智能材料和结构在变体飞行器上的应用现状与前景展望_冷劲松

图 １ 执 行 不 同 飞 行 任 务 时 不 同 飞 行 器 的 性 能 比 较［１９］ Ｆｉｇ．１ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ａｉｒｃｒａｆｔ ｕｎｄｅｒ ｖａｒｉｏｕｓ
ｍｉｓｓｉｏｎｓ［１９］
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目前机翼变形 方 式 主 要 包 括 折 叠 变 形、变 后 掠 角 、变 展 弦 比 、扭 转 变 形 、变 机 翼 弯 度 、变 翼 型 厚 度 、翼 尖 变 形 等 ，智 能 材 料 和 结 构 还 在 仿 生 扑 翼 微
冷 劲 松 等 ：智 能 材 料 和 结 构 在 变 体 飞 行 器 上 的 应 用 现 状 与 前 景 展 望
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状记忆聚合物无缝蒙皮既可以在弹性体状态随机 翼折叠变形 （伸 长 变 形 可 达 ２００％），又 可 以 在 刚 性 聚 合 物 状 态 承 受 气 动 载 荷 ，并 保 持 光 滑 连 续 ，保 证机翼良好的气动性能。该实验通过镍镉合金丝 加热，但 是 经 过 多 次 循 环 变 形 后，镍 镉 合 金 丝 折 断，导致形状 记 忆 聚 合 物 无 缝 蒙 皮 不 能 变 形。 因 此，在洛克希德·马丁公司后续 Ｍａ＝０．９的风洞 实验中并没有采用此种 蒙 皮［２２］，而 是 采 用 了 弹 性 蒙皮作为替代。但是该公司将进一步进行形状记 忆聚合物快速加 热 方 面 的 研 究，以 期 待 其 能 在 无 缝蒙皮中应用。
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特约
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智能材料和结构在变体飞行器上的应用 现状与前景展望
冷劲松１，＊ ，孙健１，刘彦菊２
１．哈尔滨工业大学 航天学院 复合材料与结构研究所，哈尔滨 黑龙江 １５００８０ ２．哈尔滨工业大学 航天学院 航天科学与力学系，哈尔滨 黑龙江 １５０００１
摘 要：变体飞行器可以根据不同的飞行条件改变自身形状以获得最优的气动性能，大 大 提 高 飞 行 器 的 综 合 性 能 ，是 未 来飞行器发展的重要方向之一。新型智能材料和结构具有驱动、变形、承载、传感等特点，为变体飞行器的 设 计 提 供 了 新 的技术途径。本文根据不同可变形机翼结构分类，详细阐述了智能材料和结构在自适应结构、智能驱动器 和 变 形 蒙 皮 等 方面的研究现状。变体飞行器的实现亟需解决变形／承载一体化蒙皮技术、轻质大输出力驱动器技术和自 适 应 结 构 技 术 等 关 键 技 术 ，本 文 还 对 智 能 材 料 和 结 构 未 来 在 变 体 飞 行 器 上 的 应 用 前 景 进 行 了 展 望 。
图 ２ 折 叠 机 翼 方 案［２０］ Ｆｉｇ．２ Ｃｏｎｃｅｐｔ ｏｆ ｆｏｌｄｉｎｇ ｗｉｎｇ ｍｏｒｐｈｉｎｇ ａｉｒｃｒａｆｔ［２０］
洛克希德·马丁公司提出应用一种新型智能 材料 形 状 记 忆 聚 合 物 （Ｓｈａｐｅ Ｍｅｍｏｒｙ Ｐｏｌｙｍｅｒ， ＳＭＰ）研 制 折 叠 翼 无 缝 蒙 皮 （如 图 ３、图 ４ 所 示）［２０］。通过热 刺 激，形 状 记 忆 聚 合 物 可 以 实 现 由刚性聚合物向 弹 性 体 的 转 变，此 时 可 以 改 变 聚 合 物 的 形 状 ，撤 去 热 刺 激 后 ，可 以 恢 复 到 刚 性 聚 合 物，并 保 持 此 状 态，当 再 受 到 热 刺 激 时，形 状 记 忆 聚合物会自动回复到 初 始 形 态 。 ［２１］ 可 以 看 出，形
航 空 学 报 Ａｃｔａ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃａ ｅｔ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃａ Ｓｉｎｉｃａ ｈｔｔｐ：／／ｈｋｘｂ．ｂｕａａ．ｅｄｕ．ｃｎ ｈｋｘｂ＠ｂｕａａ．ｅｄｕ．ｃｎ
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航 空 学 报
Ｊａｎ．２５ ２０１４Ｖｏｌ．３５Ｎｏ．１
构来实现，智能材 料 和 结 构 的 出 现 满 足 了 变 体 飞 行器的需求。２０ 世 纪 ９０ 年 代 开 始，美 国 等 发 达 国 家 开 展 了 智 能 机 翼 （Ｓｍａｒｔ Ｗｉｎｇ）、变 形 飞 行 器 结构（ＭＡＳ）等 一 系 列 研 究 计 划 对 智 能 材 料 和 结 构在变体飞行器 上 的 应 用 进 行 了 研 究，并 完 成 了 原理性验证。 目 前，智 能 材 料 和 结 构 在 变 体 飞 行 器上的应用还处 于 起 步 阶 段，在 小 型 风 洞 模 型 和 微小型飞行器上 进 行 了 初 步 实 验 研 究，验 证 了 其 在局部变形上应用的可行性。基于智能材料和结 构 的 驱 动 器 、可 变 形 蒙 皮 、自 适 应 结 构 等 智 能 可 变 形技术是未来变体飞行器发展的关键技术之 一 ，具 ［１５－１８］ 有广泛的应用前景 。
