变体飞行器及其变形驱动技术
变体飞行器研究现状与关键技术分析
作者： 王春彦[1]
作者机构： [1]北京理工大学宇航学院,北京100081
出版物刊名： 德州学院学报
页码： 31-34页
年卷期： 2021年 第2期
主题词： 智能化武器装备;变体飞行器;协调控制;动力学建模
摘要：我国"十四五"规划中提到为了提高武器装备现代化的升级速度和智能化程度,在国防科技上必须实现自主性和创新性,并且需要聚力发展颠覆性的复杂技术.可变形飞行器作为一种新兴前沿武器装备,已成为世界各主要军事强国重点发展的方向之一,在未来战场必将发挥颠覆性作用,对维护我国国家安全和发展利益具有重大意义.本文将针对可变形飞行器的研究现状和发展进行综述.。
变外形飞行器建模与控制方法研究共3篇
变外形飞行器建模与控制方法研究共3篇变外形飞行器建模与控制方法研究1随着现代科学技术快速发展，人们的生活方式以及社会发展都得到了极大的改变，而航空技术则是其中的一个重要领域。
航空技术的发展，不仅推动了人类探索天际的步伐，也为其它领域带来了不可估量的影响。
随着科技不断向前发展，变外形飞行器的出现引起了人们极大的关注。
变外形飞行器，顾名思义，就是在飞行过程中能够通过改变自身结构和形态来适应各种不同的飞行环境，从而实现更高效、更稳定的飞行。
变外形飞行器的研究与探索已经成为了航空领域中极具挑战性的课题之一。
变外形飞行器建模是变外形飞行器研究的核心内容之一。
建模主要是将目标体系进行抽象，建立起适合该体系的各种模型，模拟出目标体系在不同环境条件下的运动特性，为该体系的控制提供基础。
针对不同类型的变外形飞行器，如膜翼、普通翼面、柔性翼面等，其建模方法也有所不同。
一般来说，变外形飞行器建模主要分为两个步骤。
首先，将变外形飞行器进行建模，包括建立其结构模型、控制模型、运动学、动力学以及舵面运动学等方面的模型；其次，利用各种工具，如MATLAB/Simulink等来建立仿真模型，模拟出变外形飞行器在不同环境条件下的运动特性，为控制提供参考。
对于变外形飞行器的控制方法研究来说，要实现变外形飞行器的高效、稳定的飞行，需要研究控制方法。
目前变外形飞行器的控制方法主要分为以下几类：1.传统PID控制：针对变外形飞行器外形不稳定的问题，可以采用传统PID控制方式，通过对变外形飞行器的姿态角度进行控制，来保证其在飞行过程中的稳定性。
2.自适应控制：通过传感器、执行器以及控制算法，使变外形飞行器通过学习，能够适应各种复杂的环境，实现自适应控制。
3.非线性控制：变外形飞行器本身是一个非线性系统，传统PID控制方法无法解决其非线性问题，而采用非线性控制方法，如广义预测控制、滑模控制等，能够有效克服变外形飞行器的非线性问题，提高飞行控制的效率。
智能变形飞行器进展及关键技术研究
智能变形飞行器进展及关键技术研究————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：智能变形飞行器进展及关键技术研究像鸟儿一样灵活自由的飞翔，一直是人类梦寐以求的理想。
人类很早就认识到鸟儿可以根据飞行状态适时调整飞行姿态，以最佳效率完成滑翔、盘旋、攻击等动作。
随着飞行器设计对于高机动性、高飞行效率和多任务适应能力等综合设计需求的不断提高，像鸟儿一样高效灵活的智能变形飞行器研究逐渐成为学术界和工程界的研究热点。
北大西洋公约组织对智能变形飞行器做出过如下定义：通过局部或整体改变飞行器的外形形状，使飞行器能够实时适应多种任务需求，并在多种飞行环境保持效率和性能最优。
由此可见，智能变形飞行器是一种具有飞行自适应能力的新概念飞行器，其研究涉及非定常气动力、时变结构力学、气动伺服弹性力学、智能材料与结构力学、非线性系统动力学、智能感知与控制科学等多个学科前沿和热点，代表了未来先进飞行器的一种发展方向。
智能变形飞行器具有巨大的应用前景，以美国航空航天局设想的未来智能变形飞机为例，通过新型智能材料、作动器、传感器和控制系统的综合运用，飞机可以随着外界环境变化，柔顺、平滑、自主地不断改变外形，不仅保持整个飞行过程中的性能最优，更能提高舒适性并降低成本。
美国航空航天局设想的未来智能变体飞机概念机翼平面形状合理改变可改善飞行器的气动性能。
下表列出了机翼参数变化对气动性能的影响，可以看出，通过合理改变机翼形状参数，可以改善飞行器的气动特性和操纵性能，带来增大升力、减小阻力、增大航程与航时等好处，可使飞行器能够高效地完成多种飞行任务。
由于机翼形状参数带来的影响多样，机翼变形的设计方式也多种多样。
本文针对研究最多的变展长、变弦长、变厚度、变后掠和变弯度等变形形式，分别展开介绍。
1、变展长展长伸缩是最简单直接的机翼变形方式。
展长变化有如下的优点：增大变形飞行器的机翼展长，相当于增大其翼面积和展弦比，可以带来升阻比提高，航程和航时增大的目的；机翼在停放时收缩，可显著减小飞行器的占用面积；当两侧机翼展长不同时，左右升力不对称造成的滚转力矩，可便于飞行器的横航向操纵。
变体飞行器及其变形驱动技术
基金项目:国家自然基金项目(90816003,50905085);教育部博士学科点基金资助(200802871067)作者简介:朱华(1978— ),男,江苏东台人,工学博士、副研究员,中国振动工程学会振动与噪声控制专业委员会委员、理事。
研究方向主要是超声电机及其应用技术。
主持国家自然科学基金,博士学科点基金,航空基金各1项。
在国内外期刊和会议上发表文章共15篇,SC I 检索3篇,E I 检索7篇,I STP 检索1篇,I N SPEC 检索1篇,授权国家发明专利2项。
