智能材料和结构在变体飞行器上的应用现状与前景展望简

 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。     

智能材料和结构在变体飞行器上的应用现状与前景展望

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。     

压电驱动器的气动弹性应用

 随着压电智能材料与结构的发展,压电驱动器在气动弹性控制领域占据重要地位。使用压电驱动器控制翼面变形,利用而不是抵抗气动弹性效应可以控制升力、力矩以及它们的分布。采用基本相同的智能结构翼面控制系统,根据不同的控制目标需求,使用压电智能材料驱动器可以达到多种目的,包括静态的形状控制与动态的颤振抑制、抖振控制与阵风响应控制。静态控制方面例如改变翼面形状获得附加空气动力以增加升力、提供横滚力矩、改变升力分布以减小诱导阻力或减小翼根弯矩等;动态控制例如利用改变翼面形状产生的附加空气动力作为控制载荷,改变气动弹性系统的耦合程度,根据控制效果要求可作为气动阻尼、气动刚度或气动质量。这种控制方法可以减轻结构重量,提高操纵效率,扩大飞行包线,提高材料利用率,已成为可变形飞行器的重要研究内容。本文主要阐述压电驱动器气动弹性应用的动机与机理、发展与成就以及问题与展望。     

STRAIN MEASUREMENT IN THE SMART COMPOSITE

ＳＴＲＡＩＮＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴＩＮＴＨＥＳＭＡＲＴＣＯＭＰＯＳＩＴＥＬｉａｎｇＤａｋａｉ；ＴａｏＢａｏｑｉ（ＳｅｎｓｏｒｉｎｇａｎｄＴｅｓｔｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＮａｍｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃｓａｎｄ...     

飞行器智能结构系统研究进展与关键问题

 飞行器智能结构是由传感器、驱动器、控制元件和基体结构组成的集成系统,它具有承载、检测、判断与动作等功能,可显著提升飞行器的性能。根据国内外飞行器智能结构系统研究的最新进展,论述了飞行器结构动力响应主动控制、智能机翼、旋翼以及飞行载荷谱监测与结构损伤诊断等的基本原理与技术问题;指出了飞行器智能结构系统研究在埋入式功能元件、复杂非线性多场耦合系统的动力学建模与控制以及智能结构系统中的损伤和失效问题等方面所面临的关键技术问题和挑战。     

基于Ti/TiN薄膜传感器的飞机金属结构裂纹监测

针对飞机金属结构在服役过程中的裂纹实时监测需求,提出一种Ti/TiN导电薄膜与电位监测原理相结合的结构裂纹监测研究方案。首先,通过真空离子镀膜技术在结构易于出现裂纹的部位制备了Ti/TiN薄膜传感器。然后,进行了传感器膜层与2A12-T4铝合金基体的损伤一致性验证。结果表明,传感器与基体具有良好的损伤一致性。最后,进行了两组基于Ti/TiN薄膜传感器的裂纹监测试验,主要研究结构裂纹与传感器电位之间的相互关系,并对两组电位监测结果进行对比。结果表明,通过分析Ti/TiN薄膜传感器电位的变化可以实现对2A12-T4铝合金结构裂纹萌生和扩展进行实时监测,两组试验的电位监测结果具有良好的重复性。     

运输机光传操纵系统的硬件及其特点

简要介绍运输机光传操纵系统的硬件及其特点,这些硬件是：挠性飞行器管理组织结构、纤维光缆装置、主动手控器、主飞控计算、光导机械装置和录敏驱动装置,同时还介绍了一单通道主飞控系统的地面演示和一副翼配平控制系统的飞行演示,光传操纵系统的设计与演示经验可供有关人员借鉴和参考。     

Integrated optimization design of smart morphing wing for accurate shape control

Smart morphing wing, which is equipped with smart materials and able to change structural geometry adaptively, can further improve aerodynamic efficiency of aircraft. This paper presents a new integrated layout and topology optimization design for morphing wing driven by shape memory alloys (SMAs). By simultaneously optimizing the layout of smart actuators and topology of wing substrate, the ultimately determined configuration can achieve smooth, continuous and accurate geometric shape changes. In addition, aerodynamic analysis is carried out to compare smart morphing wing with traditional hinged airfoil. Finally, the optimized smart wing structure is constructed and tested to demonstrate and verify the morphing functionality. Application setbacks are also pointed out for further investigation.     

