基本介紹
- 中文名：主動氣動彈性機翼
- 外文名：Active Aeroelastic Wing
- 成果：扭轉剛度降低,減小機翼結構重量
- 意義：飛機控制方法帶來一場變革
研發歷程,優缺點,意義,
研發歷程
20世紀80年代中期，Rockwell公司提出並發展了主動柔性機翼(AFW，Active Flexible Wing)的概念。此概念是利用而不是迴避機翼的柔性，以使得先進構型戰鬥機的質量得以減小，並提高其氣動力性能。
傳統上的飛機設計遵循了由強度準則進步到剛度準則的途徑，這本身即反映了對飛機設計在認識上的一大跨越。對剛度的足夠重視，對於提高飛機性能是有利的。要想使飛機總體性能提高，那么一個永恆的目標就是使質量最小。從減小質量的角度看，又希望高性能飛機的柔性要大一些，這樣一來氣動彈性效應隨之增加，一般來說，機翼(包括其他氣動面)的氣動彈性效應是一種負面影響。一個典型而又極具重要性的例子，就是後掠機翼滾轉機動的控制面效率和反效。對於高動壓的飛機，後掠機翼操縱效率會構成一個設計的臨界條件，萬不得已時還可能推翻原定的方案而重新布局。由靜氣動彈性已知，常規的後緣控制面(副翼)偏轉，在氣動彈性效應下產生的氣動扭轉正好與滾轉機動所需的控制力反向，動壓愈高，操縱效率愈低，甚至反效，此時，滾轉機動能力蕩然無存。為解決這一問題，傳統方法是提高機翼的扭轉剛度，以便加大後緣控制面的偏角，從而加大控制力。但這樣做的後果是結構質量增大，而且，翼型彎度增加還使飛行阻力增加。類似的例子還有很多，例如飛行載荷、顫振和陣風回響等產生的氣動彈性效應通常為不利影響，柔性愈大愈為嚴重。傳統的解決辦法都擺脫不了提高剛度這一條，以此來防止或減緩影響，而最直接的後果是增大飛機質量和降低飛機性能。在設計理念上，這種模式屬於被動設計。
被動設計，對於飛機，特別是高性能戰鬥機，只能在剛度和性能之間取折中方案。這種設計理念認可設計缺陷。
傳統上也採用最佳化方法。但多數只能在多學科獨立完成之後，在多學科之間進行反覆疊代直至最終結果。例如，氣動力是通過氣動設計變數(如扭轉和彎度)來設計最小阻力；結構是通過結構設計變數(如厚度)來設計最小質量，同時通過約束來保持變形和穩定性等要求。這種最佳化是在各自約束下彼此串接式傳遞數據進行疊代，直至數據收斂。也就是說沒有達到綜合最佳化。
主動氣動彈性機翼(AAW)技術在設計理念上有了全新的突破。對於AAW，其最佳選擇恰好是低的剛度並加上多個控制面。一般，在左、右機翼上分別安排四個控制面，AAW的要點正是利用機翼在氣動力作用(還可以有慣性力的共同作用)下產生的氣動彈性變形或運動，由感測器接收信號，再通過主動控制系統按預定目的驅動並協調多個控制面的偏轉或偏轉運動，反饋至機翼，從而使整個機翼產生所希望的變形或運動，從本質上提高整個機翼控制氣流能量的能力，包括吸收或者散逸能量。由此可見，主動控制起到了機翼剛度所起不到的作用。而主動控制律則是一個關鍵設計，如果設計合理，潛力是很大的。控制面偏角以下偏為正，上偏為負。注意到在所有動壓下，每個控制面的偏角均小於5°，說明所需的偏角是很小的；前緣外側控制面起到比較重要的作用；後緣控制面在進入反效區時將改變偏角方向。這個例子說明，AAW是利用控制面形成機翼的氣動扭轉，從而提供大的控制力並減小了氣動阻力。顯然，在這樣的設計中，機翼的剛度可以降低，從而使飛機質量減小，總的機翼載荷也會相應減緩。由此例可以看出，在AAW的設計中，設計者不必為剛度所困擾，剛度的不足已經通過控制面的正確配置而得到彌補，而且還會更好。所以，這種設計模式是一種主動設計。
優缺點
由於AAW是藉助多個控制面的主動控制來改變整個機翼的形態和氣動力分布的，所以其效益是明顯的，功能是多重的，可適應的飛行條件是多種的。經美國“AAW工程”及有關風洞模型試驗和驗證機試驗得到的結論是，AAW技術能夠獲得如下收益：①顯著增強控制能力，提高機動性能；②在所有飛行範圍內減小氣動阻力；③減小結構質量；④提高穩定性和主動抑制顫振；⑤機動載荷減緩；⑥提高設計裕度。而這些優點，根據不同飛機所執行的任務不同，都可折算為相應的起飛總質量的減小和生產成本的降低。
儘管AAW技術是把氣動力、結構、外部載荷及主動控制率等設計要求合併在一起，以實現性能儘可能地提高而質量最小，但是在具體的實施方案中還是可以有各種的目的與側重的。總的來說，有兩種意義上的最佳化。第一種方法是針對已有的機翼來設計主動控制系統(控制律)。在這種設計中，仍保持飛機原有的結構限制，不做大的改動；主要是利用感測器接收的氣動彈性信號來最佳化主動控制面的配置，即利用控制律達到機動性能、顫振穩定性能和載荷減緩等的最優。第二種方法是按AAW方法在標稱機翼結構的基礎上，耦合氣動力、結構和控制系統，並在滿足結構約束的條件下達到設計目標(通常是質量)的最優，由此設計一個全新的機翼。這種方法是更為完整意義上的AAW。當然它的基礎還必須加上多學科的綜合最佳化。對於一個大型的最佳化命題，解決的方法必須建立在多級最佳化的理論之上，採用分層和分解技術，完成結構控制一體化綜合。
意義
AAW的優點將給飛機控制方法帶來一場變革，作為無尾布局飛機的最佳輔助控制手段，使得AAW成為未來航空技術的一項關鍵技術。
從主動氣動彈性機翼技術的研究看，它是氣動伺服彈性技術的拓寬和延伸。氣動伺服彈性技術是主動氣動彈性機翼技術的核心內容。主動氣動彈性技術的設計思想與傳統的利用結構的強度和剛度來被動地防止不良的氣動彈性效應的設計方法不同，它是通過全許可權、快速回響的數字式主動控制系統來主動且有效地利用機翼的柔性。傳統的設計方法中，由控制面產生控制力，從而控制飛機運動。而機翼的柔性產生的氣動彈性效應會減弱控制面的效能，同時也使機翼的其他氣動彈性特性變差，例如顫振速度降低等。為了避免這種不利的情況，只能採用被動的防止方法，這就勢必使結構的質量增加。
