智能飛行器技術(shù).ppt

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1、智能飛行器技術(shù),邱志平 教授,報(bào)告內(nèi)容,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,智能變體飛行器發(fā)展需求與歷史 智能變體飛行器研究方法 已開(kāi)展的工作介紹 結(jié)論,人類(lèi)的飛行世紀(jì),School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,1903年萊特兄弟“飛行者一號(hào)”,1942年 第一架?chē)姎怙w機(jī)Me-262,1952年第一架?chē)姎饪蜋C(jī)“彗星”,第一架商業(yè)成功運(yùn)營(yíng)客機(jī)波音707,前五十年走進(jìn)噴氣時(shí)代,人類(lèi)的飛行世紀(jì),School of

2、 Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,后五十年大型化、高速化,最大的客機(jī)-A380，2005年,最快的客機(jī)-“協(xié)和”，1969年,最大的飛機(jī)-An225，載重250t,無(wú)人機(jī)，2003年,人類(lèi)的飛行世紀(jì),School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,新一代作戰(zhàn)飛行器高隱身性能、高機(jī)動(dòng)性,美國(guó)F-22，1990年首飛,美國(guó)F-35，2006年首飛,俄羅斯T-50，2010年首飛,中國(guó)J-20，2011年首飛,人類(lèi)的飛行世紀(jì),Scho

3、ol of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,未來(lái)的發(fā)展？,,X43高超聲速飛行器,X45無(wú)人攻擊機(jī),SAI-SAX40靜音飛行器,X50新概念飛行器,NASA的構(gòu)想,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,捕食者 偵察、攻擊,全球鷹 長(zhǎng)航時(shí)偵察,X45 攻擊、高隱身能力,,,,智能變體飛行器,任務(wù)自適應(yīng)、 提高飛行性能,智能變體飛行器的概念,School of Aeronautical Science and Engin

4、eering, Beihang University,智能變體飛行器的概念,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,智能變體飛行器的概念,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,變體飛行器發(fā)展歷史-鳥(niǎo)類(lèi)的啟示,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,起飛,翱翔,低空飛行,減速飛行,著陸,轉(zhuǎn)向,School of Ae

5、ronautical Science and Engineering, Beihang University,變體飛行器發(fā)展歷史,,,,可收放式起落架,增升裝置,變后掠翼,可變傾角機(jī)頭,傾轉(zhuǎn)旋翼,推力矢量噴口,剛性變體形式,變體飛行器發(fā)展歷史,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,AFTI/F111驗(yàn)證機(jī),BAC 1-11試驗(yàn)機(jī)與自適應(yīng)機(jī)翼剖面,柔性變體形式-任務(wù)自適應(yīng)機(jī)翼,變體飛行器發(fā)展歷史,School of Aeronautical Science and Engineering, Beiha

6、ng University,柔性變體形式-主動(dòng)氣動(dòng)彈性機(jī)翼,變體飛行器發(fā)展歷史,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,柔性變體形式-NASA蘭利的方案,變體飛行器發(fā)展歷史,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,柔性變體形式-變體飛行器結(jié)構(gòu)（MAS）,NextGen 滑動(dòng)蒙皮方案,Lockhead Martin 旋轉(zhuǎn)/折疊機(jī)翼方案,智能變體飛行器的概念,變體飛行器的涵義： NASA:“變體”（Morphin

7、g）=高效、多點(diǎn)適應(yīng)性。 高效（與傳統(tǒng)飛行器相比）：結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、重量效率更高、能量效率更高、容積效率更高； 多點(diǎn)：多種任務(wù)剖面； 適應(yīng)性：功能擴(kuò)展及在多種飛行條件下保持最優(yōu)性能。 DARPA和AFRL:“變體”=狀態(tài)可變。 NATO：“變體”=實(shí)時(shí)自適應(yīng)以在多種飛行條件下保持性能最優(yōu)。,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,智能變體飛行器的概念,“智能變體飛行器”將新型智能材料、新型作動(dòng)器、激勵(lì)器、傳感器無(wú)縫隙地綜合應(yīng)用到飛行器的機(jī)翼上，通過(guò)應(yīng)用靈敏的傳感器和作動(dòng)器，對(duì)不斷改變的飛行條件做出響應(yīng)，光

8、滑而持續(xù)地改變機(jī)翼的形狀，使飛行器始終保持最佳的性能和執(zhí)行多種形式的作戰(zhàn)任務(wù)。 通過(guò)智能變體技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)： 提高飛行品質(zhì)，擴(kuò)展飛行包線(xiàn)； 代替常規(guī)控制面，提高飛行控制性能和隱身能力； 減小阻力，增加航程； 減小振動(dòng)影響，實(shí)現(xiàn)顫振主動(dòng)控制。,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,智能變體飛行器研究方法,,,學(xué)科研究方法 - 材料/結(jié)構(gòu) - 流體力學(xué) - 控制 - 氣動(dòng)彈