变体飞行器及其变形驱动技术朱华,刘卫东,赵淳生(南京航空航天大学精密驱动研究所,江苏南京210016)摘 要:变体飞行器可以根据飞行环境的不同,自主地改变气动外形,更有效地完成飞行任务,是目前国内外飞行器领域的研究热点之一。
回顾了早期刚性变体飞行器、柔性变体飞行器及其变形驱动技术的发展过程。
通过对应用于变体飞行器的各种智能材料及作动器的性能特点的比较,总结出一种新型的压电作动器———超声电机在变体飞行器变形驱动上的技术优势,提出了利用超声电机来驱动小型变体飞行器变形所要研究的关键问题。
关键词:变体飞行器;压电作动器;超声电机;控制中图分类号:TH39;V221 文献标志码:A 文章编号:167125276(2010)022*******M orph i n g A i rcraft and ItsM orph 2dr i v i n g Techn i quesZHU Hua,L I U W ei 2dong,Z HAO Chun 2sheng(P re c isi o n D ri vi ng La bo ra t o ry o f N an ji ng U n i ve rs ity o f Ae r o nau ti c s a nd A str o nau ti c s,N an ji ng 210016,C h i na )Abstract:Mo r ph i ng a irc ra ft can cha nge its ae r o dynam i c shap e au t om a ti ca ll y acco rd i ng t o the fli gh t e nvir o nm e n t a nd p e rf o r m thefli ght ta sk m o re e ffe c ti ve l y .It be com e s a ho tspo t i n the re se a rch fi e l d of a e r ona uti c s.The de ve l o pm e nt o f m o r p h i ng a irc ra fts a nd the ir dri vi ng techni que s a re re vi ew e d.The p e rf o r m a nce cha rac te ris ti c s of eve ry ki nd o f i n te lli ge ntm a te ri a l a nd a c tua t o rs a re com pa re d w ith a nd the n the te chn i ca l adva ntage s o f a new p i e zo e l ec tri c a c tua t o r i .e.u ltra son i c m o t o r a re summ a ri zed.The i de a tha t ultra son i c m o 2t o rs a re use d t o a c tua te the m o r ph o f the sm a ll sca l e a irc ra ft is p r opo sed a nd som e key issue s ne e de d t o be i nve s ti ga te d.Key words:m o r p hi ng a irc raft;p i e zoe l ec tri c a c tua t o r;ultra so ni c m o t o r;con tr o l0 引言变体飞行器是将新型智能材料、作动器、传感器综合应用到飞行器的机翼上,通过柔顺、平滑、自主地改变飞行器的外形来改变其气动性能,以适应不同的飞行条件,扩展飞行包线和改善操纵特性,减小阻力,加大航程,减少或消除颤振、抖振和涡流干扰等的影响,从而更有效地完成各种飞行任务。
采用PSoC芯片来驱动变形机翼的分布式超声电机
采用PSoC芯片来驱动变形机翼的分布式超声电机
一、项目提出的背景和必要性
变形飞行器（Morphing Aircraft）通过自主改变飞行器的外形来改变飞行器的气动性能，以适应不同的飞行条件，从而扩展其飞行包线和改善其操作特性，减小阻力，加大航程，减少或消除颤振、抖振和涡流干扰等的影响，从而更有效地完成各种飞行任务。
在飞行器的所有部件中，机翼对飞行器的升阻比、极限速度、机动性、操控及稳定性、经济以及安全性等有极其重要的影响。
变形机翼可以根据飞行任务和流场条件要求，通过精确的主动变形，始终保持飞行所需的最佳形状，从而保证较高的气动操纵效率。
实现机翼外形大尺度变化的关键技术之一就是变形驱动机构及其控制电路的设计。
在本项目中，我们采用分布式超声电机来改变机翼的弯度，对高弹性柔性蒙皮、超声电机驱动的变形系统、传感器等进行无缝一体化设计，从而避免机翼气流分离现象的发生。
超声电机是利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动的新型微特电机，具有转矩重量比大、高精度、断电自锁等优点，其结构如图1所示。
驱动超声电机必须施加一定功率的超声频段的交流信号给定子上的两相压电陶瓷元件，。
变体飞行器控制系统综述
