Review on Key Technologies Progress of the Morphing Aireraft

阐述了变体飞机发展动机、发展过程及最新研究现状,主要介绍了国外主要变体飞机方案的变体模式研究进展和应用情况。在此基础上重点介绍了可变前/后掠翼,可变弦长机翼,、可变展长机翼,可变弧度机翼等方案的实现原理、研究情况,研究难点和应用情况。围绕变体飞机涉及的总体综合设计,气动布局仿真与试验智能结构与材料、传感器与驱动器、自适应变循环推进系统、飞行控制和变体可靠性监测等核心关键技术进行了重点分析,并对研究难点和研究进展进行了阐述。     

高超声速可变形双翼气动特性

为研究高超声速可变形双翼在不同迎角和不同马赫数条件下的气动特性,并针对在给定的迎角和马赫数条件下可变形双翼的舵面偏转角选取困难的问题,通过结合二分法、遗传算法和高斯牛顿算法对处于不同迎角和不同马赫数条件下的可变形双翼的舵面偏转角进行了选取确定,分析了可变形双翼的气动特性和舵面偏转角对其气动特性产生影响的机理。研究表明:当来流马赫数为5,迎角从1°~8°变化时,可变形双翼的升阻比明显大于Busemann双翼的升阻比,最大可达4.2倍;当迎角为3°,来流马赫数从0.5~5变化时,可变形双翼的升阻比最大可达Busemann双翼升阻比的3.4倍。结果表明可变形双翼在大迎角和大速度范围内均能保持高升阻比,在高超声速飞行中将具有更好的应用价值和前景。     

变体后缘的索网传动机构设计与分析

为了提高变体后缘的驱动效率,提出了一种可放大驱动力的索网传动机构.采用梁模型推导了单节点索网/基板弯曲变形的非线性微分方程,给出了基于有限差分法的迭代格式.数值模拟结果表明:索网机构比单索机构具有更高的驱动效率,降低了驱动器的最大驱动力;降低了基板的最大弯矩,且使最大弯矩点后移.最后,设计了单索和索网机构驱动钢板弯曲变形的实验装置,给出了钢板自由端垂直位移和外载关系的实验结果,结果表明当钢板等效偏转角的设计值为10°时,索网机构的最大驱动力比单索机构降低了41％.     

基于光纤传感网络的可变体机翼应变场数值模拟及实验验证

在不同飞行姿态及飞行条件下,可变体机翼智能结构及驱动器根据外部条件及控制指令,可以实现翼体自适应动态变形,表现出良好的空气动力学性能.由于翼体结构应力场与温度场的分布和作用形式复杂多样,因此需要对结构进行多物理场耦合分析,并准确获取翼体结构应变分布的有效信息.为此,采用COMSOL Multiphysic多物理场数值分...     

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。     

基于布谷鸟搜索算法的一类变体飞行器容错控制

针对一类存在执行机构故障的分布式结构变体飞行器的控制分配问题,结合整数规划理论,提出一种基于布谷鸟搜索算法的容错控制方法。首先,设计虚拟控制指令,使得系统状态能够很好地跟踪参考模型;然后,将执行器概率性故障与饱和约束转换为整数规划问题中决策变量的约束,从而将执行器控制分配问题转化为一类整数规划问题;最后,采用改进的布谷鸟搜索算法进行求解,得到实际的执行器控制分配指令。仿真结果表明,在执行器存在概率性故障的情况下,该容错控制方法较无容错策略的情况能够有效提升系统的跟踪性能;与遗传算法相比,该算法得到的执行器控制分配结果更加精确。     

基于骨架图匹配的汉字变形技术

不同时代的汉字变化较大,自动产生它们之间的变形动画是一个具有挑战性的任务.为此尝试使用一个新方法解决该问题.首 先将源汉字和目标汉字分割成对应的部件,然后根据部件的骨架和特征点将其分解为笔画并建立图模型,用笔画路径的相似度进行图模型的匹配来产生对应关系.最后根据匹配的结果为源汉字和目标汉字的轮廓建立同构三角形,并计算插值产生动画.实验当中将新方法的汉字匹配的效果与现有方法进行对比,并展示了所产生的变形动画,结果表明本文所提出的方法可以产生不同时代的汉字间的对应关系,并能生成平滑的变形动画.      

Continuous morphing trailing-edge wing concept based on multi-stable nanomaterial

Morphing technology is one of the most effective methods to improve the flight efficiency of aircraft. Traditional control surfaces based morphing method is mature and widely used on current civil and military aircraft, but insufficiently effective for the entire flight envelope. Recent research on morphing wing still faces the challenge that the skin material for morphing should be both deformable and stiff. In this study, a continuous morphing trailing-edge wing with a new multi-stable nano skin material fabricated using surface mechanical attrition treatment technology was proposed and designed. Computational fluid dynamics simulation was used to study the aerodynamic performance of the continuous morphing trailing-edge wing. Results show that the lift coefficient increases with the increase of deflection angle and so does the lift-drag ratio at a small angle of attack. More importantly, compared with the wing using flaps, the continuous morphing trailing-edge wing can reduce drag during the morphing process and its overall aerodynamic performance is improved at a large angle of attack range. Flow field analysis reveals that the continuous morphing method can delay flow separation in some situations.     

一种变体飞行器的动力学建模与动态特性分析

对可变展长、可变后掠角的变体飞行器物理模型进行了简化,基于Kane方法,将变体运动假设为已知的可控输入,利用约束方程来表示机翼的变形运动,选取飞行器位移运动速度以及角速度在机体坐标系下的6个分量作为广义速率,建立了该变体飞行器的六自由度动力学模型.定义了附加力与附加力矩的概念用于描述变体运动对飞行器产生的动力学影响,仿真结果表明,在平稳飞行条件下,相对于变形引起的空气动力的变化,机翼变形产生的附加力和附加力矩都较小.在不同的变形速度下,对变体引起的飞行器纵向运动响应进行了仿真分析,仿真结果表明,变体过程中飞行器的高度、速度以及俯仰角等状态均会发生很大变化.      

基于切换系统的变体飞行器鲁棒自适应控制

针对变体飞行器变形过程的控制问题,将切换系统理论与多变量自适应控制理论相结合,提出了一种基于切换系统的鲁棒自适应控制器设计方法。首先,建立了变体飞行器纵向短周期线性切换模型,描述了飞行器的整个变形过程;然后,设计了一种改进的鲁棒自适应控制律,抑制了各类干扰和不确定性对系统的影响,实现了切换系统对参考模型的良好跟踪;最后,提出了一种基于模型依赖驻留时间（MDDT）的切换控制律,保证了变体飞行器在变形切换过程中的稳定性,利用Lyapunov函数方法证明了本文方法最终一致有界。仿真验证表明,在存在外部干扰和各类不确定性的情况下,本文方法能保证飞行器在变形过程中精确跟踪参考模型,且具有较好的抗干扰能力。