智能飞行器技术

智能飞行器技术邱志平教授报告内容SchoolofAeronauticalScienceandEngineering,BeihangUniversity智能变体飞行器发展需求与历史智能变体飞行器研究方法已开展的工作介绍结论人类的飞行世纪SchoolofAeronauticalScienceandEngineering,BeihangUniversity1903年莱特兄弟“飞行者一号”1942年第一架喷气飞机Me-2621952年第一架喷气客机“彗星”第一架商业成功运营客机波音707前五十年——走进喷气时代人类的飞行世纪SchoolofAeronauticalScienceandEngineering,BeihangUniversity后五十年——大型化、高速化最大的客机-A380，2005年最快的客机-“协和”，1969年最大的飞机-An225，载重250t无人机，2003年人类的飞行世纪SchoolofAeronauticalScienceandEngineering,BeihangUniversity新一代作战飞行器——高隐身性能、高机动性美国F-22，1990年首飞美国F-35，2006年首飞俄罗斯T-50，2010年首飞中国J-20，2011年首飞人类的飞行世纪SchoolofAeronauticalScienceandEngineering,BeihangUniversity未来的发展？X43——高超声速飞行器X45——无人攻击机SAI-SAX40——静音飞行器X50——新概念飞行器NASA的构想SchoolofAeronauticalScienceandEngineering,BeihangUniversity捕食者–侦察、攻击全球鹰–长航时侦察X45–攻击、高隐身能力智能变体飞行器任务自适应、提高飞行性能智能变体飞行器的概念SchoolofAeronauticalScienceandEngineering,BeihangUniversity智能变体飞行器的概念SchoolofAeronauticalScienceandEngineering,BeihangUniversity智能变体飞行器的概念SchoolofAeronauticalScienceandEngineering,BeihangUniversity变体飞行器发展历史-鸟类的启示SchoolofAeronauticalScienceandEngineering,BeihangUniversity起飞翱翔低空飞行减速飞行着陆转向SchoolofAeronauticalScienceandEngineering,BeihangUniversity变体飞行器发展历史可收放式起落架增升装置变后掠翼可变倾角机头倾转旋翼推力矢量喷口刚性变体形式变体飞行器发展历史SchoolofAeronauticalScienceandEngineering,BeihangUniversityAFTI/F111验证机BAC1-11试验机与自适应机翼剖面柔性变体形式-任务自适应机翼变体飞行器发展历史SchoolofAeronauticalScienceandEngineering,BeihangUniversity柔性变体形式-主动气动弹性机翼变体飞行器发展历史SchoolofAeronauticalScienceandEngineering,BeihangUniversity柔性变体形式-NASA兰利的方案变体飞行器发展历史SchoolofAeronauticalScienceandEngineering,BeihangUniversity柔性变体形式-变体飞行器结构（MAS）NextGen–滑动蒙皮方案LockheadMartin–旋转/折叠机翼方案智能变体飞行器的概念变体飞行器的涵义：NASA:“变体”（Morphing）=高效、多点适应性。•高效（与传统飞行器相比）：结构更简单、重量效率更高、能量效率更高、容积效率更高；•多点：多种任务剖面；•适应性：功能扩展及在多种飞行条件下保持最优性能。DARPA和AFRL:“变体”=状态可变。NATO：“变体”=实时自适应以在多种飞行条件下保持性能最优。SchoolofAeronauticalScienceandEngineering,BeihangUniversity智能变体飞行器的概念“智能变体飞行器”将新型智能材料、新型作动器、激励器、传感器无缝隙地综合应用到飞行器的机翼上，通过应用灵敏的传感器和作动器，对不断改变的飞行条件做出响应，光滑而持续地改变机翼的形状，使飞行器始终保持最佳的性能和执行多种形式的作战任务。通过智能变体技术，可实现：提高飞行品质，扩展飞行包线；代替常规控制面，提高飞行控制性能和隐身能力；减小阻力，增加航程；减小振动影响，实现颤振主动控制。SchoolofAeronauticalScienceandEngineering,BeihangUniversitySchoolofAeronauticalScienceandEngineering,BeihangUniversity智能变体飞行器研究方法学科研究方法-材料/结构-流体力学-控制-气动弹性……变体飞行器研究方法系统研究方法-任务需求分析-概念设计方法-多学科设计优化智能结构力学流场控制智能控制多场耦合分析多尺度分析……智能变体飞行器研究方法任务需求分析：需要解决的问题：为什么要使用变体飞行器技术？何时使用？并不是在所有的情况下使用变体飞行器技术都是最高效的。