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1、智能飛行器技術(shù),邱志平 教授,報告內(nèi)容,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,智能變體飛行器發(fā)展需求與歷史 智能變體飛行器研究方法 已開展的工作介紹 結(jié)論,人類的飛行世紀(jì),School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,1903年萊特兄弟“飛行者一號”,1942年 第一架噴氣飛機(jī)Me-262,1952年第一架噴氣客機(jī)“彗星”,第一架商業(yè)成功運(yùn)營客機(jī)波音707,前五十年走進(jìn)噴氣時代,人類的飛行世紀(jì),School of

2、 Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,后五十年大型化、高速化,最大的客機(jī)-A380，2005年,最快的客機(jī)-“協(xié)和”，1969年,最大的飛機(jī)-An225，載重250t,無人機(jī)，2003年,人類的飛行世紀(jì),School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,新一代作戰(zhàn)飛行器高隱身性能、高機(jī)動性,美國F-22，1990年首飛,美國F-35，2006年首飛,俄羅斯T-50，2010年首飛,中國J-20，2011年首飛,人類的飛行世紀(jì),Scho

3、ol of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,未來的發(fā)展？,X43高超聲速飛行器,X45無人攻擊機(jī),SAI-SAX40靜音飛行器,X50新概念飛行器,NASA的構(gòu)想,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,捕食者 偵察、攻擊,全球鷹 長航時偵察,X45 攻擊、高隱身能力,智能變體飛行器,任務(wù)自適應(yīng)、 提高飛行性能,智能變體飛行器的概念,School of Aeronautical Science and Engineeri

4、ng, Beihang University,智能變體飛行器的概念,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,智能變體飛行器的概念,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,變體飛行器發(fā)展歷史-鳥類的啟示,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,起飛,翱翔,低空飛行,減速飛行,著陸,轉(zhuǎn)向,School of Aerona

5、utical Science and Engineering, Beihang University,變體飛行器發(fā)展歷史,可收放式起落架,增升裝置,變后掠翼,可變傾角機(jī)頭,傾轉(zhuǎn)旋翼,推力矢量噴口,剛性變體形式,變體飛行器發(fā)展歷史,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,AFTI/F111驗證機(jī),BAC 1-11試驗機(jī)與自適應(yīng)機(jī)翼剖面,柔性變體形式-任務(wù)自適應(yīng)機(jī)翼,變體飛行器發(fā)展歷史,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang Univ

6、ersity,柔性變體形式-主動氣動彈性機(jī)翼,變體飛行器發(fā)展歷史,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,柔性變體形式-NASA蘭利的方案,變體飛行器發(fā)展歷史,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,柔性變體形式-變體飛行器結(jié)構(gòu)（MAS）,NextGen 滑動蒙皮方案,Lockhead Martin 旋轉(zhuǎn)/折疊機(jī)翼方案,智能變體飛行器的概念,變體飛行器的涵義： NASA:“變體”（Morphing）=高效、多

7、點(diǎn)適應(yīng)性。 高效（與傳統(tǒng)飛行器相比）：結(jié)構(gòu)更簡單、重量效率更高、能量效率更高、容積效率更高； 多點(diǎn)：多種任務(wù)剖面； 適應(yīng)性：功能擴(kuò)展及在多種飛行條件下保持最優(yōu)性能。 DARPA和AFRL:“變體”=狀態(tài)可變。 NATO：“變體”=實時自適應(yīng)以在多種飛行條件下保持性能最優(yōu)。,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,智能變體飛行器的概念,“智能變體飛行器”將新型智能材料、新型作動器、激勵器、傳感器無縫隙地綜合應(yīng)用到飛行器的機(jī)翼上，通過應(yīng)用靈敏的傳感器和作動器，對不斷改變的飛行條件做出響應(yīng)，光滑而持續(xù)地改變

8、機(jī)翼的形狀，使飛行器始終保持最佳的性能和執(zhí)行多種形式的作戰(zhàn)任務(wù)。 通過智能變體技術(shù)，可實現(xiàn)： 提高飛行品質(zhì)，擴(kuò)展飛行包線； 代替常規(guī)控制面，提高飛行控制性能和隱身能力； 減小阻力，增加航程； 減小振動影響，實現(xiàn)顫振主動控制。,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,智能變體飛行器研究方法,學(xué)科研究方法 - 材料/結(jié)構(gòu) - 流體力學(xué) - 控制 - 氣動彈性 ,變體飛行器

