引言
“变体”飞机是指能够在飞行中改变气动外形，如机翼面积、展弦比和后掠角等，使飞机在不同飞行状态下性能保持最佳的飞行器。与常规固定布局飞机相比，变体飞机的飞行包线更宽，作战效能更高，它能够根据飞行环境、飞行剖面以及作战任务等需要，自主地改变气动构型，优化其飞行性能。目前，国外的一些研究机构正致力于变体飞机的研究，并已取得一定进展。如NASA兰利研究中心当前正致力于智能材料及新型作动器的研究。美国五角大楼国防预研计划局和空军研究实验室已经实施了“变形飞行器结构”(MAS)计划。在此项目中，承包商洛克希德·马丁公司和新一代航空技术公司分别提出了“折叠机翼”方案和“滑动蒙皮”变形机翼方案，并取得了一定进展。与此同时，国外多所大学也研究了不同形式的变体飞机，对机翼变形结构的实现途径、设计方法、气动弹性及飞行动力学与控制等关键技术做了大量理论分析。
由于变体飞机需根据不同飞行状态改变构型以适应任务要求，因此它的设计面临诸多复杂问题。要设计出在全飞行包线内均具有优良飞行性能和品质的变体飞机，需要在各种关键技术上取得新的突破。本文针对当前提出的几种不同形式变体飞机，分析了涉及的各学科关键技术，对变体飞机的设计具有一定参考价值。
1 主要变形方式
机翼是飞机改变构型的主要部件。变体飞机变形的方式主要是改变机翼的形状，其中又以改变机翼的展长和面积效果最为明显。机翼面积的改变可以通过折叠、伸缩机翼或者滑动蒙皮等方式来实现，见图1。机翼的折叠及伸缩主要通过新型的驱动机构来实现，需采用新型的智能材料来保证机翼折叠后的完整性。滑动蒙皮机翼方案是通过新型的智能结构，使蒙皮变形以达到改变机翼面积的目的，其机翼蒙皮需采用智能材料。通过机翼的变形和辅助舵面的偏转，可以改变机翼平面形状和翼型的几何参数，从而适应飞行条件的变化。
图1 变体飞机机翼的主要变形方式
变体飞机设计时以多个不同飞行任务的性能指标最优作为设计目标，其设计是一个复杂的系统工程，涉及到多个学科。其关键技术包括:总体设计、气动设计、智能材料及结构设计、可控性设计与飞行控制系统设计等。
2 总体及气动协调设计
变体飞机可兼顾起降、巡航、机动等多任务需求，其在总体设计上的思想和方法与常规飞机有所不同。变体飞机的总体设计必须考虑多学科交叉综合，通过总体及气动协调优化设计以保证其在不同飞行条件下均具有较好的气动性能。
机翼的几何形状是影响飞机气动性能的主要因素。大展弦比飞机在亚声速下具有较大的最大升阻比(Kmax)，在超声速时小展弦比飞机Kmax较大。变体飞机可以改变展弦比的大小，从而在亚声速和超声速飞行时都具有较大的Kmax，以提高不同飞行速度下的气动性能，如图2所示。
图2 不同气动布局下的最大升阻比
飞机在一个完整的飞行任务剖面中，对于不同的飞行阶段有着不同的飞行性能指标。如在待机时，要求飞机的航时最大，而在迅速完成轰炸任务时，要求飞机以最大的飞行速度快速飞行等。为了保证变体飞机整个飞行剖面的优良性能，在初始总体设计上，需要考虑机翼变形对气动特性的改变。对于变体飞机，不同飞行状态下机翼平面形状和翼型之间的协调问题需要在气动设计上予以解决。如何设计变体飞机的气动构型，使得飞机在不同任务和飞行条件下采用不同构型时都具有较好的气动特性是变体飞机总体设计的难点。因此，在进行变体飞机的总体参数设计时，要从全局出发，根据不同任务的需求进行优化设计，协调各个方面的需求，折中确定飞机的总体构型参数，最终形成一个完整的设计方案。研究表明，通过总体优化设计后的变体飞机，相对固定构型飞机，其在相同的飞行任务下起飞重量更大且空重更小，飞行性能明显提高。
发动机推力特性如何与变体飞机不同构型的阻力特性相适配也是总体设计时需要考虑的因素。变体飞机需要在不同的飞行状态下执行不同的任务，因此，目前针对某特殊飞行任务来设计发动机的方法需要改变。对于变体飞机，发动机须在低速和高速下都具有较好的性能，因而需要进气道、尾喷口等部件能够改变形状以满足不同的推力要求，以匹配不同构型的阻力变化。
变体飞机不仅在不同静态构型下气动性能有很大的改变，在机翼变形的动态过程中，其气动力变化也比较复杂，变体动态过程中可能会产生非定常气动力。在风洞实验中测定机翼变形动态过程的气动力时，飞机模型的加工是一个难点，如何通过支撑及驱动机构使飞机的机翼形状按要求动态改变，并且使支撑部件对气动力的干扰较小，也是需要解决的问题。若通过CFD计算动态过程的非定常气动力，随着机翼形状的改变所建立的计算模型很多参数(如边界条件等)需要改变，从而使计算更为复杂。机翼变形的整个过程实际上是从静止先加速，然后匀速转动，最后减速的过程。因此，机翼加减速阶段的转动加速度和匀速转动的角速度会影响机翼的气动力，如果变体过程中机翼的转动频率太大，机翼上就有可能产生不期望的非定常流动。
3 智能机翼结构设计
