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。     

航空机电作动器神经网络快速终端滑模控制

目前机电作动器由于具有干净、维护方便等优点,越来越受到航空业的青睐。航空机电作动器的特点是控制精度、稳定性和响应速度要求高,针对以上特点,提出了一种基于多层神经网络的快速终端滑模控制策略。为了提高航空作动器响应速度和跟踪精度,设计了快速终端滑模控制策略,不仅可以加快系统响应而且可以在无扰动情况下实现系统的有限时间稳定。针对系统参数不确定性和外部扰动,设计多层神经网络进行估计并通过前馈方法加以补偿。针对神经网络的重构误差,设计了非线性鲁棒项加以克服。利用李亚普洛夫稳定性定理证明了控制系统在有扰动情况下可以实现有界稳定。实验结果表明：所设计的控制器具有良好的参数自适应和抗干扰能力,同时具有更高的跟踪精度和更快的响应速度。     

Morphing wing flaps for large civil aircraft: Evolution of a smart technology across the Clean Sky program

Morphing wing structures are widely considered among the most promising technologies for the improvement of aerodynamic performances in large civil aircraft. The controlled adaptation of the wing shape to external operative conditions naturally enables the maximization of aircraft aerodynamic efficiency, with positive fallouts on the amount of fuel burned and pollutant emissions. The benefits brought by morphing wings at aircraft level are accompanied by the criticalities of the enabling technologies, mainly involving weight penalties, overconsumption of electrical power, and safety issues. The attempt to solve such criticalities passes through the development of novel design approaches, ensuring the consolidation of reliable structural solutions that are adequately mature for certification and in-flight operations. In this work, the development phases of a multimodal camber morphing wing flap, tailored for large civil aircraft applications, are outlined with specific reference to the activities addressed by the author in the framework of the Clean Sky program.The flap is morphed according to target shapes depending on aircraft flight conditions and defined to enhance high-lift performances during takeoff and landing, as well as wing aerodynamic efficiency during cruise. An innovative system based on finger-like robotic ribs driven by electromechanical actuators is proposed as morphing-enabling technology; the maturation process of the device is then traced from the proof of concept to the consolidation of a true-scale demonstrator for pre-flight ground validation tests. A step-by-step approach involving the design and testing of intermediate demonstrators is then carried out to show the compliance of the adaptive system with industrial standards and safety requirements. The technical issues encountered during the development of each intermediate demonstrator are critically analyzed, and justifications are provided for all the adopted engineering solutions. Finally, the layout of the true-scale demonstrator is presented, with emphasis on the architectural strengths, enabling the forthcoming validation in real operative conditions.     

倾转四旋翼飞行器直升机模式操纵策略研究

由于倾转四旋翼飞行器具有特殊的构型,针对直升机模式下的操纵策略,建立了样机的非线性飞行动力学模型并结合试验数据进行了验证,提出了适用于直升机模式的四种操纵方式,对比了不同操纵方式相应的配平值、操纵功效及操纵耦合,随后确定了一组相对合理的操纵方式,解决了倾转四旋翼飞行器在直升机模式下操纵冗余的问题。分析了重心位置对所确定操纵方式的配平特性和操纵功效的影响。结果表明:纵横向通道下总距差动引起的操纵功效比周期变距联动大得多;偏航通道下周期变距差动引起的操纵功效大于总距差动,横向周期变距差动引起的交叉耦合小于纵向周期变距差动;正常重心位置所得到的配平量和交叉耦合最小。      

垂尾抖振主动控制的压电作动器布局优化

为了提高压电作动器垂尾抖振主动控制系统的控制性能,提出一种基于输出可控性的压电作动器优化准则。使用压电驱动载荷等效方法建立压电纤维复合材料（MFC）压电作动器力学模型,并建立了带MFC压电作动器垂尾结构模型的动力学方程。在模态可控性和模态价值理论的基础上,提出考虑剩余模态影响的压电作动器优化目标函数。针对垂尾结构的前5阶模态使用遗传算法优化得到压电作动器的布局方案,使用线性二次高斯（LQG）最优控制方法控制垂尾的抖振响应。仿真结果表明,本文优化得到的布局方案比用其他方法能更好地均衡系统的模态可控性,减小剩余模态的影响,获得更好的垂尾抖振响应控制。     