型飞行器、智能直 升 机 旋 翼 和 发 动 机 等 方 面 有 所 应用。本文将介绍在不同变形形式的飞行器中智 能材料和结构的应用情况。
１．１ 折 叠 机 翼
折叠机翼可以 大 幅 度 改 变 机 翼 的 翼 面 积、展 弦比、后 掠 角 等 参 数，使 飞 行 器 能 适 应 更 广 的 速 域 ，在 高 速 和 低 速 飞 行 时 都 具 有 最 佳 的 飞 行 性 能 。 折叠机翼主要面 临 着 两 个 关 键 技 术，一 个 是 无 缝 蒙皮技术，即如何 使 机 翼 在 折 叠 变 形 过 程 中 保 持 光 滑 连 续 ，保 证 良 好 的 气 动 性 能 ；另 一 个 关 键 技 术 是驱动器技术，驱 动 器 既 要 保 证 足 够 大 的 驱 动 力 同 时 还 要 重 量 轻 ，达 到 减 重 的 目 的 。
关 键 词 ：飞 行 器 材 料 ；智 能 材 料 和 结 构 ；变 体 飞 行 器 ；自 适 应 结 构 ；驱 动 器 ；变 形 蒙 皮
中 图 分 类 号 ：Ｖ２５９；ＴＢ３８１ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１０００－６８９３（２０１４）０１－００２９－１７
智 能 材 料 和 结 构 （Ｓｍａｒｔ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ）一 般 是 指 以 最 佳 条 件 响 应 外 界 环 境 变 化 ，且 按 这 种 变 化 显 示 自 己 功 能 的 材 料 ，具 有 自 感 知、自诊断、自驱动、自修复等能力［１］，具有多 功 能 性和感受 环 境 变 化 （或 刺 激）响 应 。 ［２］ 压 电 材 料、 形状 记 忆 合 金、形 状 记 忆 聚 合 物、电 致 活 性 聚 合 物 、磁 致 伸 缩 材 料 、电 流 变 材 料 、磁 流 变 材 料 、光 纤 传感器等都可以归为智能材料和结构。智能材料 和 结 构 具 有 轻 质 、高 能 量 密 度 、自 驱 动 、大 变 形 、良 好 的 传 感 特 性 、自 修 复 等 性 能 ，由 于 其 具 有 独 特 性 质 ，已 被 广 泛 应 用 于 航 空 航 天 、土 木 工 程 、医 学 、仿 生机器人等 领 域。 近 年 来，智 能 材 料 和 结 构 在 变 体飞 行 器 方 面 的 应 用，更 是 引 起 了 特 别 的 关 注［３－８］。
在美 国 国 防 部 高 级 研 究 计 划 局 （ＤＡＲＰＡ） “变体飞行器结构（ＭＡＳ）”计 划 的 支 持 下，美 国 洛 克希 德 · 马 丁 公 司 （Ｌｏｃｋｈｅｅｄ Ｍａｒｔｉｎ Ｃｏｒｐｏｒａ－ ｔｉｏｎ）提出了一种折叠翼变体飞行 器 方 案［２０］，如 图 ２所示，该飞行器机翼可以折叠 １３０°，展开状态与 折叠状态相比，有效 后 掠 角 减 小 ３０°，机 翼 面 积 增 大１８０％，机翼展长增 加 ７０％，升 阻 比 增 加 ５２％。 洛克希德·马丁公司在进行此项研究过程中提出 了 几 项 关 键 技 术 ，分 别 为 无 缝 蒙 皮 技 术 、智 能 驱 动 器技术和飞行控制技术。
收 稿 日 期 ：２０１２－１２－０７；退 修 日 期 ：２０１２－１２－２８；录 用 日 期 ：２０１３－０５－１３；网 络 出 版 时 间 ：２０１３－０６－１９ １１：２５ 网 络 出 版 地 址 ：ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／１１．１９２９．Ｖ．２０１３０６１９．１１２５．００１．ｈｔｍｌ 基 金 项 目 ：国 家 自 然 科 学 基 金 （９０９１６０１１）
图 ３ 形 状 记 忆 聚 合 物 蒙 皮 方 案Ｉ［２０］ Ｆｉｇ．３ ＳＭＰ ｓｋｉｎ ｃｏｎｃｅｐｔ Ｉ［２０］
图 ４ 形 状 记 忆 聚 合 物 蒙 皮 方 案 Ⅱ［２０］ Ｆｉｇ．４ ＳＭＰ ｓｋｉｎ ｃｏｎｃｅｐｔ Ⅱ ［２０］
在洛克希德·马丁公司折叠翼飞行器设计 中还 提 出 了 采 用 压 电 驱 动 器 （Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ａｃｔｕ－ ａｔｏｒｓ）用 于 驱 动 机 翼 前 缘 变 形 。 ［２０］ 压 电 驱 动 器 在 电 压 驱 动 下 可 以 产 生 变 形 ，具 有 高 输 出 力 、高 速 率 、大 输 出 位 移 、安 装 简 单 等 特 点 ，减 少 设 计 成 本 和 时 间 ，同 时 也 减 少 飞 行 器 维 护 费 用 。 由 于 技 术 尚 未 成 熟 ，所 以 在 该 公 司 的 风 洞 实 验 中 并 没 有 使 用 压 电 驱 动 器 ，但 是 此 压 电 驱 动 器 为 未 来 轻 质 、大 驱 动 力 、精 确 控 制 驱 动 装 置 提 供 了 基础。