結構功能一體化技術在航空領域的應用

張莎莎

關鍵詞 航空結構 多功能結構電池 智能蒙皮 自愈合

1引言

傳統的飛行器按分系統的功能（如結構、旋翼、飛控、動力等）各自獨立設計、制造和試驗，最后經由總裝等環節構成整機。由于各系統研制的框架限制，飛行器的整體性能難以大幅度地提高。結構功能一體化技術將結構功能與非結構功能相結合，突破了傳統單一結構的功能限制，使傳統承力結構兼具能量采集或存儲、噪聲與振動控制、結構健康監測、熱隔離、自修復等功能，將大大提高飛行器系統的整體性。同時，將不同功能的子系統與結構集成后，可以減小整個系統的重量和體積，提高系統的整體效率，這也有望為強調高度隱身、超狀態感知、高商載大航程的新一代飛行器提供更多的技術方案。

2多功能結構電池

隨著世界各國航空產業的不斷發展，天空污染問題逐漸引起人們的重視。以太陽能、電能、熱能或機械能等作為動力系統雖然可以有效減少燃油消耗和碳排放，但是會使飛行器的承載能力降低。將結構與能量采集或存儲系統相結合制備的多功能結構電池可以減輕系統總體重量，近年來國內外眾多學者對其開展了深入研究。

美國弗吉尼亞工業與州立大學的智能材料系統與結構中心[1] 在一款小型的遠程操控“EasyGlider”無人滑翔機上集成驗證了太陽能電池板（采集太陽能）、壓電結構（吸收機翼振動和剛體運動能量）的功能，如圖1 所示。根據試飛結果發現，能量采集系統能夠支撐飛行器主要電源的工作，其中壓電結構能夠充滿4.6mJ 內置電容器的70%。

美國馬里蘭大學[2] 研制了全球第一款采用柔性太陽能電池板供電的撲翼機，將太陽能電池板集成到了機翼結構中，如圖2 所示。研究人員對比了傳統的仿生機翼結構、集成12 個電池模塊的機翼、集成22個電池模塊的機翼，結果表明電池模塊雖然會使結構增重，但其能夠被撲翼機提供的升力所克服。

除上述將太陽能電池板與結構集成一體的方式，研究人員還通過將鋰電池與結構集成一體來增加結構的功能性。美國DARPA[3] 研制的“胡蜂”無人機取消了傳統的電池組，采用了與機翼層合的結構電池，增加了續航，如圖3 所示。

河南工業大學的研究人員[4] 將儲能電芯和超薄碳纖維復合材料相復合，制備了儲能、承載一體化的結構儲能碳纖維復合材料，并測試了空載和受載條件下的電化學性能。將儲能結構集成在無人機機翼上，與集成太陽能電池的無人機相比，重量減少了約20%。

英國帝國理工大學與Volvo 公司合作[5] ，成功將CAG 改性碳纖維電極應用于制備汽車尾箱蓋，其不僅能為汽車LED 燈提供電源，還實現了60%的減重目標，首次實現了儲能結構的工程化應用。

3智能蒙皮

智能蒙皮這一技術構想是在20 世紀80 年代由美國空軍提出，其原理是通過在裝備的外殼中嵌入天線、微處理控制系統和驅動元件等智能結構，使其具有監視、隱身和自適應等功能。目前，國內外學者關于智能蒙皮比較成熟的研究主要集中在智能蒙皮天線方向。

智能蒙皮天線主要由封裝功能層、射頻功能層以及控制與信號處理功能層三個功能結構組成[6] 。封裝功能層的主要功能是承載、防護以及系統散熱;射頻功能層的主要功能是識別、分析和判斷;控制與信號處理功能層的主要功能是感知、處理與控制信號。智能蒙皮天線采用高密度集成設計技術和結構功能一體化成形制造技術，無須在蒙皮上開孔安裝天線，可以在飛行器設計制造期間將天線與機體結構高度集成。智能蒙皮天線技術涉及機械、電磁、信號處理和自動控制等多學科、多方面，因此高性能的智能蒙皮天線技術包含復合材料技術、結構集成強度分析技術、垂直互聯技術、智能控制、熱設計技術、結構集成強度分析、電性能分析等方面。

Cheng Huang 等人[7] 提出了一種具有寬帶低雷達散射截面（RCS）頻率可重構天線，如圖4 所示。該天線由縫隙耦合微帶貼片及兩層超結構組成。頂層超結構集成了部分反射面（PRS）及吸波表面，底層結構由可調節反射相位單元組成。入射波主要被頂層超結構吸收，而工作頻率由底層的控制反射相位單元實現動態調節。實驗結果表明，采用該結構后，天線增益提高了7dB，工作頻率可在9.05 ～10GHz 動態調整。天線RCS 在7～14GHz 的寬頻帶范圍內縮減。與以往的低RCS 天線相比，該天線具有明顯的優勢，即可以在降低RCS的帶寬范圍內主動調節天線的工作頻率。

