未來變體無人飛行器的關(guān)鍵技術(shù)

張曉丹 郝文婷

（中航工業(yè)沈陽飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所，遼寧 沈陽 110035）

一、概述

在當(dāng)前變體無人飛行器領(lǐng)域中，研究人員一直在關(guān)注著智能技術(shù)的發(fā)展，這些智能技術(shù)包括智能材料、傳感器、驅(qū)動(dòng)元件及其相關(guān)硬件的支持和微電子技術(shù)。變體無人飛行器是將新型智能材料、驅(qū)動(dòng)元件、傳感器無縫隙地綜合應(yīng)用到飛機(jī)機(jī)翼上，通過柔順、平滑、自主的改變飛機(jī)外形來改變其氣動(dòng)特性，以適應(yīng)不同的飛行條件，從而更有效地完成各種飛行任務(wù)。因此，變體無人飛行器是一種柔性的，具有結(jié)構(gòu)自適應(yīng)能力的新概念飛機(jī)。

二、變體無人飛行器關(guān)鍵技術(shù)

1 生物靈感

在自然界中觀察鳥類的飛行使人類渴望飛翔，最終發(fā)明了飛機(jī)。通過與自然界中的生物相比，飛機(jī)的設(shè)計(jì)師們尋求靈感，從通過上千年進(jìn)化而來的生物物種中獲得簡(jiǎn)單、精致和高效的特征。真正吸引著設(shè)計(jì)師們的是鳥類翅膀結(jié)構(gòu)和功能的整合，即使在復(fù)雜的城市環(huán)境中，鳥類在飛行中能夠快速的改變翅膀外形，其形態(tài)呈現(xiàn)出各種不同的翅膀布局，每一個(gè)布局都能應(yīng)用于某一個(gè)特定的飛行任務(wù)。

生物靈感飛行系統(tǒng)和仿生材料，被稱為BIOSANT（仿生智能納米技術(shù)）。自然界中有許多飛行系統(tǒng)，能把多功能部件合成到一個(gè)高效，精致的設(shè)計(jì)中。這些自然體系經(jīng)過一系列特殊的背景如環(huán)境、生存要求等進(jìn)行優(yōu)化并調(diào)整飛行狀態(tài)，但這些要求可能與工程師的需求完全不同，因此直接仿造是無法實(shí)現(xiàn)的。

1.1 來自生物靈感理念的微型無人飛行器

美國(guó)國(guó)防部對(duì)于微型無人飛行器有一個(gè)雄心勃勃的發(fā)展目標(biāo)，想讓它們像蜂鳥一樣小，硬幣一樣輕，可以飛到大飛機(jī)無法靠近的地方去收集情報(bào)。美國(guó)國(guó)防預(yù)先研究計(jì)劃局（DARPA）國(guó)防科學(xué)處在傳統(tǒng)的微型直升機(jī)、撲翼機(jī)及其他無人機(jī)體系的基礎(chǔ)上，尋找最有效的軍事應(yīng)用方法，研發(fā)在城區(qū)作戰(zhàn)環(huán)境中進(jìn)行情報(bào)收集的無人機(jī)，并為這些微型無人機(jī)選擇合適的電子、導(dǎo)航和通信設(shè)備、傳感器和傳動(dòng)裝置。這種飛行器能夠從目標(biāo)獲取圖像或其他傳感數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳送到地面站。應(yīng)急服務(wù)機(jī)構(gòu)可以使用這種微型無人飛行器進(jìn)入人類無法靠近的或危險(xiǎn)的地區(qū)獲取圖像和重要信息。

1.2 生物靈感變體技術(shù)未來的挑戰(zhàn)

無人飛行器生物靈感變形的主要挑戰(zhàn)包含：理解和量化生物系統(tǒng)的性能優(yōu)勢(shì)、開發(fā)借鑒自然界設(shè)計(jì)的材料和結(jié)構(gòu)。科學(xué)家和工程師們要生物學(xué)家和動(dòng)物學(xué)家緊密合作，了解在自然界中飛行的那些特征。例如，在自然界系統(tǒng)中，翅膀產(chǎn)生飛行所需的升力，但不是所有翅膀特征都與飛行相關(guān)。只有通過跨學(xué)科工作才能使科學(xué)家和工程師發(fā)現(xiàn)自然界飛行物的理想飛行性能特征。

