变体飞机关键技术进展综述_姚彦龙.pdf

第43 卷第1期2023 年2 月飞机设计AICAFT DESIGNVol 43 No 1Feb2023收稿日期:2022 04 19;修订日期:2022 11 22作者简介:姚彦龙(1981)男，高级工程师，硕士引用格式:姚彦龙，尤明，张安坤，等 变体飞机关键技术进展综述 J 飞机设计，2023，43(1):11 17 YAO Yanlong，YOU Ming，ZHANGAnkun，et al eview on Key Technologies Progress of the Morphing Aircraft J Aircraft Design，2023，43(1):11 17文章编号:1673 4599(2023)01 0011 07doi:1019555/j cnki1673 4599202301003变体飞机关键技术进展综述姚彦龙1，尤明1，张安坤1，朱俊杰2(1 沈阳飞机设计研究所，辽宁 沈阳110035)(2 沈阳飞机设计研究所 扬州协同创新研究院有限公司，江苏 扬州225000)摘要:阐述了变体飞机发展动机、发展过程及最新研究现状，主要介绍了国外主要变体飞机方案的变体模式、研究进展和应用情况。在此基础上重点介绍了可变前/后掠翼、可变弦长机翼、可变展长机翼、可变弧度机翼等方案的实现原理、研究情况、研究难点和应用情况。围绕变体飞机涉及的总体综合设计、气动布局仿真与试验、智能结构与材料、传感器与驱动器、自适应变循环推进系统、飞行控制和变体可靠性监测等核心关键技术进行了重点分析，并对研究难点和研究进展进行了阐述。关键词:变体飞机;关键技术;变体模式;研究进展中图分类号:V271文献标识码:Aeview on Key Technologies Progress of the Morphing AircraftYAO Yanlong1，YOU Ming1，ZHANG Ankun1，ZHU Junjie2(1.Shenyang Aircraft Design esearch Institute，Shenyang110035，China)(2.Yangzhou CII，Shenyang Aircraft Design esearch Institute，Yangzhou225000，China)Abstract:In this paper，the development motivation and process and latest research status of mor-phing aircraft are described，and the morphing modes，research progress and application of main mor-phing aircrafts abroad are introduced Secondly，the realization principle，research status and difficul-ties and application of variable schemes such as forward/backward swept wing，variable chord lengthwing，variable extension wing and variable radian wing are introduced Finally，the key technologiessuch as overall design，aerodynamic layout simulation and test，intelligent structure and material，sen-sors and actuators，adaptive variable cycle propulsion system，flight control and morphing reliabilitymonitoring are analyzed，and the research difficulties and progress are discussedKey words:morphing aircraft;key technology;morphing modes;research progress鸟类是变体飞行能力最好的飞行器，它可以按滑翔、盘旋、攻击等需要改变翅膀形状和扭转角度，根据飞行需要始终保持最优飞行状态。