第30卷 第10期航 空 学 报Vol 130No 110 2009年 10月ACTA AERONAUTICA ET ASTRONAUT ICA SINICA Oct. 2009收稿日期:2008208212;修订日期:2008212205基金项目:国家自然科学基金(90605007);南京航空航天大学博士生创新基金((B CXJ06208)通讯作者:何真E 2mail:hezhen@文章编号:100026893(2009)1021906206变体飞行器控制系统综述陆宇平,何真(南京航空航天大学自动化学院,江苏南京 210016)A Survey of Morphing Aircraft Control SystemsLu Yuping,H e Zhen(College of Automation Engineering,Nanjing Universit y of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016,China)摘 要:介绍了变体飞行器控制系统和涉及的控制理论问题。
分析了变体飞行器的控制系统,指出变体飞行器的控制系统由变形控制层和飞行控制层组成。
对变体飞行器的硬件结构和变体飞行器控制方法的研究现状进行了阐述。
分析了集中式和分布式两种变形机械结构以及控制系统体系结构,提出采用总线网络连接变形结构的分布式元件。
总结了变体飞行器需深入研究的变形控制和飞行控制问题,包括大尺度变体飞行器的飞行控制问题,通信受约束的大数目的驱动器的协调控制问题。
关键词:变体飞行器;变形控制;飞行控制系统;分布式控制;网络控制中图分类号:V249 文献标识码:AAbstr act:The control system and r elated cont rol theor y of morphing aircraft a re introduced.The cont rol sys 2tem of mor phing air cr aft is analyzed.I t is shown that the system consists of a shape cont rol loop and a f light cont rol loop.Advances in the mechanical structures and contr ol appr oaches of mor phing aircraft ar e discussed.The centra lized mechanica l morphing structur e,the distributed mechanical morphing st ructur e,and the contr ol system structure are analyzed.It is pr oposed that the distr ibuted components in a morphing st ructur e should be connected through a bus net work.F utur e work in the shape contr ol and flight control of morphing aircraft is summar ized,including the flight contr ol of large 2scale shape air craft,cooperat ive contr ol of large numbers of actuators under communication constraints.Key words:morphing aircraft;sha pe control;flight control systems;distr ibuted control;networked contr ol变体飞行器能根据飞行环境和飞行任务的变化,相应地改变外形,始终保持最优飞行状态,以满足在变化很大的飞行环境(高度、马赫数等)里执行多种任务(如起降、巡航、机动、盘旋、攻击等)的要求。
智能变形飞行器进展及关键技术研究
智能变形飞行器进展及关键技术研究————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：智能变形飞行器进展及关键技术研究像鸟儿一样灵活自由的飞翔，一直是人类梦寐以求的理想。
人类很早就认识到鸟儿可以根据飞行状态适时调整飞行姿态，以最佳效率完成滑翔、盘旋、攻击等动作。
随着飞行器设计对于高机动性、高飞行效率和多任务适应能力等综合设计需求的不断提高，像鸟儿一样高效灵活的智能变形飞行器研究逐渐成为学术界和工程界的研究热点。
北大西洋公约组织对智能变形飞行器做出过如下定义：通过局部或整体改变飞行器的外形形状，使飞行器能够实时适应多种任务需求，并在多种飞行环境保持效率和性能最优。
由此可见，智能变形飞行器是一种具有飞行自适应能力的新概念飞行器，其研究涉及非定常气动力、时变结构力学、气动伺服弹性力学、智能材料与结构力学、非线性系统动力学、智能感知与控制科学等多个学科前沿和热点，代表了未来先进飞行器的一种发展方向。
智能变形飞行器具有巨大的应用前景，以美国航空航天局设想的未来智能变形飞机为例，通过新型智能材料、作动器、传感器和控制系统的综合运用，飞机可以随着外界环境变化，柔顺、平滑、自主地不断改变外形，不仅保持整个飞行过程中的性能最优，更能提高舒适性并降低成本。
美国航空航天局设想的未来智能变体飞机概念机翼平面形状合理改变可改善飞行器的气动性能。
