소 코 주입: 지능? 변형 가능한 항공기는 효율적이고 유연합니다.
지능형 변형 항공기의 연구 진행은 어떻습니까? 그 핵심 기술의 최근 돌파구는 무엇입니까?
상감 소 텍스트:
북경대학교 서양협약기구 (International West Convention Organization) 의 지능형 변형 항공기는 항공기의 모양을 부분적으로 또는 전체적으로 변경함으로써 항공기가 다양한 임무 요구에 실시간으로 적응하고 다양한 비행 환경에서 최적의 효율성과 성능을 유지할 수 있도록 정의한다. 스마트 변형 항공기는 비행 적응력을 갖춘 신개념 항공기로, 비정상적인 공기역학, 시변 구조역학, 공압 서보 탄성, 스마트 재질 및 구조역학, 비선형 시스템 역학, 스마트 감지 및 제어 과학 등 전방과 핫스팟을 연구하고 있습니다. 미래의 선진 항공기의 발전 방향을 나타냅니다. 지능형 변형 항공기는 거대한 응용 가능성을 가지고 있습니다. 미국 항공우주국이 구상한 미래의 스마트 변종 비행기를 예로 들자면, 신형 스마트 소재, 액추에이터, 센서 및 제어 시스템의 종합 응용을 통해 비행기는 외부 환경의 변화에 따라 형태를 바꿀 수 있다. 전체 비행 과정에서 최상의 성능을 유지할 뿐만 아니라 편안함을 높이고 비용을 절감할 수 있다.
바로 그 거대한 우세와 응용잠재력 때문에 국내외에서 다양한 지능형 변형 설계 이념과 시도가 쏟아져 나오고 있다. 예를 들면 어댑티브 날개, 능동적인 유연성 날개, 능동적인 공압 탄성 날개, 스마트 날개, 스마트 로터, 변형 항공기 등이 있다. 본 논문에서는 날개 표면 변형 방식에 따라 지능형 변형 항공기의 최신 진행 상황을 분류하고, 가변 날개 확장, 가변 현 길이, 가변 두께, 가변 스윕 각도, 가변 굽힘 등 날개 지능형 변형의 다양한 구현 유형을 상세히 소개하고, 지능형 변형 날개를 구현하는 몇 가지 핵심 기술을 정제했습니다. 이 문서의 소개를 통해 지능형 변형 항공기의 설계 아이디어와 핵심 기술에 대해 더 잘 이해하고 이해할 수 있습니다.
변형 날개의 분류 및 진행
날개 평면 모양을 합리적으로 변경하면 비행기의 공압성능을 개선할 수 있다. 다음 표에는 날개 매개변수가 공기 역학적 성능에 미치는 영향이 나와 있습니다. 날개 모양 매개변수를 합리적으로 변경함으로써 비행기의 공압적 특성과 기동성을 개선하고 상승, 항력 감소, 증정, 비행시간의 효과를 발생시켜 비행기가 다양한 비행임무를 효율적으로 완성할 수 있게 해 준다는 것을 알 수 있다. 날개 모양 매개변수의 다양한 영향으로 날개 변형의 설계 방법도 다양하다. 이 글은 각각 변장, 변현 길이, 변두께, 변후 약탈각, 변곡도 등의 변형 형태를 소개한다.
1. 가변 전개 길이
늘이기 늘이기는 날개 변형이 가장 쉽고 직접적인 방법입니다. 날개 확장의 변화는 다음과 같은 장점을 가지고 있습니다. 변형 항공기의 날개 폭을 늘리는 것은 날개 면적과 종횡비를 늘리는 것과 같으며, 이로 인해 리프트 저항 비율이 증가하고, 항행 및 항속 용량이 증가할 수 있습니다. 주차할 때 날개가 수축하면 비행기의 점유 면적을 크게 줄일 수 있다. 양쪽의 날개 폭이 다를 때 좌우 리프트 비대칭으로 인한 회전 모멘트는 비행기의 측면 제어를 용이하게 합니다.
일찍이 1929 년, 미국 디자이너 Vinent 는 처음으로 날개 날개의 디자인 아이디어를 제시하고 GX-3 검증기를 성공적으로 만들어 비행 실험을 진행했다. 193 1 년, 러시아 과학자 Makhonine 은10 항공기에서 13 미터에서 2/로 성장할 수 있는 MAK- 10 항공기를 설계했다 MAK- 123 비행기는 1947 에 나타나고, FS-29 비행기는 1972 에 나타납니다. 두 비행기는 모두 가변 확장 비행기에 속하지만 초기 변형 메커니즘은 너무 무겁습니다.