9、研究方法,系統(tǒng)研究方法 - 任務(wù)需求分析 - 概念設(shè)計方法 - 多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化,智能結(jié)構(gòu)力學(xué) 流場控制 智能控制 多場耦合分析 多尺度分析 ,智能變體飛行器研究方法,任務(wù)需求分析： 需要解決的問題：為什么要使用變體飛行器技術(shù)？何時使用？ 并不是在所有的情況下使用變體飛行器技術(shù)都是最高效的。,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,重量 費(fèi)用,性能,Trade-off,智能變體飛行器研究方法,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang

10、University,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,智能變體飛行器研究方法-概念設(shè)計,Buckle-Wing concept,Flexible multi-body concept,Variable gull-wing concept,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,智能變體飛行器研究方法-概念設(shè)計,Telescoping-Wing concept,Swing Wing concept,Af

11、t sweeping Wing concept,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,智能變體飛行器研究方法-MDO,智能變體飛行器的構(gòu)想主要來源于仿生，精髓是集成，即知識集成、技術(shù)集成、結(jié)構(gòu)集成、系統(tǒng)集成。 智能變體飛行器研制中涉及的主要問題包括變形體空氣動力學(xué)、微流體力學(xué)、智能流動控制等,對發(fā)動機(jī)推進(jìn)、新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝、控制技術(shù)、測量技術(shù)、電子設(shè)備、新型高效能源技術(shù)等方面也提出了更高的要求和新的挑戰(zhàn)。 為了使基于智能結(jié)構(gòu)的飛行器的性能達(dá)到最優(yōu)，針對智能結(jié)構(gòu)的對傳感器和驅(qū)動器的位置、控制器參

12、數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)、翼形變化的規(guī)律進(jìn)行多學(xué)科綜合優(yōu)化設(shè)計的方法展開研究。,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,智能變體飛行器研究方法-MDO,總體參數(shù)優(yōu)化,多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化,序列優(yōu)化設(shè)計,目標(biāo),目標(biāo),總體參數(shù)優(yōu)化 包含多個學(xué)科 分析模型簡單 適用范圍有限 在一臺計算機(jī)上,序列優(yōu)化設(shè)計 分析模型的精度較高 串行模式，周期長 自動化程度低 難于獲得整體最優(yōu)解,多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化 包含多個學(xué)科，整體最優(yōu) 采用高精度的分析模型 適用于新概念飛行器 分布式計算模式,飛行器MDO是飛行器傳統(tǒng)優(yōu)化方法的新發(fā)展,School

13、 of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,智能變體飛行器研究方法-MDO,非線性CFD/CSD優(yōu)化流程圖,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,智能變體飛行器研究方法-MDO,氣動/結(jié)構(gòu)/動力學(xué)耦合分析 Jamshid A. Samareh等，2007,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,智能變體飛行器研究方法,需求： 大尺

14、度變形； 輕質(zhì)； 高強(qiáng)度比； 高效驅(qū)動器 ,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,變形機(jī)構(gòu),變后掠翼飛機(jī)使用的樞軸機(jī)構(gòu)依然有應(yīng)用前景,傳動機(jī)構(gòu)是實現(xiàn)機(jī)翼伸展和折疊變形的關(guān)鍵,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,自適應(yīng)結(jié)構(gòu),主動桁架結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)機(jī)翼平面變形的關(guān)鍵,各種改變翼肋形狀的結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)翼型和機(jī)翼彎度的改變,School of Aeronautical Science and Engineering,

15、 Beihang University,多功能材料,壓電材料特點(diǎn)： 貼片形式 小應(yīng)變 快速響應(yīng) 結(jié)構(gòu)完整性,壓電陶瓷材料改變機(jī)翼形狀,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,多功能材料,形狀記憶合金特點(diǎn) 大應(yīng)變 低速響應(yīng) 熱激勵,形狀記憶合金驅(qū)動器改變機(jī)翼剖面形狀,形狀記憶合金發(fā)動機(jī)罩后緣：降噪、降低熱輻射,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,多功能材料,形狀記憶聚合物 多穩(wěn)態(tài)材料 電/磁流變液材料 超磁

16、致伸縮材料 ,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,智能蒙皮,智能蒙皮是在飛行器蒙皮中植入傳感元件、驅(qū)動元件和微處理控制系統(tǒng)，從而實現(xiàn)流體邊界層控制等功能。 智能蒙皮通過控制把邊界層維持層流狀態(tài)，或者對湍流進(jìn)行控制，大大減小飛行器飛行中的阻力，延遲在機(jī)翼的空氣流動分離，從而提高飛行器性能，減小燃料的消耗。,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,智能蒙皮,通過各種新型的智能材料實現(xiàn)蒙皮的自適應(yīng)性,柔性蜂窩蒙