下表列出了机翼参数变化对气动性能的影响，可以看出，通过合理改变机翼形状参数，可以改善飞行器的气动特性和操纵性能，带来增大升力、减小阻力、增大航程与航时等好处，可使飞行器能够高效地完成多种飞行任务。
由于机翼形状参数带来的影响多样，机翼变形的设计方式也多种多样。
本文针对研究最多的变展长、变弦长、变厚度、变后掠和变弯度等变形形式，分别展开介绍。
1、变展长展长伸缩是最简单直接的机翼变形方式。
展长变化有如下的优点：增大变形飞行器的机翼展长，相当于增大其翼面积和展弦比，可以带来升阻比提高，航程和航时增大的目的；机翼在停放时收缩，可显著减小飞行器的占用面积；当两侧机翼展长不同时，左右升力不对称造成的滚转力矩，可便于飞行器的横航向操纵。
变体飞机
研究背景：变体飞行器结构计划将创造能够使空中飞行器在飞行中改变形状(“变体”)的自适应航空结构系统，这种“变体”与鸟类改变其身体外形以适应其飞形姿态极其类似。
这些自适应结构能够使单一自主的军事飞行器执行众多多种多样且相互冲突的任务，如长时间停留在某一目标的上空，然后变形为可机动的高速攻击形态，以摧毁那些够识别或正在攻击各种空中威胁以达到自我保护的地面目标。
研究成果：变体飞机是一种在飞行中能够充分地改变其外部形状，以适应不断变化的任务环境的多任务飞机。
同不具备改变外形结构的飞机相比，此类变体飞机具有更为出色的系统性能。
美国国防预先研究计划局（DARPA）的变体飞行器结构项目，其目的是论证与传统飞机相比，具有可改变形状机翼的飞机在不同的飞行环境中获得改进性能的价值。
2003年1月，国防预先研究计划局开始实施一项为期两年半的项目计划，其目的是设计和制造起作用的可变形状的机翼结构，该结构具有充分改变机翼外形和机翼面积的能力。
其主要技术目标是研制起作用的机翼结构，以改变机翼形状从而提供良好的空气动力学性能和飞行控制，而这些都是传统机翼不可能做到的。
2006年8月1日，美国国防先期研究计划局(DARPA)成功地进行了MFX-1验证机的飞行试验，该机是一架喷气动力的摇控无人飞机，装有可改变形状的变体机翼。
MFX-1的机翼具有几项广受关注的技术特征，包括独特的可折叠机翼蒙皮面板（该面板在机翼改变形状时能够充分伸展）和一个轻型运动学可移动机翼子结构（该子结构依靠电动装置能够从一种形状变成另一种形状）。
MFX-1验证机的这些机翼特性，能够使飞行中的机翼面积改变40%，同时翼展改变30%，且机翼后掠角从15度变成35度。
此次试飞由下一代航空学（NextGen Aeronautics）公司及其合作方波音公司的“鬼怪工厂”部门一起实施，地点是位于加利福尼亚州罗伯茨营的军事试飞场。
试飞的主要目的是演示变体机翼设计在飞行中的操作、稳定性和控制，以及检验新的试飞程序，包括通信和下一代变体飞机的飞行员技能。
智能变形飞行器发展与技术分析
智能变形飞行器发展与技术分析作者：晏浚译来源：《新一代》2018年第22期摘要：智能变形飞行器能够自动的对其外形进行改变，以便其能够在不同的飞行环境中更好的飞行，从而实现飞行器整体综合作战性能的提高。
由此可见，智能变形飞行器是未来飞行器发展的必然趋势。
智能变形飞行器是一种具有较强飞行适应能力的飞行器，其具有较好的发展前景。
笔者针对智能变形飞行器的发展进行了探究与分析，并提出了智能变形飞行器主要技术，希望有助于扩大智能变形飞行器的发展和应用前景。
关键词：智能;变形飞行器;技术一、智能变形飞行器的发展自莱特兄弟在美国使用飞行完成了人类史上第一次动力持续飞行后，飞行器便开始迅速发展，飞行器的外形也随之越来越丰富，同时飞行的高度和速度也得到了明显的提升，并且更加的灵活[1]。
但是，与飞行类的生物相比，人类发明的飞行器还具有较大的提高空间，很难像鸟类动物一样可以灵活的对自身的飞行状态进行调整，以此来适应不同的飞行环境，从而达到更好的飞翔于空中。
笔者在高中时期参与了科技创新与素质拓展活动，在航天飞行器设计制作中开始了智能变形飞行器的探索，如图1所示，通过动手实践更加对智能变形飞行器的发展前景予以远大的憧憬。
智能变形飞行器是一个全新的概念，它意味着飞行器的用途更加的广泛，形态更加的多样化，全新的科学技术、制作材料和前沿的工艺综合在一起，为科学幻想的实现奠定了坚实的基础。
智能变形飞行器可以在不同的飞行环境、飞行剖面以及任务和使命等做出适应性的变形，可以灵活的调整飞行高度、飞行速度以及飞行航迹，从而优化飞行性能。
同时，智能变形飞行器还可以根据需要对自身的隐身特性进行调整，具有目的性的减少或者增强飞行器的雷达散射面积。
国外已经对智能变形飞行器的变形开展了多年的研究，目前，相对来说，美国在智能变形飞行器变形研究方面处于领先的位置，智能变形飞行器变形技术发展十分迅速。
一些西方发达国家也先后针对智能变形飞行器变形研究的开展投入了较多的资金，部分智能化变形元件已经开始进行飞行测试和试验，智能变形飞行器在航空航天领域的应用指日可待。
未来变体无人飞行器的关键技术
未来变体无人飞行器的关键技术作者：张晓丹郝文婷来源：《中国新技术新产品》2014年第12期在当前变体无人飞行器领域中，研究人员一直在关注着智能技术的发展，这些智能技术包括智能材料、传感器、驱动元件及其相关硬件的支持和微电子技术。
变体无人飞行器是将新型智能材料、驱动元件、传感器无缝隙地综合应用到飞机机翼上，通过柔顺、平滑、自主的改变飞机外形来改变其气动特性，以适应不同的飞行条件，从而更有效地完成各种飞行任务。
因此，变体无人飞行器是一种柔性的，具有结构自适应能力的新概念飞机。