"텔레스코픽 날개" 는 최근 몇 년 동안 등장한 새로운 가변 날개 확장 설계 이념이다. 국방연구계획국이 2003 년 실시한 변형 가능한 항공기 구조 프로젝트 (MAS) 에서 스트레칭 날개는 세 가지 주요 변형 시나리오 중 하나입니다 (나머지는 접이식 날개와 슬라이딩 스킨 날개, 나중에 자세히 설명). 이 디자인은 토마 호크 순항 미사일을 대상으로 하며 순항비행 시 날개가 펼쳐져 최대 리프트를 얻고 고속 급강하할 때 날개 표면이 수축하여 기동성을 높인다. 그러나 날개 하중이 무겁고 날개가 얇아서 스트레칭 기구를 설치할 수 없어 이 방안을 보급할 수 없다. 노스웨스턴 공업대학의 왕강화등은 신축익 순항 미사일의 공압 외형을 최적화했다. 연구에 따르면 텔레스코픽 날개 설계는 미사일의 연료 소비를 65,438+02% 감소시켜 미사일 성능을 크게 개선할 수 있다. 2007 년 메릴랜드 대학의 줄리 등은 팽창 식 텔레스코픽 빔을 구동 메커니즘으로 사용하여 날개 스트레칭을 통해 리프트를 변경하고 회전을 제어하고 풍동 테스트를 실시했습니다. 테스트를 거쳐 최대 230% 의 현비를 바꿀 수 있고, 상승저항비는 16 까지 올라갈 수 있다. 그러나 부드러운 가죽으로 인한 기생 저항은 공압 성능에 어느 정도 영향을 미쳤다.
전반적으로 날개 날개는 스트레칭 매커니즘의 구조적 감량 설계, 고속 비행의 날개 감량 설계, 탄력 스킨의 연속 밀봉 설계 등 일련의 문제도 해결해야 한다. 엔지니어링 응용과는 거리가 멀다.
2. 가변 현 길이
긴 날개의 조작 효과와 마찬가지로 긴 날개도 날개 변형을 통해 현비와 날개 면적을 합리적으로 변경함으로써 비행기의 상승저항 비율, 비행 속도 및 기동성을 최적화합니다.
변현 길이 개념의 가장 전형적인 응용은 전통 비행기의 날개 디자인이다. 나선형 매커니즘을 통해 플랩에 현방향 변형이 발생하여 비행기의 이착륙 성능과 회전 기동성을 크게 높일 수 있다. 익형 자체의 경우 빔 선반, 연료 탱크 등의 장비 간섭 또는 익형이 작고 공간이 부족하여 현 길이 설계가 어려워져 국내외 관련 연구가 상대적으로 적다. 일찍이 1937 년 러시아 과학자 바카샤예프는 최초의 변현기 RK- 1 을 설계했다. 비행기의 현길이는 6 현 신축성 중첩 기체로 바뀌고, 원기 날개 면적이 44% 변경되고, 개선된 비행기의 변화는 135% 에 달하며, 신축기구를 통해 현을 바꿀 수 있는 가능성을 검증했다.
최근 몇 년 동안 미국 CRG 회사를 대표하는 과학기술회사는 복합소재와 지능소재를 이용해 현길이 변하는 날개 연구를 재개했다. 2004 년 CRG 의 Perkins 등은 최대 400% 의 모양 기억 합금 재질을 압축하여 가변 현 길이 설계에 사용했습니다. 실험에 따르면 이 재질은 가열 후 원하는 변형에 도달할 수 있지만 모양 메모리 합금은 불안정성으로 인해 냉각 후 원래 모양으로 되돌릴 수 없는 것으로 나타났다. 2005 년 CRG 의 리드와 다른 사람들은 갈비뼈가 서로 침투하는 변현 날개를 설계했다. DC 모터 및 가이드에 의해 날개 면적이 거의 80% 증가할 수 있지만 이 설계에는 매커니즘이 복잡하고 스킨 재질 복원력이 낮은 문제도 있어 변형의 초기 상태로 돌아가기가 어렵습니다. 20 1 1 펜실베이니아 주립대학의 Barbarino 등은 헬리콥터 블레이드의 현 변형 설계에 압축성 벌집 구조를 적용했습니다. 변형된 벌집 구조는 순환 구동을 견딜 수 있으며 현 변형은 약 30% 증가할 수 있습니다. 또한 디자이너는 유연한 스킨을 미리 늘려서 날개 표면의 연속적인 매끄러움을 보장한다는 점도 주목할 만하다.
모양 기억 합금과 복합 벌집 구조 등 새로운 재료와 신기술의 추진으로 최근 몇 년 동안 변현 날개의 개념이 많이 등장했지만, 이러한 신소재의 성능 안정성은 엔지니어링 응용을 용이하게 하기 위해 향상되어야 한다.