变体飞机的机翼需要在不同飞行状态下均具有优良的性能，因此，其机翼结构应具有自适应性。机翼的蒙皮材料和结构驱动技术是变体飞机设计的最大难点之一。
变体飞机机翼比常规飞机机翼有更多的运动机构和部件，变体后可能会破坏机翼结构的完整性。当机翼的形状变化后，其内部结构和蒙皮必须有足够的承载能力。另外，变体飞机在变形过程中应尽量保证机翼表面的连续，并且使机翼的连接处光滑且间隙很小，以避免产生不期望的气动力。
基于这些复杂的因素，变体飞机要能够实现机翼的自主变形，所用的机翼变体机构必须采用智能材料和新型智能驱动结构，以便在结构重量增加不大的情况下最大限度地提高变体给飞机带来的性能收益。
在智能材料与驱动结构方面，压电材料、电致收缩材料、磁致收缩材料、形状记忆合金、生物仿生材料、导电高分子材料、磁流变体和电流变体材料均可作为变体飞机的蒙皮及驱动结构材料。由于压电材料既可以作为传感器，又可以作为作动器，因此在变体飞机的结构设计中被广泛应用。
4 可控性设计
变体飞机构型改变时，如何保证其飞行的可控性也是一个需要解决的重要问题。通过对机翼变形前后的静态构型和变体动态过程的动态特性研究，可为飞行控制设计奠定基础。
首先，必须科学地设计变体飞机的新型操纵舵面，使其能够产生满足飞机可控性需求的三轴力矩。由于舵面位于能够变形的机翼上，当机翼形状改变后，某些舵面的操纵效率及操纵功能可能会受到限制甚至改变。以无尾折叠翼变体飞机为例，当机翼展开时，内段机翼上的舵面可用于纵向操纵，功能相当于升降舵，如图3(a)；而机翼折叠一定角度后，该舵面的偏转会逐渐产生偏航力矩，当机翼折叠角度达90°时，此时该舵面的功能相当于方向舵，如图3(b)；若机翼完全折叠使内段机翼与机身贴合时，内段机翼上舵面的偏转会受到限制，甚至不可操纵，如图3(c)。可见，变体飞机在不同构型下其可操纵的舵面数量和功能可能不同，因而其舵面设计必须满足机翼变形前后所有构型的可控性要求。
图3 机翼折叠时内段机翼上操纵舵面的变化
在机翼形状动态改变的过程中，建立变体飞机的运动模型时，可将飞机整体视为由机身以及机翼活动部分多个刚体组成的系统(如图4)。变体飞机机翼形状的改变使得飞机的重心位置及作用在其上的气动力大小和方向均发生变化，由此可能导致各轴向力和力矩的不平衡。因此在分析机翼变形过程中飞机的动态特性与仿真研究时，要涉及到飞机气动力变化以及多体系统动力学的建模问题。
图4 变体飞机多体系统描述
变体过程中机翼的转动频率会对飞机的气动力产生影响。根据飞行任务和飞行条件的要求，如何确定机翼变形频率的大小，使变体速度既满足任务需求，又对飞行产生的不利影响最小，也是一个需要考虑的问题。
变体飞机气动布局的改变使其稳定特性受到影响。飞机气动外形改变后，其重心位置及气动特性随之改变，如图5。变体后飞机各轴向的稳定性会发生改变。对于纵向来说，需要考虑变体后飞机气动焦点和重心的适配以保证飞机具有良好的稳定性和操纵性。若变体飞机变体前后的各轴向操稳特性较差，则需要通过飞行控制系统的设计来保证飞机具有良好的飞行品质。
图5 变体前后重心与焦点的匹配
5 飞行控制系统设计
变体飞机所对应的最优性能与飞行条件和气动外形参数有关。在不同的飞行状态下，这些参数可能在相当大的范围内变化，给变体飞机的飞行控制系统设计带来挑战。
变体飞机通过变形改变气动构型后，不同的飞行状态和飞行任务下飞机的操纵舵面的数量和功能会发生变化，因此，在设计变体飞机的控制律时，需要研究多功能操纵面的管理问题。
对于变体飞机这种参数幅度变化大的被控对象，需要设计适合于变体飞机的控制系统才能使其在不同飞行条件及构型条件下的飞行品质得到改善。变体飞机的飞控系统必须能够保证其所有静态构型及气动构型动态变化过程下的稳定飞行。例如，为了使飞机在机翼变形过程中飞行姿态保持不变，需要飞行控制系统能够根据气动力及舵面的变化来完成飞机飞行姿态的控制任务。因此，变体飞机构型、操纵舵面数量及功能变化时，飞行控制系统应能自适应重构，以完成不同飞行任务的控制要求。
6 结束语
变体飞机由于需要改变气动外形适应多任务飞行要求，其涉及的关键技术比常规飞机更复杂，在总体设计、气动设计、智能机翼结构设计及飞行品质分析与控制设计等方面都与常规飞机有很大区别。要设计出在全飞行包线内均具有优良飞行性能和飞行品质的变体飞机，需要在以上关键技术方面取得新的突破。目前国外对变体飞机的研究已经有一定进展，但距离真正实用还有一定距离，还有很多关键技术尚待解决。
核心关注：拓步ERP系统平台是覆盖了众多的业务领域、行业应用，蕴涵了丰富的ERP管理思想，集成了ERP软件业务管理理念，功能涉及供应链、成本、制造、CRM、HR等众多业务领域的管理，全面涵盖了企业关注ERP管理系统的核心领域，是众多中小企业信息化建设首选的ERP管理软件信赖品牌。
转载请注明出处：拓步ERP资讯网http://www.toberp.com/
本文标题：变体飞机设计的主要关键技术
相关文章