二、变体无人飞行器关键技术1生物灵感在自然界中观察鸟类的飞行使人类渴望飞翔，最终发明了飞机。
通过与自然界中的生物相比，飞机的设计师们寻求灵感，从通过上千年进化而来的生物物种中获得简单、精致和高效的特征。
真正吸引着设计师们的是鸟类翅膀结构和功能的整合，即使在复杂的城市环境中，鸟类在飞行中能够快速的改变翅膀外形，其形态呈现出各种不同的翅膀布局，每一个布局都能应用于某一个特定的飞行任务。
生物灵感飞行系统和仿生材料，被称为BIOSANT（仿生智能纳米技术）。
自然界中有许多飞行系统，能把多功能部件合成到一个高效，精致的设计中。
这些自然体系经过一系列特殊的背景如环境、生存要求等进行优化并调整飞行状态，但这些要求可能与工程师的需求完全不同，因此直接仿造是无法实现的。
1.1来自生物灵感理念的微型无人飞行器美国国防部对于微型无人飞行器有一个雄心勃勃的发展目标，想让它们像蜂鸟一样小，硬币一样轻，可以飞到大飞机无法靠近的地方去收集情报。
美国国防预先研究计划局（DARPA）国防科学处在传统的微型直升机、扑翼机及其他无人机体系的基础上，寻找最有效的军事应用方法，研发在城区作战环境中进行情报收集的无人机，并为这些微型无人机选择合适的电子、导航和通信设备、传感器和传动装置。
这种飞行器能够从目标获取图像或其他传感数据，并将这些数据远程传送到地面站。
应急服务机构可以使用这种微型无人飞行器进入人类无法靠近的或危险的地区获取图像和重要信息。
变体飞行器研究现状与关键技术分析
第 37 卷第 2 期 2021 年 4 月V ol .37，No .2 Apr .，2021变体飞行器研究现状与关键技术分析王春彦（北京理工大学 宇航学院，北京 100081）摘 要：我国“十四五”规划中提到为了提高武器装备现代化的升级速度和智能化程度，在国防科技上必须实现自主性和创新性，并且需要聚力发展颠覆性的复杂技术。
可变形飞行器作为一种新兴前沿武器装备，已成为世界各主要军事强国重点发展的方向之一，在未来战场必将发挥颠覆性作用，对维护我国国家安全和发展利益具有重大意义。
本文将针对可变形飞行器的研究现状和发展进行综述。
关键词：智能化武器装备；变体飞行器；协调控制；动力学建模中图分类号：V271 文献标识码：A 文章编号：1004-9444（2021）02-0031-04收稿日期：2021-03-26基金项目：国家自然科学基金青年项目“基于预估器的时延多智能体系统分布式一致抗干扰研究”（61803032）。
作者简介：王春彦（1983-），男，山东曹县人，特别研究员，博士生导师，博士，主要从事先进控制理论及其在飞行器 系统中的应用研究。
德州学院自动化专业2006届毕业生。
一、变体飞行器国内外研究现状美国国家航空航天局与美国空军于1979年共同开展了一个名为“任务自适应机翼”（MAW）的项目，并如图1所示，在型号为AFTI/F-111上进行飞行试验[1]。
接下来，NASA为了着重研究应用于机身的智能设备组件，开展了变形飞行器（Aircraft Morphing）项目[2]。
图1 美国MAW项目在AFTI/F-111上的试验为了验证主动柔性机翼概念对未来多用途战斗机的意义[3]，美国空军、罗克韦尔公司和NASA三方在1985年共同进行了主动柔性机翼项目的研究。
而后，美国国家航天局于1996年将主动柔性机翼项目进一步扩展为主动气动弹性机翼（Active Aeroelastic Wing，AAW）项目，并在F/A-18上进行了飞行试验[4]，如图2所示。
变体机翼,智能材料
智能作动器在变体飞行器上的运用综述变体飞行器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。
常见的变体飞行器有倾转旋翼机与各种仿生微型飞行器。
从上世纪80年代以来，以美，英，德等发达国家开展了智能机翼（SmartWing）、变形飞行器（MAS）等方向的研究，并且取得一定的成果，基本完成了原理上的验证。
现在，研究人员对于智能作动器在变体飞行器结构上的应用还处于初级阶段，只是进行了一些小规模的模型与风洞实验，验证这些结构的变形是可以实现的，其效果也是显著的。
基于智能作动器、智能蒙皮、自适应，自诊断结构等先进技术实现是变体飞行器进一步的关键。
基于SMA图1是Ramrakhyani使用生物结构驱动机翼，在连接部分（如图1上为白色）使用了超弹性的SMA材料，使得在存在温度激励的情况下，机翼的形状发生改变。
可以设想，在未来的机翼上，通过这种结构可以取消襟翼的复杂结构。
图1模仿动物脊椎的变体机翼图2基于SMA的HECS机翼除了改变机翼的偏角，也可通过改变翼型厚度机翼来调整机翼的升力系数和升阻比，从而实现变体飞行器从跨声速到超声速对升力的要求。
如图3，魁北克大学提出了一种使用SMA驱动器改变机翼厚度的方法。
通过温度激励，使得装在机翼结构上的SMA作动器沿原有的形状发生改变，进行机翼厚度的调节。
图3通过SMA改变机翼厚度北京航空航天大学研发了一种使用SMA作动器驱动机翼的后缘变形的方案。
如图4，该后缘结构可以分段变形，其中内段和中段变形分别可以达到25.5°和27.5°，在来流速度为24m/s、攻角为12°的条件下进行了小型风洞实验，实验结果表明：在相同条件下，此襟翼对升力的效果比常规襟翼对升力的效果平均高20%以上。
图4SMA驱动襟翼模型基于SMP在美DARPA计划下，由lockheedmartincorpor公司设想了一种折叠机翼的方案，该机机翼可向内折叠130°，展开状态与折叠状态相比，有效后掠角减小30°，机翼面积增大180%，机翼展长增加70%，升阻比增加52%，大大的提高了飞行的性能，如图5。