使飞机像鸟一样自由飞翔一直是飞机设计师的追求1。但由于科技水平的限制，在传统的飞机设计中，飞机的外形和结构无论在地面上还是在空中通常都是固定的2。按照这种理念设计出来的飞机，只能确保几个典型设计点的性能指标，对于非设计点的性能只能进行折衷。当飞行状态(如速度、高度等)的变化较大、偏离设计点时，飞行性能下降得相当厉害，从而造成单一机型所能执行的任务功能相对固定，机动性和灵活性都受到很大的限制3。20 世纪 90 年代，随着复合材料、记忆合金、微电子、压电作动机械技术的发展，美欧等国开始研究适应所有飞行状态的可连续光顺变几何形状的飞机，即所谓变体飞机。该概念是将新型智能材料、新型作动器、激励器和传感器，无缝综合应用到飞机上的一种新的设计概念。变体飞机是一种柔性的具有结构自适应能力的飞行器，其机翼由智能材料构成，通过应用灵敏的传感器和作动器，光滑而持续地改变机翼的几何形状，包括机翼面积、展长、翼型等，对不断改变的飞行环境和飞行条件做出响应，使飞机始终保持最佳的性能，执行多种形式的作战任务4。机翼几何外形的改变不仅可以提升机翼性能，而且可以通过取消襟翼等传统控制面降低气动噪声。1主要变体方案由于机翼是决定飞机性能的主要因素，所以变体飞机主要通过机翼变形来实现，一般可以分为变前/后掠、变弦长、变翼展、变弯度等不同的种类5 8。下文给出了国外主要开展的变体飞机研究项目，从中可以看出国外一直在进行变体技术的探索研究，有些已经开展了飞行试验和飞机型号应用9。(1)翘曲机翼(WW)1903 年莱特兄弟设计的飞机首飞，首次采用翘曲机翼，利用机翼翘曲的方式改善横侧向控制能力。(2)翼尖折叠飞机机翼翼尖与主翼通过铰链连接，采用液压作动实现翼尖折叠。1964 年，XB-70 首飞，翼尖偏转 25 65，增强飞行稳定性。(3)变后掠翼外翼在机械力作用下绕转轴前后掠动，后掠角一般 20 75，提高高低速的气动效率;主要应用于 B-1B、Tu-22M、F-111、F-14和 MIG-23 等战机。(4)可变进气道DAPA、NASA 及海军研究办公室合作探索，通过智能材料和结构技术，改善飞机进气道在多任务环境下的使用效率，在 F-15E 飞机上进行飞行试验。(5)主动柔性机翼(AFW)主要开展柔性机翼和主动气动弹性机翼研究。1985 年，NASA与 ockwell 合作开展，2003 年在 F/A-18A 飞机上验证。(6)扭转自适应机翼系统(TAWS)机翼内部为驱动器，外部为固定结构的扭力管，通过扭力驱动器驱动机翼发生扭转。上世纪90 年代，AFL与诺斯罗普格鲁曼公司开始合作研究扭转自适应机翼系统。(7)智能机翼项目(SW)开发智能材料技术和验证作动系统，改善军用飞机气动和弹性性能;1995 年 DAPA 开展机翼项目研究工作。(8)柔性变体项目2001 年，NASA 提出新型柔性变体飞机概念，采用自适应材料与结构、微小主动流动控制和生物启发技术。(9)变形飞机结构(MAS)2003 年 DAPA与洛克希德马丁公司合作柔性折叠翼方案;2003 年 DAPA 与新一代技术公司合作滑动蒙皮机翼方案;2003 年 DAPA 与雷锡恩导弹系统公司合作伸缩机翼方案。(10)斜置翼(OFW)飞机左右机翼为一个整体，机翼中心通过枢轴与机身相连，飞行过程中机翼可绕枢轴转动。主要应用案例有德国的 BVP 202 和 Me P 1101，NASA 研制的 OWA 和AD-1 斜掠翼技术验证机，诺斯罗普格鲁曼公司的 X 飞机。