度机翼，长航时，智能材料，智能机构I基于智能材料的长航时变体无人机设计与研究ABSTRACTComparedwithtraditionalflightvehicles,morphingaircraftcanobtainsuperioraerodynamicefficiencyorenhancedmaneuverabilitythroughmorphingwingsorbodyparts.Withcontinuousdevelopmentinnewmateri

8、alsandtechnologiesinrecentyears,manymorphingaircraftconfigurationswereproposedbyre