9、性 ,,,,變體飛行器 研究方法,系統(tǒng)研究方法 - 任務(wù)需求分析 - 概念設(shè)計(jì)方法 - 多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化,,智能結(jié)構(gòu)力學(xué) 流場(chǎng)控制 智能控制 多場(chǎng)耦合分析 多尺度分析 ,智能變體飛行器研究方法,任務(wù)需求分析： 需要解決的問(wèn)題：為什么要使用變體飛行器技術(shù)？何時(shí)使用？ 并不是在所有的情況下使用變體飛行器技術(shù)都是最高效的。,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,重量 費(fèi)用,,,性能,,Trade-off,智能變體飛行器研究方法,School of Aeronautical Science and Engin

10、eering, Beihang University,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,智能變體飛行器研究方法-概念設(shè)計(jì),Buckle-Wing concept,Flexible multi-body concept,Variable gull-wing concept,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,智能變體飛行器研究方法-概念設(shè)計(jì),Telescoping-Wing concept,Swing

11、 Wing concept,Aft sweeping Wing concept,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,智能變體飛行器研究方法-MDO,智能變體飛行器的構(gòu)想主要來(lái)源于仿生，精髓是集成，即知識(shí)集成、技術(shù)集成、結(jié)構(gòu)集成、系統(tǒng)集成。 智能變體飛行器研制中涉及的主要問(wèn)題包括變形體空氣動(dòng)力學(xué)、微流體力學(xué)、智能流動(dòng)控制等,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)、新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝、控制技術(shù)、測(cè)量技術(shù)、電子設(shè)備、新型高效能源技術(shù)等方面也提出了更高的要求和新的挑戰(zhàn)。 為了使基于智能結(jié)構(gòu)的飛行器的性能達(dá)到最優(yōu)，針對(duì)智能結(jié)構(gòu)的

12、對(duì)傳感器和驅(qū)動(dòng)器的位置、控制器參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)、翼形變化的規(guī)律進(jìn)行多學(xué)科綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法展開(kāi)研究。,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,智能變體飛行器研究方法-MDO,總體參數(shù)優(yōu)化,多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化,序列優(yōu)化設(shè)計(jì),目標(biāo),目標(biāo),總體參數(shù)優(yōu)化 包含多個(gè)學(xué)科 分析模型簡(jiǎn)單 適用范圍有限 在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上,序列優(yōu)化設(shè)計(jì) 分析模型的精度較高 串行模式，周期長(zhǎng) 自動(dòng)化程度低 難于獲得整體最優(yōu)解,多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化 包含多個(gè)學(xué)科，整體最優(yōu) 采用高精度的分析模型 適用于新概念飛行器 分布式計(jì)算模式,,,,飛行器MDO是飛

13、行器傳統(tǒng)優(yōu)化方法的新發(fā)展,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,智能變體飛行器研究方法-MDO,,,非線(xiàn)性CFD/CSD優(yōu)化流程圖,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,智能變體飛行器研究方法-MDO,,,,,氣動(dòng)/結(jié)構(gòu)/動(dòng)力學(xué)耦合分析 Jamshid A. Samareh等，2007,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang Univ

14、ersity,智能變體飛行器研究方法,需求： 大尺度變形； 輕質(zhì)； 高強(qiáng)度比； 高效驅(qū)動(dòng)器 ,,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,變形機(jī)構(gòu),變后掠翼飛機(jī)使用的樞軸機(jī)構(gòu)依然有應(yīng)用前景,傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)機(jī)翼伸展和折疊變形的關(guān)鍵,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,自適應(yīng)結(jié)構(gòu),,主動(dòng)桁架結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)機(jī)翼平面變形的關(guān)鍵,各種改變翼肋形狀的結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)翼型和機(jī)翼彎度的改變,School of Aeronautic

15、al Science and Engineering, Beihang University,多功能材料,壓電材料特點(diǎn)： 貼片形式 小應(yīng)變 快速響應(yīng) 結(jié)構(gòu)完整性,壓電陶瓷材料改變機(jī)翼形狀,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,多功能材料,形狀記憶合金特點(diǎn) 大應(yīng)變 低速響應(yīng) 熱激勵(lì),形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)器改變機(jī)翼剖面形狀,形狀記憶合金發(fā)動(dòng)機(jī)罩后緣：降噪、降低熱輻射,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,多功能材

16、料,形狀記憶聚合物 多穩(wěn)態(tài)材料 電/磁流變液材料 超磁致伸縮材料 ,,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,智能蒙皮,智能蒙皮是在飛行器蒙皮中植入傳感元件、驅(qū)動(dòng)元件和微處理控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)流體邊界層控制等功能。 智能蒙皮通過(guò)控制把邊界層維持層流狀態(tài)，或者對(duì)湍流進(jìn)行控制，大大減小飛行器飛行中的阻力，延遲在機(jī)翼的空氣流動(dòng)分離，從而提高飛行器性能，減小燃料的消耗。,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,智能蒙

