智能材料和结构在变体飞行器上的应用现状与前景展望.pdf

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaJan．252014V01．35No．129-45ISSN1000．6893ON11．1929／Vhttp：Hhkxb．buaa．edu．CRhkxb@buaa．edu．cn智能材料和结构在变体飞行器上的应用现状与前景展望冷劲松1’*，孙健1，刘彦菊21．哈尔滨工业大学航天学院复合材料与结构研究所，哈尔滨黑龙江1500802．哈尔滨工业大学航天学院航天科学与力学系，哈尔滨黑龙江150001摘要：变体飞行器可以根据不同的飞行条件改变自身形状以获得最优的气动性能，大大提高飞行器的综合性能，是未来飞行器发展的重要方向之

2、一。新型智能材料和结构具有驱动、变形、承载、传感等特点，为变体飞行器的设计提供了新的技术途径。本文根据不同可变形机翼结构分类，详细阐述了智能材料和结构在自适应结构、智能驱动器和变形蒙皮等方面的研究现状。变体飞行器的实现亟需解决变形／承载一体化蒙皮技术、轻质大输出力驱动器技术和自适应结构技术等关键技术，本文还对智能材料和结构未来在变体飞行器上的应用前景进行了展望。关键词：飞行器材料；智能材料和结构；变体飞行器；自适应结构；驱动器；变形蒙皮中图分类号：V259；TB381文献标识码：A文章编号：1000—6893(2014)01—0029—17智能材料和结构(SmartMaterialsand

3、Structures)一般是指以最佳条件响应外界环境变化，且按这种变化显示自己功能的材料，具有自感知、自诊断、自驱动、自修复等能力[1]，具有多功能性和感受环境变化(或刺激)响应[2]。压电材料、形状记忆合金、形状记忆聚合物、电致活性聚合物、磁致伸缩材料、电流变材料、磁流变材料、光纤传感器等都可以归为智能材料和结构。智能材料和结构具有轻质、高能量密度、自驱动、大变形、良好的传感特性、自修复等性能，由于其具有独特性质，已被广泛应用于航空航天、土木工程、医学、仿生机器人等领域。近年来，智能材料和结构在变体飞行器方面的应用，更是引起了特别的关注‘3’83。变体飞行器(MorphingAircra

4、ft，或者称为变形飞行器、可变形飞行器、变体飞机等)可以根据不同的飞行任务和飞行环境改变自身形状，以获得最佳的气动性能[9_13]，已经成为未来先进飞行器的重要特征和发展方向之一[14

5、。采用可变形技术，可以使飞行器实现减小阻力，提高升力，提高机动性能，减少起降距离，减少油耗，扩展航程，提高升限，在整个飞行包线上保持综合性能最优等。早在1916年，美国人率先提出“可变形飞行器”概念并申请专利，此方法通过改变机翼弯度来达到飞行器变形的目的。20世纪50年代以后，又先后出现了一些新概念的改变气动外形的方案，比较成型的技术有：变后掠翼技术、倾转翼技术、X翼机技术等。由于传统材料和结构构成的变体飞

6、行器(如F14战斗机、F111战斗机等)具有质量大、结构复杂、维修费用高等缺点，大大限制了变体飞行器的发展。变体飞行器需要一类具有轻质、大驱动力、大变形等特点的新一代材料和结收稿日期：2012—12—07；退修日期：2012—12—28；录用日期：2013-05—13；网络出版时间：2013—06—1911：25网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．1929．V20130619．1125．001．html基金项目：国家自然科学基金(90916011)*通讯作者．Tel．：0451—86402328E-mail：lengjs@hitedu．CFI礅用格武tLe

7、ngJS，SunJ．LiuYJ．Applicationstatusandfutureprospectofsmartmaterialsandstructuresinmorphingaircraft[JJ．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica，2014．35(1)：29．45冷劲松。孙健．和彦菊智能材料和结构在变体飞行器上的应用现状与前景展望[J]．航空学报，2014，35(1)：29-45．譬弋=}lll

8、__：薄一约一一特一卦；：¨1；!¨_；、。知航空学报构来实现，智能材料和结构的出现满足了变体飞行器的需求。20世纪90年代开始，美国等发达国家开展了智能

9、机翼(SmartWing)、变形飞行器结构(MAS)等一系列研究计划对智能材料和结构在变体飞行器上的应用进行了研究，并完成了原理性验证。目前，智能材料和结构在变体飞行器上的应用还处于起步阶段，在小型风洞模型和微小型飞行器上进行了初步实验研究，验证了其在局部变形上应用的可行性。基于智能材料和结构的驱动器、可变形蒙皮、自适应结构等智能可变形技术是未来变体飞行器发展的关键技术之一[1争”]，具有广泛的应用前景。1智能材料和结构