3. 가변 두께
가변 두께 설계는 날개 모양의 뚜렷한 변화를 일으키지 않고 날개의 윤곽을 조정하는 것을 의미하며 경미한 변형 설계입니다. 날개 두께의 변화는 높은 저속도에서 익형의 공압성능을 향상시키고 경계층 분리를 피하거나 늦추고, 전이 위치 및 급파를 제어하여 파동저항을 줄이고, 흔들림을 억제하는 등의 장점을 가지고 있다.
일찍이 1992 년 미국 오스틴 등은 트러스 구조에 기반한 가변 두께 날개를 설계했다. 디자이너는 트러스에 선형 변위 드라이브를 배치했으며, 인센티브 드라이브를 통해 트러스의 각 장대 길이를 조정하여 날개 두께를 조정하고 공압 효율을 최적화할 수 있습니다. 최근 몇 년 동안 캐나다 국립연구센터는 두께가 변하는 날개에 대한 일련의 이론 연구와 실험 검증을 실시했다. 2007 년에 이 센터의 Coutu 등은 가변 두께 날개를 설계했다. 날개는 단단한 기체, 유연한 스킨 및 날개 내부에 설치된 드라이브로 구성됩니다. 날개 스킨은 좋은 유연성과 충분한 지지 강성을 가진 탄소 섬유 복합 재질을 사용합니다. 운전자의 격려로 날개 두께가 바뀌고 날개의 층류 효과가 효과적으로 개선되었다. 2008 년에 이 센터의 Andrei 등은 날개의 표면 두께 방향에 대한 인센티브를 설계했다. 17 의 다양한 익형에 대한 수치 시뮬레이션을 통해 전환 위치 지연에 대한 결론을 얻어 주기 구동 인센티브를 전환 제어에 적용할 수 있음을 입증했습니다. 2009 년 Andrei 의 연구에 따르면 그리골리는 변형 제어를 위한 어댑티브 신경 블러 제어기를 설계했습니다. 컨트롤러는 압력 센서에서 수집한 익형 표면 압력에 따라 참조 익형과 최적화 익형 사이의 압력 변화를 계산하여 처음으로 압력 변화와 전환 위치 간의 직접적인 연관을 실현했습니다. 또한 2009 년 영국 브리스토 대학의 스티븐 등은 압전 재료를 액츄에이터로 사용하여 날개 스킨의 윗면에 장착했다. 전원이 들어오면 인센티브가 고정 주파수의 진동을 생성하여 피부 표면의 경계층 흐름을 변경합니다. 풍동 실험에 따르면 이런 구동 방식은 날개 저항을 줄이고 리프트를 높일 수 있다.
가변 두께 날개 설계는 익형을 약간 변경하여 유동장을 조정하고 공압 성능을 향상시키는 목적을 달성할 수 있습니다. 압전도자기 등 신형 스마트 소재가 발전함에 따라 향후 엔지니어링 응용 프로그램에서 더 많은 응용 시도와 더 큰 경제적 가치를 창출할 것입니다.
4. 변경 후 엿볼
작은 뒷날개는 날개가 저속할 때의 효율을 높이는 데 도움이 되고, 큰 뒷날개는 고속일 때의 흥파 저항을 줄이는 데 도움이 된다. 후방 약탈각은 비행 상태에 따라 독립적으로 변화하여 고저속의 각기 다른 공압성능을 겸비하는 가장 효과적인 수단이 되었다. 이 때문에 스윕 기술도 날개 모양을 가장 먼저 바꾸는 성숙한 기술이 되었다.
1940 년대부터 70 년대까지, 변화 약탈 기술은 미그 -23, F- 14, 게일, B- 1B 폭격기 등 많은 전투기와 폭격기에 성공적으로 적용되었다. 그러나 초기의 변후 기술은 그 기관과 조작이 복잡하고 고장률이 높고 유지 관리가 어려워 점차 쌍삼각형 설계, 오리날개 설계, 큰 사이드바 설계, 날개 본체 융합 기술로 대체되어 항공기 하중, 외형 및 은신 성능 향상을 제한하고 있다. (윌리엄 셰익스피어, Northern Exposure (미국 TV 드라마), 스포츠명언)
2 1 세기, 신소재, 신기술의 발전과 응용으로, 뒤바래기 비행기의 성능도 발전하고 향상되었다. 2004 년에 버지니아 공대의 닐과 다른 사람들은 어댑티브 변형을 가진 드론 모형을 설계했다. 날개 폭은 65,438+07%, 기체 꼬리는 65,438+02%, 날개는 20% 비틀릴 수 있으며 드론의 뒷쪽 각도는 0 에서 40 으로 변경할 수 있습니다. 풍동 실험은 드론 모델의 다양한 변형 형태의 유효성을 검증했다. 2006 년 플로리다 대학의 그랜트 등은 갈매기의 비행 자세를 연구하여 다중 노드 가변 후 소형 항공기를 설계했다. 항공기 날개의 내부 및 외부 날개에는 독립적인 가변 백 각도 메커니즘이 있으며, 시뮬레이션은 좋은 스티어링 능력과 측면 바람 저항 능력을 가지고 있음을 보여줍니다. 20 13 중국 항공우주동력연구원 진겸 등은 항공기 외익의 대규모 전단 후 스윕 모드를 설계하고, 풍동 실험을 통해 변후날개로 피부, 구조, 구동, 제어 등 공압특성 연구의 필요성을 충족한다는 것을 검증했다. 준정공압특성 곡선은 변후날개의 공압효과가 크다는 것을 보여준다.