智能结构的发展和应用

综述了国外智能结构的发展和应用,简要介绍了几种用于智能结构的致动器,预测了国外这一技术未来在航空航天领域中的应用,以及这一技术的发展趋势。     

MEMS技术在智能航空发动机中的应用研究现状及前景

利用MEMS(micro-electro-mechanical system)体积小、质量轻、集成度高等特点,将该技术用于航空发动机,可以更好地实现对发动机的流动、燃烧过程进行主动控制、对关键结构部件的损伤以及滑油系统健康状态进行监测等方面的功能,进而实现航空发动机的智能化.为了实现MEMS在航空发动机上的应用,一方面是提高MEMS自身适应航空发动机环境的能力;另外一方面则需要开展其和航空发动机的兼容性设计及研究.随着MEMS技术的不断发展,它必将是推动航空发动机发展的一个重要新技术.      

基于健康监测的飞机结构寿命预测技术

飞机结构健康监测技术在飞机的结构设计、飞行及维护过程中发挥着重要作用,该技术可用于结构健康状况预判、辅助维修与维护决策。本文首先介绍了当前结构健康监测的概念及其适用范围,讨论了结构健康监测相关规范要求,以F-35 和A400M 为例分析了国外飞机结构健康监测技术的典型工程案例,并给出了典型飞机单机跟踪和寿命控制、某老龄飞机载荷谱实测及寿命预测,讨论了基于裂纹的监测方法研究及限制其应用的主要因素。在此基础上,提出了飞机结构健康监测系统设计的主要思路,给出了寿命预计的基本流程,阐述了其中控制点选择、飞参筛选、载荷/应变方程构建、损伤计算及寿命评估、结果输出及方程验证等主要环节。最后,对航空领域未来开展结构健康监测智能化研究进行了展望。     

采用光纤作为传感神经的复合材料机敏结构微观组织研究

 在复合材料构件中埋入光纤传感器形成一种光纤复合材料机敏结构可以实现对构件的自检测和自诊断。研究埋入传感光纤后的碳/环氧树脂基复合材料的微观组织,分析光纤与树脂基体的融合状况以及对复合材料结构的影响。     

机敏支撑结构的振动主动控制

 机敏结构是具有传感和执行双重功能的结构形式，无需外界帮助可自适应调节其状态。通过机敏结构建立了三维支撑结构的振动主动控制系统，利用Hamilton原理和变分法中的Euler公式导出了压电机敏结构的离散控制方程，采用加速度反馈实现了支架的振动主动控制。     

基于智能材料结构的几种损伤评价方法

 材料或结构的损伤评价,由于其密切联系实际应用而一直受到广泛关注。参考了国内外最新研究成果,在对工程材料结构损伤评价常规方法作简述的基础上,着重介绍了基于智能材料结构的光纤传感、应力波和高频机械阻抗技术及其在工程中的应用,并讨论了研究中存在的一些问题以及进一步的工作。     

Acceleration sensors based modal identification and active vibration control of flexible smart cantilever plate

Some flexible appendages of spacecrafts, such as solar panels, are cantilever plate structures. Thus, vibration problem is unavoidable when there is slewing maneuver or external disturbance excitation. Vibration of such cantilever plate structures includes coupled bending and torsional motion. Furthermore, the low amplitude vibration near the equilibrium point is very difficult to be quickly suppressed due to nonlinear factors of the hardware in the system, which is harmful to stability and attitude control accuracy. To solve these problems, acceleration sensor-based modal identification and active vibration control methods are presented for the first two bending and the first two torsional modes vibration of the cantilever plate. Optimal placements of three acceleration sensors and PZT patches actuators are performed to decouple the bending and torsional vibration of such cantilever plate for sensing and actuating, and identifications are achieved by experiments. A nonlinear control method is presented to suppress both high and low amplitude vibrations of flexible smart cantilever plate significantly. Experimental comparison researches are conducted by using acceleration proportional feedback and the presented nonlinear control algorithms. The experimental results demonstrate that the presented acceleration sensor-based methods can suppress the vibration of cantilever plate effectively.     