空间计算机冗余架构可靠性分析比较

采用冗余架构,是改善和提升空间计算机可靠性的一个重要途径。目前在工程中对不同架构可靠性的对比,尤其是相对复杂的架构,多仅限于形式上的粗略分析,缺乏定量比较。对6种典型空间计算机冗余架构(双机冷备、双机热备、TMR、动态重构TMR、2+1三机、四机)分别建立马尔可夫链数学模型,推导出上述各冗余架构可靠度的计算公式,并以一个虚拟的5年期任务为背景,对这些架构的可靠度进行了仿真计算、分析和比较。仿真结果表明:具有冷备资源的冗余方案可获得相对高的系统可靠性;让故障节点具有从故障中恢复正常功能的能力和短的修复时间,能大幅提升系统可靠性。     

基于递阶遗传算法的结构非接触形状控制

以PLZT光致伸缩层合梁非接触形状控制问题为研究对象,提出了一种结合结构拓扑优化与递阶遗传算法的控制方法.该方法以PLZT光致伸缩驱动器的拓扑分布和照射的光强值为设计变量,以PLZT光致伸缩层合梁的期望形状与控制形状的差值函数为适应度函数,应用结构拓扑优化、递阶遗传算法和有限元法,优化了PLZT光致伸缩驱动器的分布和所照射的光强值.与基于传统遗传算法的形状控制方法的计算结果进行了对比分析,该方法的进化速度提高了91%以上,所控制的结构形状与期望形状的误差较传统遗传算法降低了76%以上.      

过驱动并联机器人驱动力矩的特解构造法

以一种平面三自由度过驱动并联机构为研究对象,分析其运动学方程,并采用虚功原理和等效力方法推导了该机构的动力学模型.讨论过驱动机构的容错性,给出了故障前后驱动关节力矩突变的定义.分析过驱动机构逆动力学方程解的不确定性,从提高机构的可靠性以及容错性角度出发,提出一种新的过驱动机构驱动力矩分配思路,以驱动器集可靠度作为系数乘子,采用故障后力矩分配的确定解构造过驱动机构输入力矩的不确定解.将这种方法与传统的力矩分配方法所得到的各关节力矩突变之和进行比较,数据计算结果表明该方法具有更好的容错性能.      

电控旋翼传感器系统余度设计及表决算法研究

电控旋翼通过电作动器驱动伺服襟翼偏转,通过气弹作用带动桨叶变距,从而实现旋翼操纵。为提高电控旋翼传感器系统的可靠性,文中以模型电控旋翼系统为对象,提出了一套非相似三余度传感器系统方案;进一步提出了一种改进的表决算法,该算法通过将基于LMS算法的预测值引入表决中,使三余度传感器系统在出现两路随机故障时仍能够有效判别正常信号,从而提高了系统的可靠性;通过仿真验证了该改进表决算法的可行性;最后通过对襟翼传感器的试验研究,证明了所提出的余度设计方案及表决算法的有效性。     

压电式微型合成射流多域耦合数值模拟

合成射流器的设计与仿真是优化其性能参数的关键。针对目前合成射流器的计算模型在建立物理模型时存在简化误差而导致仿真精度降低的问题,提出了一种基于多域耦合分析的全流场计算模型。该模型采用通用有限元分析软件ANSYS中的压电耦合单元实现电场 结构场的直接耦合分析,并通过ANSYS与流体仿真软件CFX间的耦合接口完成流场 结构场的同步双向耦合,最终实现了压电式合成射流器真实物理过程的数值模拟。基于此模型对合成射流器的工作过程进行了模拟,并研究了驱动电压和腔体结构参数对喷口速度的影响。结果表明：多域耦合模型能准确模拟合成射流的形成过程,数值模拟与实验结果的变化趋势一致,且相对误差不超过8%,为合成射流器的优化设计及控制提供了理论依据。