胡建強[8] 設計并制備了一種新型的柔性共形天線。其采用聚酰亞胺薄膜為基體，設計了口徑耦合微帶天線的單元結構、2×8 陣列結構和相應的饋電網絡，如圖5 所示。與傳統的天線相比，該天線的相對帶寬高達15%，性能遠高于普通微帶天線。

李剛等[9] 基于直升機機載雷達面臨的問題，提出了一種基于瓦片式數字陣列天線和后端通用處理機的直升機智能蒙皮雷達設計方案。在不影響直升機氣動特性的情況下，通過與機身蒙皮的一體化設計，由后端多功能中心機控制，實現大口徑、波束自適應、多功能雷達功能。

智能蒙皮天線技術是一項新興技術。盡管該技術目前仍有很多技術難點在探索中，但未來在通信、導航、電子戰等方面具有十分廣闊的應用前景。

4自修復與自愈合

聚合物復合材料在使用過程中不可避免地會產生分層、脫膠、表面氧化等損傷，會影響結構性能和設備運行，甚至造成材料失效和嚴重事故。因此，如果能在材料早期出現微裂紋時及時察覺并修復，對于提高材料利用率、提升結構整體安全性具有重要意義。

自愈合材料的概念早在20 世紀80 年代由美國軍方提出，它可以利用材料的自我感知能力對微裂紋自行診斷，進而修復微裂紋，及時修復材料的損傷，具有延長材料使用壽命、提高結構安全性能的優勢。2001 年，White 等科學家[10] 的相關研究引起了科學界的廣泛關注，并成為近年的研究熱點。

自愈合聚合物按照愈合模式可以分為本征型自愈合和填埋式自愈合兩種體系。本征型自愈合聚合物可以在無須外界修復介質的條件下發生自主愈合，通過可逆非共價鍵或可逆共價鍵的斷裂和重新連接來實現。其中，可逆非共價鍵的斷裂包括氫鍵[11] 、金屬?聚合物配位鍵[12] 、離子鍵[13] 、π?π 堆疊作用[14]等;可逆共價鍵包括亞胺鍵、雙硫鍵[15] 、Diels?Alder反應[16] 等。其原理是制備含有特定化學鍵結合的基體，該種化學鍵受破壞后可以在特定的條件下發生化學反應或物理作用，借此達到材料自愈合的目的。該愈合體系的愈合效果通常較好且具有多次愈合的能力，但是對基體材料種類有嚴格的要求，而且需要有光、熱、機械力等的變化，才能發生自愈合。因此，普通復合材料無法通過此類方式發生自愈合，從而限制了本征形自愈合聚合物的廣泛應用。

填埋式自愈合聚合物通過在聚合物機體中填埋修復劑，使材料受到損傷后能自主釋放并擴散至整個裂紋，使裂紋黏合。該類自愈合聚合物對基體本身的化學結構要求不高，因此在普通復合材料中可以廣泛應用。但填埋式自愈合聚合物由于加入了額外的愈合介質，會導致材料的強度降低。目前，關于填埋式自愈合聚合物的研究集中在中空纖維[17] 、微膠囊[18] 、微管通道[19] 等愈合形式。空纖維型自愈合聚合物將愈合介質存儲在中空纖維中，通過纖維斷裂釋放愈合介質的方法達到自愈合的目的。微膠囊型自愈合聚合物的基本愈合機理與中空纖維型類似，區別在于結構不同。微膠囊的結構是一種具有聚合物殼壁結構的微型容器，被包覆的物質稱為芯材，包覆芯材的物質稱為壁材。當聚合物產生微裂紋時，產生的應力導致微膠囊破裂而釋放愈合介質，進而修復基材。微管通道自愈合聚合物的原理與上述體系一致，即都是利用破裂過程釋放的愈合介質達到自愈合修復的目的。其特點在于可以實現愈合介質的自主調配，愈合介質會由含量多的通道自發擴散到含量少的通道，實現多次修復。

目前，自愈合聚合物的研究處于高速發展階段。但相關研究仍停留在實驗室階段，想要實現工程化應用，還需解決很多問題，如合成步驟復雜，對工藝條件要求較高;提高自愈合材料性能的同時會導致其力學性能下降;材料價格昂貴，不利于工程化應用等，還需研究學者們共同努力解決相關問題。

5總結