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1、智能飛行器技術,邱志平 教授,報告內容,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 結論,人類的飛行世紀,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Me-262,1952年第一架噴氣客機“彗星”,第一架商業(yè)成功運營客機波音707,前五十年走進噴氣時代,人類的飛行世紀,School of

2、 Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,后五十年大型化、高速化,最大的客機-A380，2005年,最快的客機-“協(xié)和”，1969年,最大的飛機-An225，載重250t,無人機，2003年,人類的飛行世紀,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,新一代作戰(zhàn)飛行器高隱身性能、高機動性,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,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,SAI-SAX40靜音飛行器,X50新概念飛行器,NASA的構想,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,任務自適應、 提高飛行性能,智能變體飛行器的概念,School of Aeronautical Science and Engin

4、eering, 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,轉向,School of Ae

5、ronautical 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,可變傾角機頭,傾轉旋翼,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,BAC 1-11試驗機與自適應機翼剖面,柔性變體形式-任務自適應機翼,變體飛行器發(fā)展歷史,School of Aeronautical Science and Engineering, Beiha

6、ng University,柔性變體形式-主動氣動彈性機翼,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-變體飛行器結構（MAS）,NextGen 滑動蒙皮方案,Lockhead Martin 旋轉/折疊機翼方案,智能變體飛行器的概念,變體飛行器的涵義： NASA:“變體”（Morphin

7、g）=高效、多點適應性。 高效（與傳統(tǒng)飛行器相比）：結構更簡單、重量效率更高、能量效率更高、容積效率更高； 多點：多種任務剖面； 適應性：功能擴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用到飛行器的機翼上，通過應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，光

8、滑而持續(xù)地改變機翼的形狀，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。 通過智能變體技術，可實現： 提高飛行品質，擴展飛行包線； 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,,,學科研究方法 - 材料/結構 - 流體力學 - 控制 - 氣動彈

9、性 ,,,,變體飛行器 研究方法,系統(tǒng)研究方法 - 任務需求分析 - 概念設計方法 - 多學科設計優(yōu)化,,智能結構力學 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,任務需求分析： 需要解決的問題：為什么要使用變體飛行器技術？何時使用？ 并不是在所有的情況下使用變體飛行器技術都是最高效的。,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,重量 費用,,,性能,,Trade-off,智能變體飛行器研究方法,School of Aeronautical Science and Engin

10、eering, Beihang University,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,智能變體飛行器研究方法-概念設計,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-概念設計,Telescoping-Wing concept,Swing

11、 Wing concept,Aft 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想主要來源于仿生，精髓是集成，即知識集成、技術集成、結構集成、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、微流體力學、智能流動控制等,對發(fā)動機推進、新材料、新結構、新工藝、控制技術、測量技術、電子設備、新型高效能源技術等方面也提出了更高的要求和新的挑戰(zhàn)。 為了使基于智能結構的飛行器的性能達到最優(yōu)，針對智能結構的

12、對傳感器和驅動器的位置、控制器參數、結構參數、翼形變化的規(guī)律進行多學科綜合優(yōu)化設計的方法展開研究。,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,智能變體飛行器研究方法-MDO,總體參數優(yōu)化,多學科設計優(yōu)化,序列優(yōu)化設計,目標,目標,總體參數優(yōu)化 包含多個學科 分析模型簡單 適用范圍有限 在一臺計算機上,序列優(yōu)化設計 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,多學科設計優(yōu)化 包含多個學科，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

13、行器傳統(tǒng)優(yōu)化方法的新發(fā)展,School 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/結構/動力學耦合分析 Jamshid A. Samareh等，2007,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang Univ

14、ersity,智能變體飛行器研究方法,需求： 大尺度變形； 輕質； 高強度比； 高效驅動器 ,,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,變形機構,變后掠翼飛機使用的樞軸機構依然有應用前景,傳動機構是實現機翼伸展和折疊變形的關鍵,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,自適應結構,,主動桁架結構是實現機翼平面變形的關鍵,各種改變翼肋形狀的結構可以實現翼型和機翼彎度的改變,School of Aeronautic

15、al Science and Engineering, Beihang University,多功能材料,壓電材料特點： 貼片形式 小應變 快速響應 結構完整性,壓電陶瓷材料改變機翼形狀,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,多功能材料,形狀記憶合金特點 大應變 低速響應 熱激勵,形狀記憶合金驅動器改變機翼剖面形狀,形狀記憶合金發(fā)動機罩后緣：降噪、降低熱輻射,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,多功能材

16、料,形狀記憶聚合物 多穩(wěn)態(tài)材料 電/磁流變液材料 超磁致伸縮材料 ,,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、驅動元件和微處理控制系統(tǒng)，從而實現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)，或者對湍流進行控制，大大減小飛行器飛行中的阻力，延遲在機翼的空氣流動分離，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

17、皮,通過各種新型的智能材料實現蒙皮的自適應性,柔性蜂窩蒙皮 （零/負剛度、泊松比材料）,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,智能驅動器,由于變形飛行器需要在高速飛行下在很短的時間 內完成機翼形狀的改變，因此需要高效、輕質、高可靠性的新型驅動器來完成飛行器外形的改變。同時，驅動器的布置，即如何實現均勻傳送載荷的分布式驅動器系統(tǒng)也是研究的重點。,機翼折疊,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,智能驅動器,真

18、正的變形飛行器是新型變形機構、自適應結構、智能材料、智能驅動器無縫地綜合應用與飛行器的一種新的設計理念。,洛馬公司MAS方案通過高效壓電驅動器、轉動機構、可伸展蒙皮實現,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,智能驅動器,,,新一代公司MAS方案通過分布式驅動器、主動桁架結構、可滑動蒙皮實現,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,智能變體飛行器研究方法-流場控制,機翼后緣自適應結構可以代替鉸鏈連接的傳統(tǒng)控制

19、面，實現流場控制，改善后緣氣流特性，降低噪聲，改善隱身性能，提高操縱品質。,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,智能變體飛行器研究方法-多體動力學分析,可變形結構多場耦合的非線性力學與控制的建模與仿真，實現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,機械動力學系統(tǒng)

20、的建模、簡化與控制； 智能結構的精確動態(tài)形狀控制； 共享信道的大規(guī)模分布式系統(tǒng)的協(xié)調控制； 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。,關鍵技術：,未來大型飛機應用,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,未來大型飛機應用,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang Univers

21、ity,智能變體技術,,提高燃油效率，減少廢棄物排放,以上數據基于空客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； 可伸縮機翼：改變機翼面積、改變展弦比獲得最優(yōu)氣動外形，不對稱伸縮可實現滾轉控制。 在已有的技術上重新設計機構、減輕機構重量。,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang

22、 University,不同氣動布局下的最大升阻比,開展的工作,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,試飛模型,外翼和可伸縮內翼,變形機構,開展的工作,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,CATIA數字樣機模型,開展的工作,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,地面變形,開展的工作,School of Aer

23、onautical Science and Engineering, Beihang University,試飛現場空中變形,總結,智能變體飛行器有諸多優(yōu)勢： 擴充飛行包線，適應多任務模式 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需求做好分析；,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,總結,集成、耦合是變體飛行器技術的主要特點； 材料/結構依然是制約變體飛行器發(fā)展的主要因素； 各學科都將面臨新的挑戰(zhàn)：使用非常規(guī)設計方法提高飛行器的效率； 智能飛行器技術將大大推動飛行器設計技術的的發(fā)展。,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,Thank You !,