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1、智能材料在飞行器翼面结构中的应用探索摘要：介绍了当前国外智能材料在翼面结构中应用的特点与发展趋势,分析说明了可用于翼面结构设计中的智能材料的性能和特点,提出智能材料在翼面结构中的应用模式,探讨了智能材料在翼面结构上实现工程化应用存在的问题。关键词：智能材料 飞行器 翼面结构引 言在未来高技术局部战争中,多维一体的信息化体系作战与智能化的远程精确定位能力将成为国防系统中飞行器的重要特征。各种飞行器系统向着“大航程、高突防、智能化”方向发展,提高武器系统的攻防对抗、精确打击能力,具备多种作战任务的执行
2、能力。飞行器翼面结构也因此有了新的发展方向,例如,飞机机翼能够根据飞行条件弯曲变形,保持最佳巡航效率;导弹可以通过改变升力面,实现多种任务剖面的飞行模式;某些飞行器可以通过翼面形状变化,实现从亚声速飞行变为超声速飞行。在这种需求背景下,结构设计中传统的结构材料已经无法满足发展需要,新型智能材料在飞行器研究中的优势逐渐显现。1 国外先进飞行器上智能材料的应用从20世纪50年代开始,各国科研机构特别是军用航空航天部门先后开展了智能材料的研究工作。美、日、德、英、法、意各国都在智能结构、智能材料领域投入
3、了大量的人力、物力开展研究工作。美国航空航天局、各军种、弹道导弹防御局、以及波音、麦道、联合机身、MBDA导弹系统等公司,美国的EFG实验室、德国航空航天研究院、日本宇航研究院、法国国家航空航天研究院、麻省理工学院、加州理工学院、弗吉尼亚州立大学等都参与其中,研究领域主要集中在结构变形、阻尼减振等方面。根据相关文献报道,国外已经开展了多项变形翼结构研究项目,部分项目已经深入到工程研制阶段。在翼面结构设计方面,美国国防高级研究计划局(DARPA)已正式启动“变形飞机结构(MAS)”项目,该项目长远目
4、标是设计一种续航能力比全球鹰无人机更强、机动性比F/A222战斗机更好的飞机,旨在通过在飞行中改变飞机的气动外形使飞机在执行不同任务时飞机性能都保持在最佳状态,即通过变形飞机部件使新一代军用飞机能够用于执行多种形式的作战任务[1]。该项目第一阶段目标是确保变形机翼在低速和跨声速飞行中伸缩150%的部件及配件(例如作动器、连接件、子系统等)。第二阶段目标为设计、建造一个50%缩比尺寸的无人技术验证机,并进行飞行试验。根据此目标,洛马公司、雷锡恩公司、Hypercomp公司、新一代航空技术公司分别设计
5、各自的技术方案,提出了“滑动蒙皮”、“折叠机翼”等智能变形概念。美国空军实验室弹药处与MBDA公司美国公司协作“主动菱背”弹翼系统,拟在现有的可展开使用的“菱背”弹翼系统的基础上通过智能材料,研制具有大展弦比,串联连接的弹翼结构,该弹翼可展开,带有一体化飞行控制系统,能够自适应调整结构,从而提高武器的巡航飞行能力。另外,美国丹佛防御空间与通讯技术部成功研制了用形状记忆合金作驱动器的树脂夹芯结构复合智能材料制成的柔性机翼,这种机翼可随飞行高度及升力变化自动调整机翼的曲面形状,可在任意飞行速度下保持最
6、佳的翼形,大幅度提高飞行效率,并对随时出现的危险振动加以主动抑制[2]。除此之外,USAF和NASA联合发起的一项利用机翼扭曲发展先进操纵方案的计划,陆军研究局推出“智能材料与结构计划”,日本也在智能结构实现主动振动控制、自适应可变形桁架等方面开展研究[3]。总之,由于智能材料涉及领域广、功能性强,近年来在国外发展速度较快。2 可用于翼面结构的智能结构及智能材料如前所述,智能材料应用到翼面结构上,主要是用来实现翼面形状改变。翼面结构形状改变研究主要有两方面内容,一是智能材料的驱动技术研究,二是智能
7、控制方法研究。它是在飞行器翼面结构设计中加入智能结构即传感单元、驱动单元、控制单元,赋予翼面形状自适应等智能功能[4]。2.1 智能结构智能结构包括基体单元、驱动单元、传感单元和控制单元四部分。基体单元一般由轻质复合材料组成,是智能结构其它各部分的基础,主要承受结构件载荷。驱动单元响应控制器指令,改变结构外形和相对位置关系,改变结构应力应变分布、阻尼特性、固有频率等结构特性。传感单元用来测量结构内部的应变、应力、温度、振动等参数,将采集到的信息反馈给控制单元。传感单元由具有感知能力的敏感材料构成,
8、这种材料目前主要有压电材料、光纤、电致变材料、液晶材料、功能梯度材料等,以光纤材料为主。控制单元是电子设备,可以根据传感单元得到的信息指挥驱动单元执行相应的动作。2.2 智能材料在智能结构中,智能材料组成的驱动元件是智能结构的核心和技术关键。目前可用于翼面结构中的智能材料主要有磁致流变流体、磁致伸缩材料、压电材料、电致流变流体、光导纤维以及形状记忆合金。尽管智能材料都能通过电压或外界环境条件改变,改变自身结构形式,同时不同智能材料具有各自的性能和特点。形状记忆合金是智能材料结构中较
