收稿日期:1997210207第一作者男31岁讲师100083北京1)航空科学基金(97A51038)资助项目主动气动弹性机翼技术分析1)杨超陈桂彬邹丛青(北京航空航天大学飞行器设计与应用力学系)摘要以伺服气动弹性(或称气动伺服弹性)技术为出发点,结合国内外研究情况,分析近年来正在发展的、能多方面提高飞机性能的飞机设计新技术———主动气动弹性机翼(也称主动柔性机翼)技术的主要设计思想与特点、关键技术、与传统机翼设计技术的区别、应用前景等,反映该技术的多学科综合和一体化的特点,供飞机设计、气动弹性等研究人员参考.关键词气动弹性动力学;柔性机翼;飞行控制;气动伺服弹性;主动控制;一体化设计分类号V211.47未来飞机应具有大柔性、结构与起飞重量比小的特点,在高性能数字式控制系统的支持下,能巧妙地利用气动力与气动弹性效应,具有很好的飞行性能.正在发展的能够将性能、推进系统、结构、气动力和飞控系统等多种学科集成起来的设计方法,可用来解决飞行中飞行控制系统、柔性结构、气动力等的相互作用问题(如伺服气动弹性问题,简称ASE),将在飞机设计中起主要作用.随着主动控制技术(简称ACT)在航空技术领域的发展,逐步使人们认识到结构的柔性在主动控制技术的支持下可以发挥更大的潜力.为了证明ACT与ASE技术的结合在飞机设计中的关键作用,1985年至1992年,由美国空军、NASA兰利研究中心和Rockwell公司共同发起了主动柔性机翼(ActiveFlexibleWing,简称AFW)工程计划[1],验证了AFW概念,证明AFW技术是未来多用途战斗机设计的多功能关键技术之一,技术上已经达到了可以应用于新机而又没有多大风险的程度.1996年已经开始了第2阶段的研究,在美国空军的支持下,怀特试验室、爱德华空军基地、NASA德莱顿研究中心、NASA兰利研究中心联合开展了主动气动弹性机翼(ActiveAeroelasticWing,简称AAW,是AFW的重新命名)技术的飞行试验研究[2],目的是使AAW技术进一步转化到实际工程中.从AAW技术的研究来看,它是ASE技术的拓宽和自然延伸;ASE技术是AAW技术的核心内容,是AAW技术发展的坚实基础.国内ASE研究始于70年代,相继在多个机型上实施了ASE分析,同时也开展了ASE综合技术的理论研究和实验验证[3],包括气动能量方法[4],线性二次型调节器(LQR)法[5]和线性二次型高斯(LQG)法[6]的颤振抑制和阵风减缓的模拟和数字式控制律的综合,并对多输入2多输出系统的鲁棒稳定控制[7～9]及结构/控制一体化[10]做了研究和探讨.本文结合国内外ASE、AAW技术的研究情况,介绍这种新机设计技术的设计思想与功能、关键技术以及发展状况等.1主动气动弹性机翼的设计思想与功能AAW技术的设计思想与采用结构的强度和刚度来被动地防止结构柔性引起的气动弹性不良效应的传统设计方法不同,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,同时使机翼的颤振特性变差.为了避免这种不利情况,只能加强机翼强度和刚度或附加其他控制面,从而使结构重量增加.国外AAW技术中,机翼带有多个前缘和后缘控制面,在主动控制系统的操纵下,多个控制面1999年4月第25卷第2期北京航空航天大学学报JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsApril1999Vol.25No12协调偏转(如美国AFW工程中的风洞试验模型,共有4对控制面,即内侧前、后缘和外侧前、后缘控制面各1对[1,2]),主动使机翼发生所希望的弹性变形,由变形的机翼产生控制力,使飞机运动特性改变.如果设计合理,控制面只要偏转较小的角度(大约±5°),就能提供足够的控制能力,满足设计要求,而此时的机翼扭转变形比传统设计方法设计的机翼的变形还要小.美国AFW工程及有关验证机试验得到的结论是,AAW技术能获得如下收益:1)显著地增强控制能力;2)在所有飞行范围内减小气动阻力;3)减小机翼结构重量;4)展长和后掠角一定时,拓宽机翼设计的手段;5)抑制颤振和提高颤振临界速度;6)阵风与机动载荷减缓,提高机动性.AAW技术本身涉及结构、控制、气动力等多门学科,是ASE、ACT、结构优化、机翼设计、传感器、测量、风洞试验、计算机等多项技术的集成.其中有些技术已经发展多年,比较成熟;...
