飞行器在机电一体化的发展趋势

飞行器在机电一体化的发展趋势飞行器在机电一体化的发展趋势•机电一体化的组成•机电一体化技术实用于飞行器中的类型•典型的机电一体化在飞行器中的运用——吸气式高超声速飞行器•发展趋势机电一体化的组成•机械技术•计算机与信息技术•系统技术•自动控制技术•传感检测技术机电一体化技术实用于飞行器中的类型•飞行器分类：航空器、航天器、火箭和导弹。•飞行器定义：在地球大气层中和太空飞行的器械的总称。航空器•在大气层内飞行的飞行器称为航空器,如气球、滑翔机、飞艇、飞机、直升机等。它们靠空气的静浮力或空气相对运动产生的空气动力升空飞行。航天器•在空间飞行的飞行器称为航天器,如人造卫星、载人飞船、空间探测器、航天飞机等。它们在运载火箭的推动下获得必要的速度进入太空,然后在引力作用下完成轨道运动。火箭•火箭是以火箭发动机为动力的飞行器,可以在大气层内,也可以在大气层外飞行。导弹•导弹是装有战斗部分的可控制的火箭,有主要在大气层外飞行的弹道导弹和装有翼面在大气层内飞行的地空导弹、巡航导弹等。典型的机电一体化在飞行器中的运用——吸气式高超声速飞行器•超燃冲压发动机技术•一体化设计技术•材料与结构技术•高超声速空气动力/热力学超燃冲压发动机技术•吸气式推进系统无疑是实现高超声速飞行的首要关键技术,不同种类的高超声速飞行器需要采用不同的推进系统,而目前各国发展高超声速技术主要选用的推进系统是超燃冲压发动机,超燃冲压发动机的主要特点是实现燃料在超声速内流中的稳定燃烧。由于高超声速空气流过飞行器体内的滞留时间很短,通常只有几毫秒,要想在这样短的时间内将其压缩、增压,并与燃料在超声速流动状态迅速、均匀稳定地完成低损失、高效率混合和燃烧是十分困难的。因此要求对发动机尺寸、形状、燃料种类、喷注器设计、燃烧机理等多方面的因素进行综合性理论和试验研究。•超燃冲压发动机的另一个技术困难,是飞行器必须达到一定的速度才能启动(双模态超燃冲压发动机也是如此),因此需要固体火箭发动机来完成助推段的接力飞行。对于高超声速飞机、跨大气层飞机和空天飞机而言,如何实现固体火箭与超燃冲压发动机的一体化是一个很大的难题,对于高超声速巡航导弹而言,由于其尺寸和起飞质量受到限制,加装固体火箭发动机会给导弹的总体设计带来很大困难。超燃冲压发动机技术一体化设计技术•吸气式高超声速飞行器要跨越亚声速、声速、超声速三个阶段,才能进入高超声速,飞行速度的范围很宽,同时飞行器要从稠密大气层冲向稀薄大气层,其空气密度变化也很大,由此给飞行器的设计带来了很大困难,必须采取全面的一体化设计技术。其中飞行器机体和推进系统的一体化设计已成为最后确立整机性能的最关键的问题,高超声速飞行器的飞行速度越高、范围越宽,这个问题越是突出。对于高超声速巡航导弹,导弹弹体与超燃冲压发动机一体化设计的难点主要表现在两方面:一是导弹外形尺寸、发射质量的选择不仅与气动结构，隐身设计一体化有关,而且将受到其发射平台的发射环境和运载能力的制约;二是超燃冲压发动机的推进性能必须与导弹其他分系统(如制导系统、战斗部分等)在性能要求上兼容。•其他的一体化设计技术还包括:①气动设计一体化,不仅要考虑减小阻力、增加升力,还要考虑气动加热、热防护;②结构设计一体化,特别是热结构;③燃料供应与冷却系统设计一体化;④飞行器各子系统及各主要设计参数的动态与静态一体化设计;⑤发动机推力控制与飞行器飞行控制一体化设计等。对于高超声速巡航导弹,还应包括发动机、气动外形和结构的一体化隐身设计技术。一体化设计技术材料与结构技术•当飞行器以高超声速在大气中飞行时,气动加热非常严重。当飞行速度达到8马赫时,飞行器的头锥部位温度可达1800℃,其他部位的温度也将在600℃以上。因此,长寿命、耐高温、抗腐蚀、高强度、低密度的结构材料对于研制高超声速飞行器(尤其是重复使用的高超声速飞机和空天飞机)是非常关键的。如果在材料与结构技术方面不能取得突破,那么就连高超声速飞行器的飞行试验样机都无法制造出来。美国X一43高超声速验证飞行器的头部采用钨,机翼前缘和垂直安定面采用碳-碳复合材料,机翼采用哈氏钴铬钨镍合金,而且飞行器的外表面覆盖有耐热陶瓷瓦。高超声速空气动力/热力学•确定飞行器上的气动力/热载荷对于高超声速飞行器的设计是非常重要的,因为高超声速飞行器通常要求尽可能地减轻结构重量(这一点对于空天飞机尤其重要),因此,高超声速空气动力/热力学对于发展高超声速飞行器技术是非常关键的。当飞行器以高超声速飞行时,会产生很强的激波,激波与附面层之间产生相互干扰,在高超声速气流驻点附近产生极高的温度,能使附近的气体分解和电离,形成相当复杂的混合气体,使得高超声速气流的研究成为非常复杂的问题。另外一个难题是,现有的风洞设备还不能较好地模拟高超声速飞行环境,而计算流体力学和飞行试验也都存在着很大的局限性,因此必须一体化地综合运用这三种设计工具。发展趋势•从现在来看当前机电一体化技术是显然满足不了未来发展的需要的,然而正在被拓影而出的是光机电液一体化技术。我们需要引进其它技术,如利用光学技术的先天特点,有效地改进机电一体化系统的传感系统、能源系统和信息处理系统。使其可以满足使用的需要。这个显然不是一个简单的工作，还需要人们去克服很多的繁琐而又复杂的问题。所有对于机电一体化技术的发展前景还是很光明很宽广的,飞行器的进一步发展还需要机电一体化技术有更大的突破。谢谢！