变体飞行器结构关键技术及研究进展
变体飞行器结构关键技术及研究进展
张家应;黄可;武冠振;王晨;聂瑞
【期刊名称】《电光与控制》
【年(卷),期】2024(31)1
【摘要】变体飞行器由于可以根据飞行任务、飞行环境以及飞行状态等工况的改变主动地调整自身状态,从而可以实现在不同任务下都保持最佳性能。
柔韧性和承载性良好的一体化柔韧蒙皮、大功率驱动器、轻量化高可靠性变形机构等智能柔性变形机翼技术是变体飞行器的重要支撑。
为研究智能柔性变形机翼技术,在给出变体飞行器机翼主要变形方式的基础上,分析了变形机翼在变形蒙皮、驱动技术、变形机构等方面关键技术的研究重点和方法,并对其发展进行展望。
【总页数】13页(P1-13)
【作者】张家应;黄可;武冠振;王晨;聂瑞
【作者单位】北京航空航天大学强度与结构完整性全国重点实验室;北京航空航天大学航空科学与工程学院;南京航空航天大学航空学院;中国民用航空飞行学院航空工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】V224
【相关文献】
1.未来变体无人飞行器的关键技术
2.飞行器结构健康监控系统研究进展及关键技术
3.变体飞行器蒙皮材料与结构研究综述
4.变体飞行器的气动结构对控制系统的影响
5.变体飞行器研究现状与关键技术分析
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变体飞行器技术
COVER STORY封面文章F -16战机的布局设计适合高机动高速飞行，而全球鹰无人机适合长航时侦察飞行。
另一方面民用和军事领域还提出了对具有特殊性能的飞行器的需求，包括高超声速空天飞行器、低速临近空间飞行器和微型飞行器等。
高超声速空天飞行器的飞行状态跨越低速和高超声速，需要既保证高速性能，又兼顾低速性能。
微型飞行器尺寸小、重量轻、隐蔽性好、成本低，具有广泛的军事用途。
但是随着飞行器尺寸的减小，使用常规布局的微型飞行器会存在因尺寸限制而引起升力不足的问题，以及因低雷诺数引起推进系统效率大大降低的问题。
临近空间飞行器在遥感和监测方面比卫星观测更清楚，在通信方面变体飞行器是一种能够改变外形，以适应不同的飞行环境、改善空当前，民用和军事领域都对飞行器提出了更高的要求，要求新一代飞行器能够在变化很大的飞行环境（高度、马赫数等）下和在执行多种任务（如起降、巡航、机动、盘旋、攻击等）时始终保持良好性能。
固定外形的飞行器难以满足这个要求。
南京航空航天大学 陆宇平 何 真 吕 毅变体飞行器技术陆宇平南京航空航天大学教授、博士生导师，航天学院院长。
国家高新技术研究发展计划（“863”计划）专家；中国航空学会自动控制专业委员会副主任；中国宇航学会空间控制专委会委员。
1996年获中国航空工业总公司“优秀留学回国人员”荣誉称号。
长期从事飞行控制系统与导航技术研究，研究领域包括：先进飞行控制技术，高超声速飞行控制，复杂系统建模和控制，远程控制等。
气动力学特性的飞行器。
鸟类是变体飞行器在自然界的最好例证。
鸟类具有改变翼面形状的能力，在低速飞行时伸展翼面，而在高速飞行时缩拢翼面。
鸟类还能改变其翼型，增大翼型弧度能增加最大升力系数，减小失速速度，使其可以低速安全降落。
鸟类在降落时还能够增加翼面的上反角，在下降过程中调整可以增加滚转的稳定性。
当前，民用和军事领域都对飞行器提出了更高的要求，要求新一代飞行器能够在变化很大的飞行环境（高度、马赫数等）下和在执行多种任务（如起降、巡航、机动、盘旋、攻击等）时始终保持良好性能。
智能变形飞行器结构实现机制与若干关键技术研究共3篇
智能变形飞行器结构实现机制与若干关键技术研究共3篇智能变形飞行器结构实现机制与若干关键技术研究1智能变形飞行器结构实现机制与若干关键技术研究随着科技的不断发展，越来越多的科学家们开始关注一种全新的飞行器----智能变形飞行器。
与传统的固定翼飞机、直升机等飞行器不同，智能变形飞行器能够像生物一样变形，从而实现更加灵活的飞行功能。
那么，智能变形飞行器的结构实现机制及若干关键技术是什么呢？首先，智能变形飞行器的结构实现机制需要有两个核心技术，即智能材料技术和控制技术。
智能材料技术是指利用新型材料技术实现变形的过程。
通过将这些具有柔韧性的材料应用到飞行器的设计中，可以实现飞行器的自适应变形。
同时，当智能变形飞行器加速或减速时，飞行器的形状也会发生变化，这就需要控制技术来调节飞行器的姿态角和速度，从而实现飞行器稳定性的控制。
其次，智能变形飞行器的实现离不开以下若干关键技术：1. 飞行器线控技术智能变形飞行器通过远程控制，可实现对飞行器的飞行行为进行调节。
而在控制过程中，线控应是其中必要且关键的技术方案。
在线控实现中，射频数据的传输速率是重中之重。
在日常的飞控过程中，大量的通讯信息需要传递，要保证实时性和可靠性，线控频段中的信噪比和抗干扰能力显得至关重要。
2. 全息成像技术光学全息成像技术是一种可以实现三维成像的光学技术，而在智能变形飞行器的设计过程中，受损部件的全息成像技术是必须掌握的技能。
通过这种方式可以将飞行器的损毁进行全息成像，从而对变形飞行器的修复过程进行指导，最终提高飞行器的可靠性和稳定性。
3. 智能控制系统技术智能控制系统技术是指将智能材料应用到控制系统中，从而实现飞行器三维型变需求的技术。
