含有SMA弹簧驱动器的可变倾斜角翼梢小翼研究

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaJan．252012VoI．33No．122．33ISSN1000-6893CN11-1929／Vhttp：#hkxb．buaa．edu．CRhkxb@buaa．edu．cn文章编号：1000-6893(2012)01—0022—12含有SMA弹簧驱动器的可变倾斜角翼梢小翼研究李伟1，熊克1’*，陈宏2，张绪2，苏永刚1，任智毅31．南京航空航天大学机械结构力学与控制国家重点实验室，江苏南京2100162．中国商飞上海飞机设计研

2、究院，上海2002323．南京航空航天大学飞机设计技术研究所，江苏南京210016摘要：针对传统翼梢小翼在非设计状态减阻效果不佳的缺点，提出一种含有形状记忆合金(SMA)弹簧驱动器的变体翼梢小翼结构，它能根据飞行状态主动调整小翼的倾斜角，实时优化飞机的阻力特性。采用力一热一应变耦合法设计了所需的SMA弹簧驱动器，并通过有限元仿真与风洞试验验证了变体翼梢小翼的变形能力，最后初步研究了变体翼梢小翼的闭环控制方法。研究结果表明，在飞机的起飞阶段(自由来流流速为26m／s，迎角为3。)，变体翼梢小翼的倾斜角能在1

3、rain内自主完成预定变化过程，倾斜角的最大变化量为23。，控制精度的最大误差为12％，各项指标均符合设计要求。关键词：减阻技术；自适应系统；机翼；形状记忆效应；弹簧；驱动器中图分类号：V224．3文献标识码：A现代航空运输业为了节约运营成本亟需降低飞机的油耗，减阻技术是解决这一问题的有效途径。对大型飞机而言，诱导阻力是总阻力的主要组成部分，在巡航阶段约占总阻力的40％，而在起飞、爬升阶段甚至达到50％～70％[1‘2]，因此降低诱导阻力对飞机减阻具有重要意义。翼梢小翼能降低机翼的诱导阻力[3-43，在翼

4、梢小翼的所有参数中倾斜角对减阻效果影响较大[5’6]。目前，翼梢小翼仅针对巡航状态设计[7]，小翼的几何参数和布局方式仅针对巡航阶段的阻力特性进行优化，而在起飞、爬升等非设计状态减阻效果不佳。特别是对于短距离航线而言，起飞、爬升占总航时的比重较大，翼梢小翼带来的经济效益并不明显。变体翼梢小翼能克服传统翼梢小翼在非设计状态性能较低的缺点，它能根据飞行状态实时改变几何外形与参数，在整个飞行包线内为飞机提供最优减阻效果[8]。例如，起飞时增大倾斜角，可最大限度降低诱导阻力，使飞机能以较小推力起飞，从而降低燃油消

5、耗和发动机噪声。当飞机到达巡航高度时再回到初始设计状态，优化巡航阶段的阻力特性。变体翼梢小翼甚至还可作为气动舵面，控制飞机实现滚转和偏航机动r9‘。国外已对变体翼梢小翼相关技术展开研究。美国波音公司开发了基于形状记忆合金(SMA)板和SMA扭力管的变体翼梢小翼，小翼的倾斜角和扭转角能根据飞行状态主动变化Ll⋯。欧洲空中客车公司与英国Bristol大学联合开展了“morphlet”项目，采用伺服电机作为驱动器控制翼梢小翼倾斜角的动态变化，在起飞阶段可将升阻比提高3％[8]。国内目前对变体翼梢小翼的研究较少，

6、仅收稿日期：2011-05-05；退修日期：2011-06．16；录用日期：2011—10．10；网络出版时间：2011—10—3110：56网络出版地址：州．cnki．net／kcms／detail／11．1929．V．20111031．1056．002．hhlDOI：CNKI：11-1929／V．20111031．1056．002基金项目：国家自然科学摹金(90605003)*通讯作者．Tel．：025-84891502E-mail：kxiong@r啪a．e山．∞飘两搭武lLiW·XiongK．Che

7、nH·etal．ResearchOnvariablecantanglewingletswithshapememoryalloyspringactuators．ActaAeronau-ticaetAstronauticaSinica．2012．33t1)：22—33．李伟．蒸克．睬宏，等．舍番SMA弹簧驱动器的可变倾斜角翼捎小翼研究．航空学报。20T2．33(1)：22-33．李伟等z古有SMA弹簧骄动器的可坐倾斜角冀梢小翼研兜两北丁业大学的司亮通过数值模拟方法研究了翼梢小翼后缘安装舵面对机翼气动特性的影响

8、【⋯，而有关变体翼梢小翼驱动技术的研究还未见报道。本文以波音747400的翼梢小翼为例，采用计算流体力学(CFD)分析起飞阶段所需的最佳倾斜角，确定了倾斜角的最佳变化范围。在此基础上提出一种含有SMA弹簧驱动器的可变倾斜角翼梢小翼结构。采用力一热一应变耦合法设计了所需的SMA弹簧驱动器，通过变载荷试验研究了SMA弹簧的力一电一热耦合特性。随后建立了可变倾斜角翼梢小翼的有限元模型，分析了小翼的变形能力与控制电流的关系，对比风洞试