变体机翼结构关键技术研究

发布时间：2020-07-12 23:29

【摘要】：机翼是飞机飞行过程中最为重要的部件,需要应对包括起飞、着陆、巡航、机动、爬升等多种飞行任务。此外,飞行过程中还会经历较大的重量变化、飞行高度变化、飞行速度变化以及飞行环境的变化。但是,在飞机设计过程中,机翼外形是一系列可能的飞行条件下的折衷方案,对于多数飞行状态来说都不是最优的设计。变体飞行器能够显著提升飞机在整个飞行包线内的气动特性,并进一步拓展其多任务飞行能力,是解决这一问题的主要方向之一。长期以来,为了减少设计折衷,使飞机能够根据飞行状态自发的调整机翼形状,飞机研究、设计人员对于如何在飞行期间改变机翼几何外形(变体机翼)的技术关注颇多。早期的变体机翼解决方案往往需要付出成本、复杂性或重量方面的代价。随着技术的进步,先进结构设计技术和智能材料的最新发展有助于克服传统变体技术的局限性,并提高现有解决方案的总体收益。本文主要以自适应机翼变弯度后缘设计为目标,围绕大变形蒙皮设计、基于分布式柔顺概念的变弯度后缘结构设计与优化、基于形状记忆合金的主动激波控制鼓包等内容进行研究。主要研究内容和创新点包括:1、大变形柔性蒙皮设计研究:以变体机翼蒙皮设计为目标,研究了纤维增强弹性体蒙皮的设计、制备方法。根据非线性变形体动力学理论,给出了大变形柔性蒙皮的适用条件,即蒙皮内张力不能为压力。针对变弯度后缘结构,设计了具有一维单向大变形能力的0泊松比蒙皮。采用增量关系对蒙皮非线性力学特性进行分析,建立了柔性蒙皮的力学模型,并通过试验对模型进行验证。结果表明,蒙皮变形量50%,具有良好的单向拉伸变形的性能。针对柔性剪切变形机翼,提出一种用于剪切变形机翼的柔性蒙皮设计,通过集成粗纤维增强层、可变形二维栅格结构,完成了具备剪切变形能力的柔性蒙皮设计。剪切变形蒙皮实验研究表明,采用粗纤维增强工艺,大幅提升了蒙皮的承载能力。与无纤维增强蒙皮相比,承载能力提高了60%,同时对蒙皮变形驱动力影响可以忽略。2、用于变弯度后缘的驱动器及驱动模式研究:以变弯度后缘为目标,分析了包括压电泵直线驱动器、双程形状记忆合金丝、双程形状记忆合金条带在内的智能材料/结构驱动器。通过实验测试,确定了上述智能材料/结构驱动器的输出特性,明确了应用场景。压电泵直线驱动器、双程形状记忆合金丝驱动器可用于后缘变弯度驱动,双程形状记忆合金条带可与变弯度后缘结合用于流动控制。在此基础上,分析了不同种类飞行器翼载荷大小。根据翼载荷的不同,提出了适用于不同翼载荷的驱动模式。3、面向低翼载飞机的主动柔性后缘技术研究:针对低翼载飞行器,提出了一种基于“分布式柔顺”设计概念的主动柔顺后缘结构设计。主动柔性后缘利用分布式柔顺概念设计,机翼蒙皮采用高强度玻璃纤维层合板。上翼面蒙皮和下翼蒙皮经由直线运动副连接,通过上、下翼面蒙皮之间的相对滑动,实现后缘连续变形。利用伪刚体模型对变弯度后缘进行简化,并使用简化模型建立了后缘结构优化设计平台。通过优化结构布局,大幅降低了后缘结构内部受力,提高了系统可靠性。在此基础上,对采用多滑轮组驱动方案的后缘结构气动承载能力进行优化,根据优化结果搭建了实验测试平台,结果表明多滑轮组驱动方案具有较高的承载能力,可满足低翼载(100)机翼的需求。4、面向高翼载飞机的主动柔性后缘技术研究:为了提高超临界翼在不同任务条件下的气动性能,提出了一种可实现后缘连续变弯度的自适应机翼变弯度后缘设计:主动柔性后缘(Active Compliant Trailing Edge,ACTE),并进行了结构有限元仿真和CFD仿真计算分析,验证了设计方案的可行性。主动柔性后缘采用了分布式柔顺机构设计思路,利用传统的玻璃纤维复合材料作为蒙皮材料,通过多段式翼肋实现了后缘弯度的连续变形。CFD仿真分析结果表明,通过改变机翼后缘的偏转位移、偏转模式可以优化不同任务状态下翼型的气动特性。在速度小于阻力发散马赫数时(Ma=0.6),应用主动柔性后缘后,最大升阻比提高了7.96%,同时改善了高升力系数下的气动特性。在阻力发散马赫数附近,主动柔性后缘改善了高升力系数状态下的升阻特性,最大升阻比提高不明显。5、自适应激波控制鼓包用于改善高亚音速状态下变弯度后缘气动特性的研究:在阻力发散马赫数附近,主动柔性后缘(ACTE)偏转会诱发强激波,带来额外的激波阻力,使气动收益降低。为了弱化激波,提出了基于双程形状记忆合金的自适应激波控制鼓包(ASCB)概念,SMA鼓包能够根据温度调节自身构型,对不同流场状态下的激波进行控制。通过集成NURBS曲线建模和CFD仿真模块搭建了ACTE-ASCB仿真优化平台,对不同后缘偏转状态下的鼓包构型优化。研究结果表明合适的鼓包构型可以有效弱化激波强度,减小波阻,提高ACTE的气动收益,提高最大升阻比,改善高升力状态下的升阻特性。与只使用主动柔性后缘的机翼变体模式相比,增加ASCB后,最大升阻比提高了约5.4%。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V224
【图文】：

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变体机翼骨架是变体系统的主体，在满足机翼变形要求的同，又要集成蒙皮、驱动、传感系统。驱动器。驱动系统需集成在结构骨架中，具有一定结构性功能，所有的（典型的襟翼、副翼均是如此），并且完全继承在变体结构之中。形蒙皮。蒙皮系统也是一种具有特定骨架结构功能的部件，需要同时满由于蒙皮在机翼变形过程中需要面对较高的应变，以确保整个系统的顺在变形方向上具有较小的弹性模量以减少驱动力负载，在其他方向具有动载荷。系统。与驱动系统相似，传感系统也需要与机翼骨架、蒙皮完全集成。测量变形机翼中的多项参数，如位移、应变等。通过多传感器数据分析系统。变形控制器通过集成来自传感器网络的信息，对变形驱动器的输及多个驱动器的控制，因此变体机翼控制系统是典型的多输入多输出的题研究内容，在下一节，以飞行器变形尺度为框架，就变体飞行器技术究现状进行梳理。

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图 1.3Avion III 折叠翼变体飞行器，189大量实验得到的翼型、螺旋桨浆叶相比901 年成功设计出实用、简单的固定翼飞飞行者号通过一种简单的变体形式“机曲、扭转时，两侧机翼升力会不对称，图 1.4 飞行者一号n 推出了 Farman III 飞机。这是第一种利计，铰链副翼气动效率更高同时结构更铰链结构代替早期的柔性结构。

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终[4]。图 1.3Avion III 折叠翼变体飞行器，1897过大量实验得到的翼型、螺旋桨浆叶相比，1901 年成功设计出实用、简单的固定翼飞。飞行者号通过一种简单的变体形式“机翼翘曲、扭转时，两侧机翼升力会不对称，从

【参考文献】