17、皮,通過(guò)各種新型的智能材料實(shí)現(xiàn)蒙皮的自適應(yīng)性,柔性蜂窩蒙皮 （零/負(fù)剛度、泊松比材料）,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,智能驅(qū)動(dòng)器,由于變形飛行器需要在高速飛行下在很短的時(shí)間 內(nèi)完成機(jī)翼形狀的改變，因此需要高效、輕質(zhì)、高可靠性的新型驅(qū)動(dòng)器來(lái)完成飛行器外形的改變。同時(shí)，驅(qū)動(dòng)器的布置，即如何實(shí)現(xiàn)均勻傳送載荷的分布式驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)也是研究的重點(diǎn)。,機(jī)翼折疊,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,智能驅(qū)動(dòng)器,真

18、正的變形飛行器是新型變形機(jī)構(gòu)、自適應(yīng)結(jié)構(gòu)、智能材料、智能驅(qū)動(dòng)器無(wú)縫地綜合應(yīng)用與飛行器的一種新的設(shè)計(jì)理念。,洛馬公司MAS方案通過(guò)高效壓電驅(qū)動(dòng)器、轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、可伸展蒙皮實(shí)現(xiàn),School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,智能驅(qū)動(dòng)器,,,新一代公司MAS方案通過(guò)分布式驅(qū)動(dòng)器、主動(dòng)桁架結(jié)構(gòu)、可滑動(dòng)蒙皮實(shí)現(xiàn),School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,智能變體飛行器研究方法-流場(chǎng)控制,機(jī)翼后緣自適應(yīng)結(jié)構(gòu)可以代替鉸鏈連接的傳統(tǒng)控制

19、面，實(shí)現(xiàn)流場(chǎng)控制，改善后緣氣流特性，降低噪聲，改善隱身性能，提高操縱品質(zhì)。,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,智能變體飛行器研究方法-多體動(dòng)力學(xué)分析,可變形結(jié)構(gòu)多場(chǎng)耦合的非線(xiàn)性力學(xué)與控制的建模與仿真，實(shí)現(xiàn)更高精度和柔性的動(dòng)態(tài)變形過(guò)程控制建模與仿真。 - Brian Sanders等，2006年,智能變體飛行器研究方法-控制系統(tǒng),School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,,外形控制,飛行控制,機(jī)械動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)

20、的建模、簡(jiǎn)化與控制； 智能結(jié)構(gòu)的精確動(dòng)態(tài)形狀控制； 共享信道的大規(guī)模分布式系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制； 非線(xiàn)性氣動(dòng)彈性與主動(dòng)變形耦合系統(tǒng)的控制； 變體飛行器的多體系統(tǒng)建模與簡(jiǎn)化； 變體飛行器飛行控制技術(shù)。,關(guān)鍵技術(shù)：,未來(lái)大型飛機(jī)應(yīng)用,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,起落架收起,起落架放下,主要噪聲源：起落架、增升裝置、離散操縱面等,離散操縱面,連續(xù)操縱面,降噪,未來(lái)大型飛機(jī)應(yīng)用,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang Univers

21、ity,智能變體技術(shù),,提高燃油效率，減少?gòu)U棄物排放,以上數(shù)據(jù)基于空客A340-Wolfgang Schneider, EADS Airbus,開(kāi)展的工作,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,開(kāi)展的工作,任務(wù)需求分析： 變后掠翼：在不同飛行速度下保持最優(yōu)氣動(dòng)外形； 可伸縮機(jī)翼：改變機(jī)翼面積、改變展弦比獲得最優(yōu)氣動(dòng)外形，不對(duì)稱(chēng)伸縮可實(shí)現(xiàn)滾轉(zhuǎn)控制。 在已有的技術(shù)上重新設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)、減輕機(jī)構(gòu)重量。,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang

22、 University,不同氣動(dòng)布局下的最大升阻比,開(kāi)展的工作,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,試飛模型,外翼和可伸縮內(nèi)翼,變形機(jī)構(gòu),開(kāi)展的工作,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,CATIA數(shù)字樣機(jī)模型,開(kāi)展的工作,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,地面變形,開(kāi)展的工作,School of Aer

23、onautical Science and Engineering, Beihang University,試飛現(xiàn)場(chǎng)空中變形,總結(jié),智能變體飛行器有諸多優(yōu)勢(shì)： 擴(kuò)充飛行包線(xiàn)，適應(yīng)多任務(wù)模式 替換操縱面，改善飛行性能和隱身能力 減小阻力，增大航程 減振，實(shí)現(xiàn)顫振主動(dòng)控制 智能變體飛行器的研究方法主要從兩方面出發(fā)： 系統(tǒng)分析方法 各學(xué)科分析方法 變體飛行器并不是在所有的情況下都是最好的選擇，必須對(duì)飛行器的任務(wù)需求做好分析；,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,總結(jié),集成、耦合是變體飛行器技術(shù)的主要特點(diǎn)； 材料/結(jié)構(gòu)依然是制約變體飛行器發(fā)展的主要因素； 各學(xué)科都將面臨新的挑戰(zhàn)：使用非常規(guī)設(shè)計(jì)方法提高飛行器的效率； 智能飛行器技術(shù)將大大推動(dòng)飛行器設(shè)計(jì)技術(shù)的的發(fā)展。,School of Aeronautical Science and Engineering, Beihang University,Thank You !,