SchoolofAeronauticalScienceandEngineering,BeihangUniversity重量费用性能Trade-off智能变体飞行器研究方法SchoolofAeronauticalScienceandEngineering,BeihangUniversitySchoolofAeronauticalScienceandEngineering,BeihangUniversity智能变体飞行器研究方法-概念设计Buckle-WingconceptFlexiblemulti-bodyconceptVariablegull-wingconceptSchoolofAeronauticalScienceandEngineering,BeihangUniversity智能变体飞行器研究方法-概念设计Telescoping-WingconceptSwingWingconceptAftsweepingWingconceptSchoolofAeronauticalScienceandEngineering,BeihangUniversity智能变体飞行器研究方法-MDO智能变体飞行器的构想主要来源于仿生，精髓是集成，即知识集成、技术集成、结构集成、系统集成。智能变体飞行器研制中涉及的主要问题包括变形体空气动力学、微流体力学、智能流动控制等,对发动机推进、新材料、新结构、新工艺、控制技术、测量技术、电子设备、新型高效能源技术等方面也提出了更高的要求和新的挑战。为了使基于智能结构的飞行器的性能达到最优，针对智能结构的对传感器和驱动器的位置、控制器参数、结构参数、翼形变化的规律进行多学科综合优化设计的方法展开研究。SchoolofAeronauticalScienceandEngineering,BeihangUniversity智能变体飞行器研究方法-MDO总体参数优化多学科设计优化序列优化设计目标目标总体参数优化包含多个学科分析模型简单适用范围有限在一台计算机上序列优化设计分析模型的精度较高串行模式，周期长自动化程度低难于获得整体最优解多学科设计优化包含多个学科，整体最优采用高精度的分析模型适用于新概念飞行器分布式计算模式飞行器MDO是飞行器传统优化方法的新发展SchoolofAeronauticalScienceandEngineering,BeihangUniversity智能变体飞行器研究方法-MDO非线性CFD/CSD优化流程图SchoolofAeronauticalScienceandEngineering,BeihangUniversity智能变体飞行器研究方法-MDO气动/结构/动力学耦合分析JamshidA.Samareh等，2007SchoolofAeronauticalScienceandEngineering,BeihangUniversity智能变体飞行器研究方法结构/材料BECDA变形机构自适应结构多功能材料智能驱动器智能蒙皮需求：大尺度变形；轻质；高强度比；高效驱动器……SchoolofAeronauticalScienceandEngineering,BeihangUniversity变形机构变后掠翼飞机使用的枢轴机构依然有应用前景传动机构是实现机翼伸展和折叠变形的关键SchoolofAeronauticalScienceandEngineering,BeihangUniversity自适应结构主动桁架结构是实现机翼平面变形的关键各种改变翼肋形状的结构可以实现翼型和机翼弯度的改变SchoolofAeronauticalScienceandEngineering,BeihangUniversity多功能材料压电材料特点：贴片形式小应变快速响应结构完整性压电陶瓷材料改变机翼形状SchoolofAeronauticalScienceandEngineering,BeihangUniversity多功能材料形状记忆合金特点大应变低速响应热激励形状记忆合金驱动器改变机翼剖面形状形状记忆合金发动机罩后缘：降噪、降低热辐射SchoolofAeronauticalScienceandEngineering,BeihangUniversity多功能材料形状记忆聚合物多稳态材料电/磁流变液材料超磁致伸缩材料……SchoolofAeronauticalScienceandEngineering,BeihangUniversity智能蒙皮智能蒙皮是在飞行器蒙皮中植入传感元件、驱动元件和微处理控制系统，从而实现流体边界层控制等功能。智能蒙皮通过控制把边界层维持层流状态，或者对湍流进行控制，大大减小飞行器飞行中的阻力，延迟在机翼的空气流动分离，从而提高飞行器性能，减小燃料的消耗。SchoolofAeronauticalScienceandEngineering,BeihangUniversity智能蒙皮通过各种新型的智能材料实现蒙皮的自适应性柔性蜂窝蒙皮（零/负刚度、泊松比材料）SchoolofAeronauticalScienceandEngineering,BeihangUniversity智能驱动器由于变形飞行器需要在高速飞行下在很短的时间内完成机翼形状的改变，因此需要高效、轻质、高可靠性的新型驱动器来完成飞行器外形的改变。同时，驱动器的布置，即如何实现均匀传送载荷的分布式驱动器系统也是研究的重点。机翼折叠压电驱动器SchoolofAeronauticalScienceandEngineering,BeihangUniversity智能驱动器真正的变形飞行器是新型变形机构、自适应结构、智能材料、智能驱动器无缝地综合应用与飞行器的一种新的设计理念。洛马公司MAS方案通过高效压电驱动器、转动机构、可伸展蒙皮实现SchoolofAeronauticalScienceandEngineering,BeihangUniversity智能驱动器新一代公司MAS方案通过分布式驱动器、主动桁架结构、可滑动蒙皮实现SchoolofAeronauticalScienceandEngineering,BeihangUniversity智能变体飞行器研究方法-流场控制机翼后缘自适应结构可以代替铰链连接的传统控制面，实现流场控制，改善后缘气流特性，降低噪声，改善隐身性能，提高操纵品质