在智能变形飞行器的设计中，控制系统需要实时监控飞行器的运动状态，并根据实时数据不断调整结构，以达到最佳状态的目的。
4. 电磁学散射技术电磁学散射技术是将电磁学知识应用到飞行器的设计中，以实现对飞行器材料损毁的检测。
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基金项目:国家自然基金项目(90816003,50905085);教育部博士学科点基金资助(200802871067)作者简介:朱华(1978— ),男,江苏东台人,工学博士、副研究员,中国振动工程学会振动与噪声控制专业委员会委员、理事。
研究方向主要是超声电机及其应用技术。
主持国家自然科学基金,博士学科点基金,航空基金各1项。
在国内外期刊和会议上发表文章共15篇,SC I 检索3篇,E I 检索7篇,I STP 检索1篇,I N SPEC 检索1篇,授权国家发明专利2项。
变体飞行器及其变形驱动技术朱华,刘卫东,赵淳生(南京航空航天大学精密驱动研究所,江苏南京210016)摘 要:变体飞行器可以根据飞行环境的不同,自主地改变气动外形,更有效地完成飞行任务,是目前国内外飞行器领域的研究热点之一。
回顾了早期刚性变体飞行器、柔性变体飞行器及其变形驱动技术的发展过程。
通过对应用于变体飞行器的各种智能材料及作动器的性能特点的比较,总结出一种新型的压电作动器———超声电机在变体飞行器变形驱动上的技术优势,提出了利用超声电机来驱动小型变体飞行器变形所要研究的关键问题。
关键词:变体飞行器;压电作动器;超声电机;控制中图分类号:TH39;V221 文献标志码:A 文章编号:167125276(2010)022*******M orph i n g A i rcraft and ItsM orph 2dr i v i n g Techn i quesZHU Hua,L I U W ei 2dong,Z HAO Chun 2sheng(P re c isi o n D ri vi ng La bo ra t o ry o f N an ji ng U n i ve rs ity o f Ae r o nau ti c s a nd A str o nau ti c s,N an ji ng 210016,C h i na )Abstract:Mo r ph i ng a irc ra ft can cha nge its ae r o dynam i c shap e au t om a ti ca ll y acco rd i ng t o the fli gh t e nvir o nm e n t a nd p e rf o r m thefli ght ta sk m o re e ffe c ti ve l y .It be com e s a ho tspo t i n the re se a rch fi e l d of a e r ona uti c s.The de ve l o pm e nt o f m o r p h i ng a irc ra fts a nd the ir dri vi ng techni que s a re re vi ew e d.The p e rf o r m a nce cha rac te ris ti c s of eve ry ki nd o f i n te lli ge ntm a te ri a l a nd a c tua t o rs a re com pa re d w ith a nd the n the te chn i ca l adva ntage s o f a new p i e zo e l ec tri c a c tua t o r i .e.u ltra son i c m o t o r a re summ a ri zed.The i de a tha t ultra son i c m o 2t o rs a re use d t o a c tua te the m o r ph o f the sm a ll sca l e a irc ra ft is p r opo sed a nd som e key issue s ne e de d t o be i nve s ti ga te d.Key words:m o r p hi ng a irc raft;p i e zoe l ec tri c a c tua t o r;ultra so ni c m o t o r;con tr o l0 引言变体飞行器是将新型智能材料、作动器、传感器综合应用到飞行器的机翼上,通过柔顺、平滑、自主地改变飞行器的外形来改变其气动性能,以适应不同的飞行条件,扩展飞行包线和改善操纵特性,减小阻力,加大航程,减少或消除颤振、抖振和涡流干扰等的影响,从而更有效地完成各种飞行任务。
因此,变体飞行器是一种柔性的具有结构自适应能力的新概念飞行器。
正是因为这种变体飞行器诱人的前景,包括美国国家航空航天局(NAS A )、国防部高级研究计划局(DARP A )在内的各种研究机构都成立了一些专项小组,对其进行预研,并取得了许多研究成果,正逐步应用于飞行器的局部结构改进(如BK117直升机主旋翼后缘襟翼等)。
随着近空间飞行器研究热潮的掀起,我国也对变体飞行器的研究给予了高度重视,研究进展很快。
在智能材料和结构方面取得了一些研究成果,成功突破了形状记忆聚合物(shape me mory poly mer,S MP )等关键智能材料的制备技术,提出了柔性智能结构单元、滑动翼肋等变形方案,并进行了概念原型的探索。
