主动气动弹性机翼
主动气动弹性机翼
常规机翼的设计采用由操纵面产生操纵力、操纵力矩的方式控制飞机的运动。因为机翼的刚度不足而带来的气动弹性效应将减弱操纵面的效能,同时使机翼的颤振特性变差,为使这种操纵方式有效的发挥其作用,在设计中就必须使机翼具有足够的刚度,由此也必然使机翼的结构显著重量增加,造成整机重量上升。
研发历程
20世纪80年代中期,Rockwell公司提出并发展了主动柔性机翼(AFW,Active Flexible Wing)的概念。此概念是利用而不是回避机翼的柔性,以使得先进构型战斗机的质量得以减小,并提高其气动力性能。
传统上的飞机设计遵循了由强度准则进步到刚度准则的途径,这本身即反映了对飞机设计在认识上的一大跨越。对刚度的足够重视,对于提高飞机性能是有利的。要想使飞机总体性能提高,那么一个永恒的目标就是使质量最小。从减小质量的角度看,又希望高性能飞机的柔性要大一些,这样一来气动弹性效应随之增加,一般来说,机翼(包括其他气动面)的气动弹性效应是一种负面影响。一个典型而又极具重要性的例子,就是后掠机翼滚转机动的控制面效率和反效。对于高动压的飞机,后掠机翼操纵效率会构成一个设计的临界条件,万不得已时还可能推翻原定的方案而重新布局。由静气动弹性已知,常规的后缘控制面(副翼)偏转,在气动弹性效应下产生的气动扭转正好与滚转机动所需的控制力反向,动压愈高,操纵效率愈低,甚至反效,此时,滚转机动能力荡然无存。为解决这一问题,传统方法是提高机翼的扭转刚度,以便加大后缘控制面的偏角,从而加大控制力。但这样做的后果是结构质量增大,而且,翼型弯度增加还使飞行阻力增加。类似的例子还有很多,例如飞行载荷、颤振和阵风响应等产生的气动弹性效应通常为不利影响,柔性愈大愈为严重。传统的解决办法都摆脱不了提高刚度这一条,以此来防止或减缓影响,而最直接的后果是增大飞机质量和降低飞机性能。在设计理念上,这种模式属于被动设计。
被动设计,对于飞机,特别是高性能战斗机,只能在刚度和性能之间取折中方案。这种设计理念认可设计缺陷。
传统上也采用优化方法。但多数只能在多学科独立完成之后,在多学科之间进行反复迭代直至最终结果。例如,气动力是通过气动设计变量(如扭转和弯度)来设计最小阻力;结构是通过结构设计变量(如厚度)来设计最小质量,同时通过约束来保持变形和稳定性等要求。这种优化是在各自约束下彼此串接式传递数据进行迭代,直至数据收敛。也就是说没有达到综合优化。
主动气动弹性机翼(AAW)技术在设计理念上有了全新的突破。对于AAW,其最佳选择恰好是低的刚度并加上多个控制面。一般,在左、右机翼上分别安排四个控制面,AAW的要点正是利用机翼在气动力作用(还可以有惯性力的共同作用)下产生的气动弹性变形或运动,由传感器接收信号,再通过主动控制系统按预定目的驱动并协调多个控制面的偏转或偏转运动,反馈至机翼,从而使整个机翼产生所希望的变形或运动,从本质上提高整个机翼控制气流能量的能力,包括吸收或者散逸能量。由此可见,主动控制起到了机翼刚度所起不到的作用。而主动控制律则是一个关键设计,如果设计合理,潜力是很大的。控制面偏角以下偏为正,上偏为负。注意到在所有动压下,每个控制面的偏角均小于5°,说明所需的偏角是很小的;前缘外侧控制面起到比较重要的作用;后缘控制面在进入反效区时将改变偏角方向。这个例子说明,AAW是利用控制面形成机翼的气动扭转,从而提供大的控制力并减小了气动阻力。显然,在这样的设计中,机翼的刚度可以降低,从而使飞机质量减小,总的机翼载荷也会相应减缓。由此例可以看出,在AAW的设计中,设计者不必为刚度所困扰,刚度的不足已经通过控制面的正确配置而得到弥补,而且还会更好。所以,这种设计模式是一种主动设计。
优缺点
由于AAW是借助多个控制面的主动控制来改变整个机翼的形态和气动力分布的,所以其效益是明显的,功能是多重的,可适应的飞行条件是多种的。经美国“AAW工程”及有关风洞模型试验和验证机试验得到的结论是,AAW技术能够获得如下收益:①显著增强控制能力,提高机动性能;②在所有飞行范围内减小气动阻力;③减小结构质量;④提高稳定性和主动抑制颤振;⑤机动载荷减缓;⑥提高设计裕度。而这些优点,根据不同飞机所执行的任务不同,都可折算为相应的起飞总质量的减小和生产成本的降低。
尽管AAW技术是把气动力、结构、外部载荷及主动控制率等设计要求合并在一起,以实现性能尽可能地提高而质量最小,但是在具体的实施方案中还是可以有各种的目的与侧重的。总的来说,有两种意义上的优化。第一种方法是针对已有的机翼来设计主动控制系统(控制律)。在这种设计中,仍保持飞机原有的结构限制,不做大的改动;主要是利用传感器接收的气动弹性信号来优化主动控制面的配置,即利用控制律达到机动性能、颤振稳定性能和载荷减缓等的最优。第二种方法是按AAW方法在标称机翼结构的基础上,耦合气动力、结构和控制系统,并在满足结构约束的条件下达到设计目标(通常是质量)的最优,由此设计一个全新的机翼。这种方法是更为完整意义上的AAW。当然它的基础还必须加上多学科的综合优化。对于一个大型的优化命题,解决的方法必须建立在多级优化的理论之上,采用分层和分解技术,完成结构控制一体化综合。
意义
AAW的优点将给飞机控制方法带来一场变革,作为无尾布局飞机的最佳辅助控制手段,使得AAW成为未来航空技术的一项关键技术。
从主动气动弹性机翼技术的研究看,它是气动伺服弹性技术的拓宽和延伸。气动伺服弹性技术是主动气动弹性机翼技术的核心内容。主动气动弹性技术的设计思想与传统的利用结构的强度和刚度来被动地防止不良的气动弹性效应的设计方法不同,它是通过全权限、快速响应的数字式主动控制系统来主动且有效地利用机翼的柔性。传统的设计方法中,由控制面产生控制力,从而控制飞机运动。而机翼的柔性产生的气动弹性效应会减弱控制面的效能,同时也使机翼的其他气动弹性特性变差,例如颤振速度降低等。为了避免这种不利的情况,只能采用被动的防止方法,这就势必使结构的质量增加。
参考资料
最新修订时间:2024-06-19 18:55
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