17、皮 （零/負(fù)剛度、泊松比材料）,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,智能驅(qū)動器,由于變形飛行器需要在高速飛行下在很短的時間 內(nèi)完成機(jī)翼形狀的改變，因此需要高效、輕質(zhì)、高可靠性的新型驅(qū)動器來完成飛行器外形的改變。同時，驅(qū)動器的布置，即如何實現(xiàn)均勻傳送載荷的分布式驅(qū)動器系統(tǒng)也是研究的重點(diǎn)。,機(jī)翼折疊,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,智能驅(qū)動器,真正的變形飛行器是新型變形機(jī)構(gòu)、自適應(yīng)結(jié)構(gòu)、智能材料、智能

18、驅(qū)動器無縫地綜合應(yīng)用與飛行器的一種新的設(shè)計理念。,洛馬公司MAS方案通過高效壓電驅(qū)動器、轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)、可伸展蒙皮實現(xiàn),School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,智能驅(qū)動器,新一代公司MAS方案通過分布式驅(qū)動器、主動桁架結(jié)構(gòu)、可滑動蒙皮實現(xiàn),School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,智能變體飛行器研究方法-流場控制,機(jī)翼后緣自適應(yīng)結(jié)構(gòu)可以代替鉸鏈連接的傳統(tǒng)控制面，實現(xiàn)流場控制，改善后緣氣流特性，降低噪聲，改善隱身性能，

19、提高操縱品質(zhì)。,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,智能變體飛行器研究方法-多體動力學(xué)分析,可變形結(jié)構(gòu)多場耦合的非線性力學(xué)與控制的建模與仿真，實現(xiàn)更高精度和柔性的動態(tài)變形過程控制建模與仿真。 - Brian Sanders等，2006年,智能變體飛行器研究方法-控制系統(tǒng),School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,外形控制,飛行控制,機(jī)械動力學(xué)系統(tǒng)的建模、簡化與控制； 智能結(jié)構(gòu)的精確動態(tài)形狀控制； 共享信道的

20、大規(guī)模分布式系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制； 非線性氣動彈性與主動變形耦合系統(tǒng)的控制； 變體飛行器的多體系統(tǒng)建模與簡化； 變體飛行器飛行控制技術(shù)。,關(guān)鍵技術(shù)：,未來大型飛機(jī)應(yīng)用,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,起落架收起,起落架放下,主要噪聲源：起落架、增升裝置、離散操縱面等,離散操縱面,連續(xù)操縱面,降噪,未來大型飛機(jī)應(yīng)用,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,智能變體技術(shù),提高燃油效率，減少廢棄物排放,以上數(shù)據(jù)基

21、于空客A340-Wolfgang Schneider, EADS Airbus,開展的工作,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,開展的工作,任務(wù)需求分析： 變后掠翼：在不同飛行速度下保持最優(yōu)氣動外形； 可伸縮機(jī)翼：改變機(jī)翼面積、改變展弦比獲得最優(yōu)氣動外形，不對稱伸縮可實現(xiàn)滾轉(zhuǎn)控制。 在已有的技術(shù)上重新設(shè)計機(jī)構(gòu)、減輕機(jī)構(gòu)重量。,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,不同氣動布局下的最大升阻比,開展的工作,

22、School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,試飛模型,外翼和可伸縮內(nèi)翼,變形機(jī)構(gòu),開展的工作,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,CATIA數(shù)字樣機(jī)模型,開展的工作,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,地面變形,開展的工作,School of Aeronautical Science and Engineerin

23、g, Beihang University,試飛現(xiàn)場空中變形,總結(jié),智能變體飛行器有諸多優(yōu)勢： 擴(kuò)充飛行包線，適應(yīng)多任務(wù)模式 替換操縱面，改善飛行性能和隱身能力 減小阻力，增大航程 減振，實現(xiàn)顫振主動控制 智能變體飛行器的研究方法主要從兩方面出發(fā)： 系統(tǒng)分析方法 各學(xué)科分析方法 變體飛行器并不是在所有的情況下都是最好的選擇，必須對飛行器的任務(wù)需求做好分析；,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,總結(jié),集成、耦合是變體飛行器技術(shù)的主要特點(diǎn)； 材料/結(jié)構(gòu)依然是制約變體飛行器發(fā)展的主要因素； 各學(xué)科都將面臨新的挑戰(zhàn)：使用非常規(guī)設(shè)計方法提高飛行器的效率； 智能飛行器技術(shù)將大大推動飛行器設(shè)計技術(shù)的的發(fā)展。,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,Thank You !,