基于DSP和CAN的航空发动机分布式控制系统设计

航空发动机控制系统发展趋势是分布式控制系统,本文提出了基于DSP和CAN总线的航空发动机分布式控制系统设计.设计中,用工控机模拟航空发动机电子控制器(EEC);智能传感器和执行机构的控制核心采用DSP芯片;通讯总线选用CAN总线.论文阐述了航空发动机电子控制器与各智能传感器和执行机构的软硬件设计、CAN总线通讯的实现方法.在实验室条件下实现了整个发动机控制系统的物理仿真,仿真系统初步满足了分布式系统控制要求,为航空发动机分布式控制系统的研究奠定了基础.     

Braking systems — Towards modular architectures and smart modules — the SAMBA project

The use of smart actuators, in a modular braking system architecture, offers the possibility of simplifying central braking control and of developing versatile standard components applicable to braking systems in different families of aircraft. The SAMBA (Smart Actuator and Modular Braking Application) project has investigated these possibilities together with techniques for control of brake torque instead of brake pressure.     

温度对压电陶瓷传感器信号传输的影响研究

近年来,飞机结构健康监测技术得到了快速的发展,并在航空航天等领域得到了广泛的应用,特别是在碳纤维复合材料结构的状态监控与损伤诊断方面更是明确了功能材料与智能结构的发展趋势。首先分析了航空领域典型的结构健康监测技术,包括模态法、机电阻抗法、超声法、声发射法、Lamb波法,并对其中的Lamb波法进行深入讨论。而后,开展了基于Lamb波技术的温度对压电陶瓷传感器信号传输影响的实验研究。该研究考虑了实验装置及传感器在高温环境下的特性,特制了用于测试压电陶瓷传感器信号传输特性的高温实验装置,将压电陶瓷传感器通过机械方式安装于实验装置上,开展环境实验。分别对五档不同温度下的实验结果进行分析,研究结果表明:温度对压电陶瓷传感器信号传输具有一定影响,并给出了信号受温度影响的变化规律。     

Reconfigurable flight control via multiple model adaptive controlmethods

An aircraft flight control system with reconfigurable capabilities is considered. A multiple model adaptive controller (MMAC) is shown to provide effective reconfigurability when subjected to single and double failures of sensors and/or actuators. A command generator tracker/proportional-plus-integral/Kalman filter (CGT/PI/KF) form of controller was chosen for each of the elemental controllers within the MMAC algorithm and each was designed via LQG synthesis to provide desirable vehicle behavior for a particular failure status of sensors and actuators. The MMAC performance is enhanced by an alternate computation of the MMAC hypothesis probabilities, use of maximum a posteriori probability (MAP) versus Bayesian form of the MAC (or a modified combination of both), and reduction of identification ambiguities through scalar residual monitoring for the case of sensor failures     

Sensor/actuator placement for flexible space structures

A new approach for the placement of sensors and actuators in the active control of flexible space structures is developed. The approach converts the discrete nature of sensor and actuator positioning problems to a nonlinear programming optimization through approximation of the control forces and output measurements by spatially continuous functions. The locations of the sensors and actuators are optimized in order to move the transmission zeros of the system further to the left of the imaginary axis. This criterion for sensor/actuator placement can be useful for optimal regulation and tracking problems, as well as for low authority controller designs. Two performance metrics are considered for the optimization and are applied to the sensor/actuator positioning of a large-order flexible space structure