未來變體無人飛行器的關鍵技術

張曉丹 郝文婷

（中航工業(yè)沈陽飛機設計研究所，遼寧 沈陽 110035）

一、概述

在當前變體無人飛行器領域中，研究人員一直在關注著智能技術的發(fā)展，這些智能技術包括智能材料、傳感器、驅(qū)動元件及其相關硬件的支持和微電子技術。變體無人飛行器是將新型智能材料、驅(qū)動元件、傳感器無縫隙地綜合應用到飛機機翼上，通過柔順、平滑、自主的改變飛機外形來改變其氣動特性，以適應不同的飛行條件，從而更有效地完成各種飛行任務。因此，變體無人飛行器是一種柔性的，具有結(jié)構自適應能力的新概念飛機。

二、變體無人飛行器關鍵技術

1 生物靈感

在自然界中觀察鳥類的飛行使人類渴望飛翔，最終發(fā)明了飛機。通過與自然界中的生物相比，飛機的設計師們尋求靈感，從通過上千年進化而來的生物物種中獲得簡單、精致和高效的特征。真正吸引著設計師們的是鳥類翅膀結(jié)構和功能的整合，即使在復雜的城市環(huán)境中，鳥類在飛行中能夠快速的改變翅膀外形，其形態(tài)呈現(xiàn)出各種不同的翅膀布局，每一個布局都能應用于某一個特定的飛行任務。

生物靈感飛行系統(tǒng)和仿生材料，被稱為BIOSANT（仿生智能納米技術）。自然界中有許多飛行系統(tǒng)，能把多功能部件合成到一個高效，精致的設計中。這些自然體系經(jīng)過一系列特殊的背景如環(huán)境、生存要求等進行優(yōu)化并調(diào)整飛行狀態(tài)，但這些要求可能與工程師的需求完全不同，因此直接仿造是無法實現(xiàn)的。

1.1 來自生物靈感理念的微型無人飛行器

美國國防部對于微型無人飛行器有一個雄心勃勃的發(fā)展目標，想讓它們像蜂鳥一樣小，硬幣一樣輕，可以飛到大飛機無法靠近的地方去收集情報。美國國防預先研究計劃局（DARPA）國防科學處在傳統(tǒng)的微型直升機、撲翼機及其他無人機體系的基礎上，尋找最有效的軍事應用方法，研發(fā)在城區(qū)作戰(zhàn)環(huán)境中進行情報收集的無人機，并為這些微型無人機選擇合適的電子、導航和通信設備、傳感器和傳動裝置。這種飛行器能夠從目標獲取圖像或其他傳感數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)遠程傳送到地面站。應急服務機構可以使用這種微型無人飛行器進入人類無法靠近的或危險的地區(qū)獲取圖像和重要信息。

1.2 生物靈感變體技術未來的挑戰(zhàn)

無人飛行器生物靈感變形的主要挑戰(zhàn)包含：理解和量化生物系統(tǒng)的性能優(yōu)勢、開發(fā)借鑒自然界設計的材料和結(jié)構。科學家和工程師們要生物學家和動物學家緊密合作，了解在自然界中飛行的那些特征。例如，在自然界系統(tǒng)中，翅膀產(chǎn)生飛行所需的升力，但不是所有翅膀特征都與飛行相關。只有通過跨學科工作才能使科學家和工程師發(fā)現(xiàn)自然界飛行物的理想飛行性能特征。

2 智能材料

智能材料的構想來源于仿生，它的目標就是想研制出一種材料，使它成為具有類似于生物的各種功能的“活”的材料，是一種能同時充當驅(qū)動元件和傳感元件的特殊材料。它能完成溫度、電流、磁場變化和機械變形之間的相互作用，將其應用到翼面結(jié)構上，主要是用來實現(xiàn)翼面形狀的改變。現(xiàn)在研制出很多類別的智能材料，其中有一些特別適用于航空航天飛行器的結(jié)構變形?？刂齐娏魇亲詈唵蔚?、重量最輕的一種通過熱量驅(qū)動的主動變形智能材料。

2.1 壓電材料

壓電材料是一種同時兼具正逆電機械耦合特性的功能材料，具有優(yōu)良的頻率特性和可集成特性?？梢愿鶕?jù)設計者的意圖調(diào)整結(jié)構的阻尼與自振頻率等動力學特征，同時還可對結(jié)構的位移、應變、應力、加速度和破壞情況進行自動檢測。

壓電材料通常被當作驅(qū)動元件來使用，將它們安裝在結(jié)構內(nèi)或粘貼在結(jié)構表面，無數(shù)個小驅(qū)動元件一起使用，要比大型的驅(qū)動裝置有效的多，而且體積小、重量輕。

2.2 形狀記憶合金（SMAs）

形狀記憶合金是一種很有前途的智能材料，跟大多數(shù)智能材料相比，形狀記憶合金的驅(qū)動能量密度要高的多，并且它具有相對較高的應變和應力。形狀記憶合金是一種具有獨特形狀記憶效應的金屬合金：首先將形狀記憶合金在高溫下定形后冷卻至低溫，然后對材料加載至發(fā)生塑性變形后卸載，使它存在殘存應變，如果再加熱到一定溫度以上，材料又將恢復到未變形前的形狀。利用這個效應，將形狀記憶合金埋入基體結(jié)構內(nèi)，通過激勵形狀記憶合金，就可以使結(jié)構具有智能特性。

3 自適應機翼

為了滿足高性能飛行器研制需求，自適應機翼技術作為一項關鍵技術將發(fā)揮其在改善飛機飛行性能方面的重要作用。自適應機翼具有翼型自適應能力，根據(jù)不同的飛行條件改變機翼形狀參數(shù)，如機翼的弦高、翼展方向的彎曲和機翼厚度，采用最優(yōu)方式，提高飛行器的機動性和載荷能力，抑制氣動噪聲與振動，并能改善雷達探測的散射截面從而有利于飛行器的隱身。

結(jié)語

隨著各種航空新技術的發(fā)展以及人們對飛機性能的不斷追求，在飛行中能夠改變形狀成為了可能。通過自適應地優(yōu)化機翼的大小、形狀或者結(jié)構，使機翼具有不同的氣動特性，可以提高飛機在不同飛行條件下的性能。變形研究項目在不久的將來會徹底改變飛機制造和運營的成本，變體無人飛行器也將廣泛的應用于各個領域。

[1]Sofla， A.Y.N.， Elzey， D.M.， and Wadley， H.N.G ， Two-way antagonistic actuation based on the one-way shape memory effect， Journal of Intelligent Material Systems and Structures， doi：10.1177/1045389X07083026， 2008.

[2]R.W. Wlezien， G.C. Homer， A.R.McGowan， S.L. Padula， M.A. Scott，R.J. Silcox and J.O. Simpson， “The Aircraft Morphing Program”， AIAA-98-1927，Nasa-Langley Research Center， MS493 ,1998.