但与国外相比,目前国内对变体飞行器的研究依然处于探索阶段,对工程样机的研制和实验验证研究尚未见报道。
迅速开展对变体飞行器相关关键技术的研究迫在眉睫。
在此背景下,回顾了变体飞行器的发展历史,综述了其驱动技术的研究成果,通过比较各种智能材料作动器的性能,提出利用超声电机来驱动飞行器变形的思想。
1 刚性变体飞行器变形飞行器的概念最早可以追溯到1890年,法国Cle ment Ader 提出了变体机翼的设计思想(图1)。
他首次提出变体侦察机出于对速度的追求,机翼应设计成类似于蝙蝠或者鸟翅膀的形状,框架可折叠,面积可以缩小1/2,甚至1/3,蒙皮膜应有弹性[1]。
1914年,为了提高飞行器的可控性,美国Eds on 申请了一项关于变体扭曲机翼的专利,提出了可变后掠翼的思想。
1931年,H ill 研制图2所示的可变后掠无尾翼飞行器试飞成功,其后掠角可从4°变化到75°,利用蜗轮蜗杆机构驱动。
1930年,前苏联I van M akhonine 设计了机翼可伸缩的飞行器K 210飞行器,并与1931年试飞成功,其翼展可以从13m 增加到21m,翼面积增加57%,采用气动作动器驱动。
当机翼收缩时,最高时速186k m,而当机翼伸展时,最高时速为155k m 。
1937年,前苏联研制了一种可面内变形的大展弦比变体飞行器Baksaev L I G27(图3)。
在起飞和降落时,通过操纵驾驶舱内的钢丝绳拖动6片宽50cm的伸缩面,可以改变2/3的展长。
1932年,V ladi m ir V.Shevchenko设计了I S21单座战斗机(图4)。
该飞行器在1940年成功试飞,起飞时为双翼,起飞后下机翼在空气动力的作用下7～10s内折叠,变为单翼飞行器。
图1 Ader提出的变体飞行器设计思想图2 H ill的可变后掠翼飞行器图3 Baks aev L I G27图4 I S21 1951年,美国贝尔公司制造了X25可变后掠翼飞行器,后掠角可保持在三个角度:20°,40°和60°。
机翼从最小后掠角到最大后掠角需要不到30s。
F2111战术轰炸机、F214战斗机、B21战略轰炸机也采取了可变后掠翼的方案(图5)。
图5 美国可变后掠翼军用飞行器1955年,美国提出了XB270Valkyrie轰炸机研究计划。
该机两侧翼端采用液压可变设计,后掠角可在25°到70°之间切换(图6)。
下折的主翼端除了在利用缩小的翼面积,控制空气动力中心在超音速飞行下位置的变化,增加超音速飞行时的稳定性之外,它们还可将飞行器在超音速飞行时机身前段处所造成的冲击波包围在机身下方无法自两侧扩散消逝,等于是让整架飞行器“骑”在自己产生的冲击波上,这种被称为“压缩升力”的概念可将超音速冲击波转化成飞行器的上举力,使得XB270在超音速范围下有较高的升阻比。
1981年,前苏联试飞的Tu2160超音速轰炸机也采用了可变翼,主翼全展20°时用于起降;主翼展开至35°时用于巡航;主翼内收至65°时用于高速飞行。
M ig223超音速战斗机也采用了后掠翼,其机翼可以停在18°40′到74°40′之间的任意角度(图7)。
图6 XB 270Va lkyr ie图7 前苏联可变后掠翼军用飞行器人们已经在军机上对该技术进行了大胆应用,同时也发现了很多问题,比如质量的大幅增加,高速飞机气流分离导致的不稳定问题等。
要解决这些问题,需要借鉴仿生学的理论,从变形原理上进行深入探索,因此人们提出了所谓柔性智能变体飞机的概念。
2 柔性变体飞行器早在20世纪80年代中期,Rock well 公司首先提出主动柔性机翼的设计概念来减轻飞行器质量,提高飞行器的气动特性。
机翼的前后缘被分为若干个独立的控制面,通过对机翼的控制实现飞行器的滚转,同时实现机翼颤振的抑制[2]。
美国在20世纪80～90年代期间开展过两次大规模的自适应机翼研究,即MAW (m issi on adap tive wing )和AF W (active flexible wing )计划[3]。
MAW 计划采用机械驱动系统,在翼面覆盖一层柔性材料,实现机翼前/后缘控制面外形的光滑过渡。
该计划在F111飞行器上进行了试验,后来因为机械结构系统复杂、笨重而未能在实际中应用。
AF W 计划主要进行了柔性机翼的研究,通过控制前/后缘控制面的变形来提高飞行器的机动性。
在NAS A 的资助下,W r obleski 等以BAC1211和MAW F 2111为应用对象,对智能机翼的研究成果的应用前景进行了可行性评估,即S W I FT 计划[4],通过对比智能机翼和常规机翼的质量以及对智能机翼分段数量、材料配置、加载位置等方面的评估,证实了智能机翼在实际飞行器中应用的可行性。
2004年至2006年,DARP A 资助了N 2MAS 计划。
在该计划中,NextGen 航空技术公司研制了质量为45.36kg 的可变翼飞行器M FX 21,并在跨音速风洞内完成了全尺寸飞行器的风洞试验,模拟了0.92马赫、152400k m 高度时的飞行状况,柔性变体机翼承受住了各种气动载荷[5]。
样机如图8所示。
图8 NextGen 研制的滑动蒙皮变体飞行器国外飞行器的主要研究集中在准静态的大尺度机翼形状改变,如可变展弦比、后缘副翼扭转变形以及可折叠翼等,涉及了许多研究项目,比如NAS A Langley 研究中心的HECS 机翼,DARPA 的智能机翼、波音的Samp s on 项目等。