2 智能材料

智能材料的構(gòu)想來源于仿生，它的目標(biāo)就是想研制出一種材料，使它成為具有類似于生物的各種功能的“活”的材料，是一種能同時(shí)充當(dāng)驅(qū)動(dòng)元件和傳感元件的特殊材料。它能完成溫度、電流、磁場(chǎng)變化和機(jī)械變形之間的相互作用，將其應(yīng)用到翼面結(jié)構(gòu)上，主要是用來實(shí)現(xiàn)翼面形狀的改變。現(xiàn)在研制出很多類別的智能材料，其中有一些特別適用于航空航天飛行器的結(jié)構(gòu)變形。控制電流是最簡(jiǎn)單的、重量最輕的一種通過熱量驅(qū)動(dòng)的主動(dòng)變形智能材料。

2.1 壓電材料

壓電材料是一種同時(shí)兼具正逆電機(jī)械耦合特性的功能材料，具有優(yōu)良的頻率特性和可集成特性。可以根據(jù)設(shè)計(jì)者的意圖調(diào)整結(jié)構(gòu)的阻尼與自振頻率等動(dòng)力學(xué)特征，同時(shí)還可對(duì)結(jié)構(gòu)的位移、應(yīng)變、應(yīng)力、加速度和破壞情況進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)。

壓電材料通常被當(dāng)作驅(qū)動(dòng)元件來使用，將它們安裝在結(jié)構(gòu)內(nèi)或粘貼在結(jié)構(gòu)表面，無數(shù)個(gè)小驅(qū)動(dòng)元件一起使用，要比大型的驅(qū)動(dòng)裝置有效的多，而且體積小、重量輕。

2.2 形狀記憶合金（SMAs）

形狀記憶合金是一種很有前途的智能材料，跟大多數(shù)智能材料相比，形狀記憶合金的驅(qū)動(dòng)能量密度要高的多，并且它具有相對(duì)較高的應(yīng)變和應(yīng)力。形狀記憶合金是一種具有獨(dú)特形狀記憶效應(yīng)的金屬合金：首先將形狀記憶合金在高溫下定形后冷卻至低溫，然后對(duì)材料加載至發(fā)生塑性變形后卸載，使它存在殘存應(yīng)變，如果再加熱到一定溫度以上，材料又將恢復(fù)到未變形前的形狀。利用這個(gè)效應(yīng)，將形狀記憶合金埋入基體結(jié)構(gòu)內(nèi)，通過激勵(lì)形狀記憶合金，就可以使結(jié)構(gòu)具有智能特性。

3 自適應(yīng)機(jī)翼

為了滿足高性能飛行器研制需求，自適應(yīng)機(jī)翼技術(shù)作為一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)將發(fā)揮其在改善飛機(jī)飛行性能方面的重要作用。自適應(yīng)機(jī)翼具有翼型自適應(yīng)能力，根據(jù)不同的飛行條件改變機(jī)翼形狀參數(shù)，如機(jī)翼的弦高、翼展方向的彎曲和機(jī)翼厚度，采用最優(yōu)方式，提高飛行器的機(jī)動(dòng)性和載荷能力，抑制氣動(dòng)噪聲與振動(dòng)，并能改善雷達(dá)探測(cè)的散射截面從而有利于飛行器的隱身。

結(jié)語

隨著各種航空新技術(shù)的發(fā)展以及人們對(duì)飛機(jī)性能的不斷追求，在飛行中能夠改變形狀成為了可能。通過自適應(yīng)地優(yōu)化機(jī)翼的大小、形狀或者結(jié)構(gòu)，使機(jī)翼具有不同的氣動(dòng)特性，可以提高飛機(jī)在不同飛行條件下的性能。變形研究項(xiàng)目在不久的將來會(huì)徹底改變飛機(jī)制造和運(yùn)營(yíng)的成本，變體無人飛行器也將廣泛的應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。

[1]Sofla， A.Y.N.， Elzey， D.M.， and Wadley， H.N.G ， Two-way antagonistic actuation based on the one-way shape memory effect， Journal of Intelligent Material Systems and Structures， doi：10.1177/1045389X07083026， 2008.

[2]R.W. Wlezien， G.C. Homer， A.R.McGowan， S.L. Padula， M.A. Scott，R.J. Silcox and J.O. Simpson， “The Aircraft Morphing Program”， AIAA-98-1927，Nasa-Langley Research Center， MS493 ,1998.