飞行器变体技术发展现状及趋势

【作者】 张伟强； 费王华； 郭鹏飞； 马野；

【机构】 中国运载火箭技术研究院研究发展部；

【摘要】 传统飞行器通常是采用定设计点设计,能够在一定的飞行剖面中保持高性能的飞行,但是超出设计点后飞行性能急剧下降,甚至可能带来飞行器失控的风险。变体飞行则是融合不同构型气动外形的特点,根据飞行任务、飞行环境的变化主动改变气动外形,从而提升飞行器整体性能,变体飞行器的发展已经成为未来飞行器性能突破的重要路径,也吸引了越来越多国家的关注。飞行器变体技术能够在不同的飞行环境和飞行任务中主动或者被动的改变外形结构,成为未来先进飞行器发展的发展方向。虽然变体技术存在诸多挑战,但是人类一直没有放弃对于变体技术追求,在过去的一百多年时间里也形成了诸多方案和应用。按照目前飞行器变体设计方案,从变体的尺度上分可以分为局部小尺度、中等尺度、整体大尺度。目前主要研究的变体方式包括变后掠翼、折叠翼、伸缩翼、滑动蒙皮、可调进排气、可变式机鼻、倾转式旋翼等,虽然部分变体方案和技术均已经成功应用于工程实践,但是现有的变体方式在使用上依然存在较大的局限性。随着变体技术的发展,在结构机构设计、驱动装置、力学分析方法、地面试验、控制技术、新型材料等方面与传统飞行器相比均存在巨大挑战和诸多技术难题。变体飞行器总体优化设计需要在变体机构质量与变形尺度之间进行优化,以满足变体机体最终的效能提升的目标,需要开展轻量化的变体结构设计;同时为实现更高性能的变形驱动装置及结构设计需要借助新型驱动方式,并结合飞行器总体性能进行一体化设计,实现最佳效能。从力学分析方法上来说,相比于传统飞行器结构设计,变体结构其自身几何形状随飞行状态变化,由此将带来分布力变化和结构特性变化,同时考虑飞行过程中结构变形等影响,导致飞行器变体过程中也存在附加载荷及交变载荷,这种强非定常、非线性、耦合干扰状态条件下的载荷预示存在较大困难,致使整个变体结构传力设计分析困难。从目前的研究结果看,研究方向较为零散,且成果有限,无法建立成熟的分析体系,难以应用于工程实践,需要开展应用的变体结构的力学理论体系研究。由于变体结构的外形变化产生非定常气动特性,也为飞行器气动性能及载荷环境的预测技术带来极大的挑战。与传统外形的风洞试验相比,这种变形的模型设计需要考虑到真实飞行环境下的变形尺度与响应时间的一致性;考虑由于变体后飞行器特征尺寸变化较大,相似理论对试验结果的修正需要建立新的试验模拟方法;动态变形条件下的非定常气动特性测量及评价也成为一大难点。由于使用环境和要求的变化,变体技术需要发展新型材料,将变体技术与材料融合发展,目前主要体现在四方面:智能柔性蒙皮材料、适用于驱动器的智能材料、大范围变形适应的密封材料、承受高温环境的材料。新型蒙皮结构要适应不同机翼形状下的维型要求,一方面要具备一定的承载能力,另一方面需要保持在整个变形过程中机翼的平滑过渡,由此产生的柔性蒙皮技术需要将传统材料与新型材料结合,同时开展结构设计创新。智能功能材料在驱动作动器上的应用研究也是实现轻量化结构设计的重要途径,用的材料包括形状记忆合金(SMA)、离子聚合物金属复合材料(IPMC)、压电聚合物等。对于高速飞行器来说,高温环境下变体结构需要考虑高温状态的热变形及材料物性的变化,需要发展新型耐高温结构材料;同时变形结构的狭缝处需要研制具备大范围变形热密封适应性、高热流环境适应性的耐温密封材料。随着人类对更高效能的飞行性能需求,变体飞行器技术已经成为一个新兴的研究热点,具备广阔的应用前景。变体结构正在向智能化方向发展,借助诸如记忆合金、压电聚合物为代表的智能材料,实现低密度驱动、轻质的变体结构机构设计;通过结构与先进传感器集成设计,融合先进传感器、分析决策、自适应变体驱动,有望真正实现飞行器智能化飞行;通过发展新型耐超高温材料,解决高速飞行状态的气动加热难题,能够发展适应未来更宽速域和空域的空天飞行器。新型变体技术通过与先进传感器、智能材料、分析决策等融合设计,成为未来宽速域智能飞行的重要途径,将为未来飞行器设计带来颠覆性的变化。更多还原