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 ques

ZHU 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 the

fli 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 l

0　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