从典型变体方案优缺点方面看，变前掠/变后掠方案优点是对气动焦点、临界马赫数影响较大，主要影响气动效率;缺点是铰接结构复杂、质量代价大。变弦长方案优点是模式固定，主要通过襟翼和副翼方式进行;缺点是机构复杂，难度较大。变翼展方案优点是机翼参考面积变化大，浸润面积变化大，对飞机升限和速度影响大;缺点是变形机构承受较大动态载荷，对强度和刚度要求高。变弧度方案优点是主要影响翼型气动效率、零升迎角和气流分离等;缺点是对智能蒙皮光滑连续性和蒙皮强度要求高。斜置翼方案优点是左右两侧机翼连成一体，简化机翼与机身连接机构，与可变后掠翼布局相比，斜掠翼飞行器的结构设计相对简单，超声速飞行时产生的音爆比常规布局的超声速飞机小;缺点是气动控制困难，气动弹性变形大，飞发一体设计困难。1.1可变前/后掠机翼方案该类型机翼方案通过改变机翼前掠角或/和后掠角来实现飞机布局形式的变化。低速时，为提高起降特性和低速巡航性能，改变掠角采用大展弦比构型提高气动效率;高速时，为减小阻力提高21飞机设计第43 卷机动性，改变掠角采用小展弦比构型提高作战效率。与固定掠角机翼相比，可变前/后掠机翼飞机气动特性更好，飞行性能更优，作战效能更高，实现高低速构型任务的兼容。典型的变前掠机翼变体飞机方案10 如图 1 所示，变后掠机翼变体飞机方案11 如图 2 所示，柔性变体飞机概念12 如图 3所示。图 1变前掠机翼方案图 2变后掠机翼方案(后掠角 0 40)图 3柔性变体飞机概念1.2可变弦长机翼方案可变弦长机翼方案是通过某种作动机构可使飞机机翼弦长产生伸缩变化。变形的主要方式是襟翼和副翼、可变弹性模量的智能形状记忆聚合物及微电机驱动穿插型翼肋等实现，例如民航飞机利用襟翼和副翼改变机翼弦长是非常成熟的方案。对于采用可变弹性模量智能形状记忆合金变弦长方案，因形状记忆合金聚合物性能稳定性差而尚未应用，仅停留在方案阶段13，另外一种穿插型翼肋，对微电机作动要求极高，也处于概念阶段，如图4 所示。可以说，变弦长方案难度较大，国内外研究偏少，变体模式相对成熟和固定。图 4可变弦长机翼方案1.3可变展长机翼方案可变展长机翼方案一般又分为伸缩机翼方案和折叠机翼方案 2 种。典型伸缩机翼方案如图 5所示，机翼可以沿着展长方向根据任务需求进行伸缩变化。美国国防预研局(DAPA)提出了变形飞机结构(MAS)研制计划，MAS 计划的目的是为军用飞机开发新一代技术。通过采用变形部件提高飞机的多用途能力，其近期研制重点是低、跨声速变体机翼技术，远期目标是要研制出一种比全球鹰续航能力更强、比 F/A-22 机动性更高的变体飞行器。参与 MAS 项目的有 3 家主承包商:洛克希德马丁公司、新一代航空技术公司和雷锡恩导弹系统公司。他们分别提出了各自的设计方案:折叠机翼、滑动蒙皮机翼和伸缩机翼(如图6 所示)。洛克希德马丁公司的折叠机翼方案主要是使机翼可绕数个与机体纵向平行的轴进行折叠，内外翼段能够大范围变化上反角与下反角。折叠机翼方案经过了2 轮试飞失败，主要问题是机载自主式飞行控制软件无法及时响应变形过程的非定常气动力，目前正在针对稳定性和控制系统方面进行改进。新一代航空技术公司针对滑动蒙皮机翼方案进行了研究，飞行过程中要求在机翼弦平面内进行变体，机翼前缘长度不变，后缘在数个锯齿位置有伸缩动作。滑动蒙皮机翼在整个变体过程中伴随着机翼面积、机翼平面形状与前后缘后掠角的变化，以满足起降、低速巡航和高速机动等不同飞行要求。目前正处于柔性蒙皮技术开31第1 期姚彦龙等:变体飞机关键技术进展综述发和 50%缩比尺寸验证机试飞测试阶段。雷锡恩导弹系统公司的伸缩机翼方案，旨在研究变体技术在战斧式巡航导弹上的应用可行性。伸缩机翼通过在机翼内安放展开和收缩的作动机构来实现机翼展长和弦长的变化，从而改变翼面积和展弦比。该方案的主要问题是战斧式巡航导弹机翼很薄、翼载很大，而作动机构难以实现小型化，无法安装在薄机翼中，因此方案最终被弃用，但是所提出的变体思想，对变体飞行器的发展