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。

图5折叠机翼方案设想
洛克希德·马丁公司提出一种使用SMP所制的无缝蒙皮，如图6。

施加热刺激，通过SMP的热变形效应，实现蒙皮变形。

可以看出，状记忆聚合物无缝蒙皮既可以在弹性体状态随机翼折叠变形（变形可达2倍以上），外部的刚性聚合物可以承受气动载荷，并保持光滑连续，保证机翼良好的气动性能。

SMP蒙皮方案1
SMP蒙皮方案2
图6SMP蒙皮
美国GRE提出了一种使用SMP研制的可以变化的飞机蒙皮方案。

如图7所示的智能机翼，可利用骨架的错动，来调整其弦长，来改变飞机的气动特性。

如图8，一种可展开蒙皮结构，除了骨架剩余的部分，由SMP物质填充。

所示为内部填充形状记忆聚合物的蜂窝结构，该结构长度可以伸长到原来的400%；蒙皮采用折叠式结构，在热刺激的作用下，内部的SMP物质回到原有的形状，使得蒙皮慢慢的展开，之后，SMP物质会覆盖整个机翼。

图7SMP可变展弦比机翼
图8SMP可展开蒙皮结构
基于压电作动器
南京航空航天大学采用超声电机通过对其的驱动和控制，有效使得风洞模型的颤振减小，实现了对其颤振的主动抑制。

如图9所示为二维机翼段控制系统结构图。

经过大量的仿真与风洞模型实验的研究表明，以超声电机（USM）作为控制面的作动器可以有效抑制机翼。

图9颤振的主动抑制图10USM驱动器
图11USM驱动与控制器
如图11所示，在飞行中的气动力作用于飞机翼面，使机翼产生相应的位移输出，该信号被飞控计算机采集，根据飞行状态和控制律进行计算后，由飞控计
算机给出机翼上相对应的控制面调整的偏转角指令，使得控制器通过对控制面的偏转指令与控制面当前的偏转角进行对比。

输出基于USM的经由创新效应器调整的转速、转向控制，驱动控制面，这时，改变偏转角的控制面对气动力进行反作用，以实现闭环的控制过程。

Ennsylvaniastate大学也研制出基于压电叠层的作动器,并应用于lockheed 公司的变体飞行器。

如图12为Konkun大学将压电作动器用于控制小型飞行器，在空气流速为5m/s，输入电压为200V时，升降舵的活动范围达到7.1°。

如图13，Kentucky大学的cadogan利用压电作动器来诱发充气可折叠机翼的变形。

图12基于压电作动器的变体飞行器
图13基于压电作动器的可折叠机
图14,15，使用USM与电磁电机驱动襟翼进行对比，并实现80°/s的偏转速率。

根据实验数据，超声电机功率高于当前任何智能材料作动器或者电机。

更为重要的是，由于超声电机的结构紧凑、灵活，可以更为重要的是，由于超声电机的结构紧凑、灵活，可以使其在30%的风洞模型的有限空间中与其他部件进行有效集成，大大减轻了机翼质量。

图14变体飞行器模型风洞实验
图15电机驱动的副翼
美国CSA公司的AnDerson提出了一种液压与压电材料相耦合的作动器（PBP 作动器结构如图16），并设想可以运用在无人系统领域。

这种作动器利用压电材料的逆压电效应的泵产生压力，克服了传统液压系统传输线路所占空间体积大，安装和维修都相对复杂且需要地面设备支持等缺点。

与电磁作动器相比，这种作动器可以获得较大的加速度，导致机体较快的变形。

Delft university of technology的Barrett结合SMA大变形、压电材料响应快、效率高的优点，研制出PBP作动器，并应用于NACA0012机翼，结构如图17所示。

相比于传统压电作动器，其变形量增加了一倍，最大变形量可达6.2°。

图16PBP作动器
图17PBP作动器及其驱动的小型变体飞行器
基于磁致伸缩
哈尔滨工业大基于超磁致伸缩液压泵，设计一款折叠机翼变体飞行器。

使用液压缸带动摇杆传动机构，使得机翼折叠，考虑机翼厚度因而一侧机翼的一组折叠使用两个液压缸完成传动。

图18为机翼在三个角度折叠的形态图。

0°折叠形态
60°折叠形态
120°折叠形态
图18三类典型角度下的折叠机翼结构折叠变形形态图美国CAS公司(CSA Engineering,Inc.)采用磁致伸缩材料研制磁致伸缩液压泵，用来驱动机翼产生长度变化。

如图19，在6.9Mpa的压强之下，此液压泵可以达到180W的最大功率。

实验结果显示，磁致伸缩液压泵的输出能力可以使机翼在30s内从2.74伸长到3.66，展弦比从3.5增加到7。

该方案有望进进一步的实验论证。

图19磁致缩液压泵驱动可机翼升长飞机模型
结论
本文简略介绍了基于各类智能作动器的变体飞行器，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，其中列举了一系列变体飞行器和飞行器上的结构。

变体飞行器在民用与军用上有非常广阔的应用前景，但是在有些关键问题，比如智能结构的小型化，怎么样抗干扰上还需要突破，材料和结构的问题依旧是一个难题，需要在智能材料建模技术、材料仿真技术、材料数据库进行突破。

在国内外，SMP，SMA，磁致材料，压电材料在变体飞行器领域上的已经广泛的进行研究和运用，在智能机翼，小型大输出作动器和自适应结构上已经有不小的突破。

但还需进一步的努力，应朝着智能化变体飞行器的方向进行发展。