展向变形飞行器型总体方案设计

展向变形飞行器型总体方案设计

展向变形飞行器，是模仿鸟类飞行而设计的一种可变形飞行器，展向扭转变形就好比鸟儿用翼翅的变化实现不同的飞行姿势和飞行状态，可以运用机翼的扭转实现飞行器的滚转运动、偏航运动以及俯仰运动等各种不同的操作，可以辅助甚至代替操纵面工作目前，欧美等国已经对机翼扭转变形的应用做过一些实验和研究，主要集中于扭转变形的驱动技术、材料和结构技术等方面研究表明，扭转变形飞行器在变形飞行器领域有不可替代的地位，随着智能飞行器技术的深入研究与快速发展，扭转变形的应用前景良好。本文针对展向扭转变形飞行器，建立展向变形飞行器非线性模型，并通过小扰动线性化方法，得到展向变形飞行器纵向小扰动线性化变参数模型，最后结合鲁棒最优控制，对展向变形飞行器模型进行控制仿真，并分析了扭转变形对飞行器纵向飞行性能的影响。

展向变形机翼结展向变形机翼结构的概念演变机翼是飞行器在飞行中可重新构型的主要部件。在飞行中有目的地改变机翼外形(通过机翼扭转)，可以有效地增加机翼的效率。其中，改变翼展和机翼面积的效果最为突出。

2.1展向变形飞行器的基本要求

飞机在巡航时通常要求机翼具有高展弦比和大机翼面积，而要想高速飞行，就要求低展弦比和小机翼面积。变形机翼使机翼面积能够在50％～150％之间变化，分别适应巡航和高速飞行时的需要。目前大多数飞机都采用缝翼和襟翼方式，通过机械装置增大机翼面积或增加机翼弯度，为飞机提供更多的升力。展向变形飞行器在不同飞行状态下，会有不同的外形，与之对应的气动力和气动力矩也会不同，因此在进行控制等分析之前，分别对不同外形条件下的气动力和气动力矩进行计算就成了本文研究过程中很重要的一步。但是这种机械运动的襟翼和缝翼笨重、复杂、效率低下，因此，有必要寻找一种无需机械动作就能让机翼外形在飞行中发生有效改变的方法，使飞机在各种速度下都具有理想的性能。

2.2材料选取

由于展向变形的几何形状不规则，使得机翼承受额外的挠度应力，如果仍旧采用传统机翼上的材料设计展向变形机翼，则会面临刚性太大，无法发生有效形变的情况。目前主要的展向变形机翼材料选取偏向于柔性材料为主，不管是上面提到的巴沙木还是复合材料都具有一定的柔性，选择好的对于机翼沿展向变形的

气动计算，采用二维模型已经不能反应机翼外形变化，所以采用了三维结构来分析变形机翼的气动特性。良好的机翼三维结构设计，能够保证气动计算的正确性与精确度，因此，合理设计展向变形机翼模型是结构设计的重点。

2.3变形方法

展向变形方法不同于常规的变形飞行器的变形方法，其主要区别在于展向变形飞行器的变形大小是沿展向连续变化的，在同一时刻沿展向的变形量大小是一个连续函数，如果依旧采用常规变形驱动结构，容易产生额外变形，达不到理想的效果。现在，常用的变形方法如表2.3.1所示：

表2.1 机翼展向变形方法

2.4驱动技术

驱动技术有压电作动器和形状记忆合金作动器。其中压电作动器精确度高，响应速度快，但是驱动能力有限，如果采用压电作动器，其作动力不足以使机翼变形。形状记忆合金作动器拥有简单的结构，并且和机翼一起设计，但是响应速度太低，实现飞机的机动时实时性不够。虽然驱动技术的发展目前不符合展向变形的驱动要求，但是在技术飞速提升的今天，相信很快就会有符合变形驱动要求的驱动器出现。

一种展向变形适用的SMA智能材料扭力管驱动的案例如下：鉴于各种扭转驱动器的性能比较，在相同扭转力矩条件下，采用SMA 智能材料所需的额外设备最轻，对飞机整体重量没有太大影响，所以展向变形飞行器优先以SMA扭力管作为驱动器驱动机翼扭转。其安装在机翼上的结构原理如图2.1所示，由扭力管产生扭矩，经过耦合器耦合，使啮合齿轮发生转动，驱动传动轴转动，进而是整个机翼发生扭转变形。

图 2.1 SMA扭力管驱动机翼扭转结构图

2.5气动性能研究

对于展向变形的气动性能研究，可以有实验测量和气动计算两种途径。实验测量的难点在于变形量大小的精确测量，法国航空局研究了一套风洞实验时精确测量机翼扭转角度的方法，其精度为0.05°。该系统使用了两个固定安装的摄像头，并且在待测机翼表面预先做好标记，测量主要步骤为：打开摄像头，初始化机翼形状记录数据，计算模型相关系统，风洞测试，数据处理。该系统测试数据是实时的，并且可以适用于各种测试。

除了实验法可以测得气动数据，还可以通过建模分析，计算获得想要的气动数据，不过对于变形机翼而言，通常模型的建立就是一个不确定的量，再加上还有气动数据的推算，计算量之大实非一般算法可以实现，再加上非线性气动力、复杂流场的存在，传统的工程算法不再满足工程需要，为此，需要采用具有高精度的计算流体动力学（CFD）的方法进行研究。但是CFD数值计算过程非常耗时，并且占用大量内存，因此建立高质量的网格成为重要的内容，另外并行计算技术以及优化算法等也是提高 CFD 计算的重要途径。

2.6本章小结

展向变形飞行器的研究，现在处于摸索前行阶段，在此之前都是根据鸟类以及昆虫的飞行特性，运用科学猜想的方法，进行的展向变形飞行器的结构和材料

研究工作，最终目标都是为了优化飞行过程中的气动性能。机翼的展向变形，必然会带来飞行器的气动参数以及气动导数的变化，因此研究展向变形带来的飞行器气动特性变化，能够反映出展向变形的研究意义，同时能够指引展向变形实现途径的方向。