近年来,智能旋翼技术在抑制直升机的振动与噪声,提高飞行机动性等研究方面取得了重要进展.2002年,Sikosky公司在NASA AMES 80 x 120英尺风洞成功实现了UH-60A全尺寸模型的单桨叶控制开环试验[vii门,采用液压驱动器开环控制矩角按士10变化,使3/rev振动减小75%, 2/rev噪声衰减12dB.计划从2002年9月起进行UH-60A桨叶系统试验,拟通过闭环自适应控制使振动减小90%,性能提高10-15%,并为试飞提供定量数据.在直升机单桨叶控制方面,马里兰大学采用压电堆和连杆机构,主动驱动桨叶后缘襟翼实现变弯度控制I’Xl; MIT在复合材料桨叶中布置分布式压电纤维驱动器,实现桨叶扭转驱动[x];加拿大国家研究院((IAR of NRCC)采用压电堆驱动器主动改变桨叶刚度(智能弹簧),实现桨叶主动阻抗控制等.目前这些方案均已完成了风洞模型实验,其中主动阻抗控制方案实现了闭环主动控制,使桨叶振动的主要谐波分量减小5dB[xi].(I. UH-60A IBC控制2. MIT压电纤维扭转驱动桨叶3. NRCC变刚度桨叶系统)
3飞行器智能结构系统研究的关键问皿
智能结构系统在未来飞行器中具有重要应用前景,但目前在如下领域面临重大技术挑战[xii x川xiv}
3.1智能结构系统中的埋入式功能元件
多功能化是未来飞行器的发展方向,各功能必须由传感,驱动和控制网络实现.智能结构系统中分布式传感,驱动元件的设计与优化必然成为研究的重要课题.各种功能元件间,功能元件与结构间的相互祸合以及多种材料界面匹配问题所导致的性能退化必然会影响整个系统的效率.因此,需要采用信息融合技术优化埋入元件的数量,位置及性能;需要研究可靠的埋入式功能元件,甚至是多种材料集成的埋入功能元件子系统或模块,构成具有驱动和传感功能,并易于同大型主结构集成的新型传感与驱动系统.3.2采用集成传感,驱动网络系统进行复杂飞行界结构的可靠性监测未来飞行器结构将承受高冲击载荷和高应变,由此产生高度非线性变和极为复杂的失效模式.因此,迫切需要研究含有集成微型传感,驱动元件的异质结构的物理模型,对结构响应和损伤模式进行模拟与仿真.结构中传感和驱动网络的存在同时也使飞行器结构产生了材料和几何不连续,必须建立多种界面的精确失效模型,研究包括非连续和非线性结构的物理模型和鲁棒控制系统模型,研究传感器和驱动器的响应,开展埋入元件的容错性设计.由于结构健康监测系统的准确程度和可靠性强烈地依赖于传感器对物理变化和断裂现象的测量精度,把传感,驱动功能材料和结构材料,控制系统作为一个整体进行集成和优化设计是非常必要的.
3.3飞行界结构振动与阻尼控制的建模,分析和控制
近年来,智能结构研究中出现了许多增进结构阻尼特性的新概念,但主动阻尼模型零散而缺乏完整性,必须进行统一以便于飞行器结构的分析和设计应用.相关研究需要集中于新型驱动原理,新型建模方法以及阻尼系统的控制与实现.当前研究前沿是分布式非线性控制,包括采用非线性控制方法,通过结构系统和驱动元件的祸合和反馈,研究结构动力学系统控制的相关问题.其它有待研究的内容有:结构工程问题,如:能量最大耗散模型,时变对象的自适应时域模型,能够用于设计仿真的结构阻尼系统模型;控制理论问题:融入材料和几何非线性的智能结构控制元件的物理模型,反馈和祸合机理,采用常规和神经网络算法的非线性控制器,适应于几何和物理非线性的分布式控制技术,系统的等效降阶模型;驱动器问题:主动约束层阻尼,能够集成于智能结构的自含式主,被动磁性阻尼器,基于压电陶瓷和分流电路的阻尼器,通过非线性控制器实现结构与电路的虚拟模态祸合系统等.此外,现有研究多集中于小型对象,在大型飞行器结构合成尺度上仍存在问题.
3.4用于MAV非魂态流场控制的徽型驱动界集成技术
通过非稳态流场控制提高飞行器空气动力性能的潜力非常巨大,但主要受制于流场主动控制的实现手段,必须对各种先进驱动器及其与流场控制现象祸合的机理进行充分的研究.目前在空气动力主动控制应用方面的理论和方法非常欠缺,通过先进材料和智能系统增进对流体力学现象的了解和控制的需求极为迫切.研究应综合应用自适应结构,MEMS元件和工艺,控制理论,建模和数值分析及其它相关技术,评价各种驱动器在流体/机械控制上的优劣,从而通过各种新技术改变流场阻力变化,并应用于微型飞行器的流场主动控制.
3.5飞行界智能表层技术
飞行器智能表层通过把传感,驱动元件,信号处理/识别单元与飞行器表层结构相结合,将不同口径的分散天线集成为少量宽频多功能承载保形天线,有利于功能扩展和提高性能.智能表层应解决因结构承载变形,冲击和振动环境导致的天线结构损伤和性能衰退问题,研究结构形状与振动建模,仿真与控制,驱动器设计与制造,天线结构健康监测和信号高速并行处理问题,并解决半导体材料,集成电路材料的热控制问题;通过复合型传感和驱动材料,材料合成及结构制造技术的研究,在飞行器结构上实现智能表层技术的集成.
4结束语
飞行器智能结构系统经过近二十年的研究,在结构健康监测,结构响应控制,自适应机翼与智能旋翼等诸多方面取得了重大的技术进步,实现了飞行器结构的全尺寸验证.一些新的研究领域,如流场主动控制,智能表层技术等也在全面展开.随着关键技术的突破,部分研究成果,如结构响应主动控制有望在下一代新机研制〔如JSF的座舱噪声主动控制〕中得到应用,并将对现代飞行器设计技术产生重大影响.因此,为了促进我国飞行器智能结构系统技术的研究,需要进一步推动跨学科,跨行业的联合,针对国防应用背景需求,重点突破一些关键技术障碍,加速这一新型飞行器综合设计技术的发展和应用.
加拿大, 直升机, 飞行器, 驱动器, 机动性