가장 주목할 만한 것은 미국 NextGen 이 MAS 프로젝트를 위해 설계한 슬라이딩 스킨 가변 후래날개 항공기 MFX- 1 가 기존 날개 내장 기체의 가변 후래날개 모드와 달리 비행기 현이 뒷날개와 독립적으로 변할 수 있다는 점이다. 2006 년 MFX- 1 첫 비행에 성공했습니다. 185~220km/h 속도에서 날개 폭은 30%, 날개 면적은 40%, 뒷날개는15 에서 35 로 변경되어/kloc 를 초과하지 않습니다 테스트 결과는 비행기가 날고 있다는 것을 성공적으로 증명했다.
5. 가변 곡률
굽힘은 날개의 리프트를 생성하는 가장 기본적인 요소입니다. 굽힘을 변경하면 날개 표면의 기류 분리를 효과적으로 제어할 수 있으며 비행기의 비행 기동성을 크게 향상시킬 수 있습니다. 특히 일반적으로 낮은 레이놀즈 수 비행 상태에 있고 성능은 주로 층류 경계층 흐름에 의존하는 저속 항공기입니다.
국내외 변곡도 날개에 대해 198 1 의 MAW 프로젝트에서 기계적 힌지식 변곡도 날개, 1992 의 Powers 등 F-/Kloc-0 과 같은 많은 연구를 진행했다.
최근 몇 년 동안 스마트 소재와 선진 제조 기술의 발전은 변곡도 날개에 좋은 재료와 기술 기반을 제공했다. 2003 년 버지니아 대학의 Elzey 등은 모양 기억 합금으로 구동되는 연결형 변곡도 날개를 설계하여 날개 단면을 크게 구부렸다. 2009 년 텍사스 A&M 대학의 피어와 다른 사람들은 중앙 날개 상자의 에어백을 가압하여 날개 앞부분과 후단의 변형을 구동하는 메커니즘을 만들었습니다. 테스트 결과 익형 머리의 최대 변형량은 14 이고, 익형 꼬리의 최대 변형량은 13 이며, 변형 후에도 스킨은 부드럽고 연속적으로 유지됩니다. 20 1 1 스위스 구조과학과 기술센터의 하세 등은' 옆구리 구조' 라는 개념을 제시하고 이를 변형된 날개 디자인에 적용했다. 디자이너는 기존의 힌지 구조 대신 분산 유연성 있는 리브 구조로 형상 변형이 크고 하중력이 높으며 무게가 가볍다는 장점을 가지고 있습니다. 지상 실험에 따르면 날개 리브 구조 설계는 NACA00 12 에서 NACA 242 까지 익형을 실현할 수 있습니다. 20 15 년, 미국 공군연구소의 제임스 등은' 유연한 기계' 를 바탕으로 보형익형을 설계했다. 유연한 매커니즘은 스마트 재질의 구동 변위를 확대하여 전면 및 후면 가장자리로 전달하여 에어 포일 제어에 필요한 에너지를 줄일 수 있습니다. 컨트롤 표면을 제거하면 날개의 무게와 비용도 줄어듭니다. 실험 모델은1.8m 이며 공압하중 하에서 캠버 변화는 6% 를 초과합니다. 20 15 이탈리아 Alessandro 등은' 비대칭 구조' 를 기반으로 공형 날개를 설계했다. 설계 아이디어는 "유연한 메커니즘" 과 유사하며 동적 변위 확대를 전면 및 후면 가장자리로 전달할 수 있는 잘 설계된 힘 전달 메커니즘입니다. 이 설계는 변형으로 인한 국부 응력을 효과적으로 피할 수 있다. 디자이너는 지상 실험을 통해 비대칭 벌집 구조의 독립 변형의 선진성을 증명하고 구조의 전형적인 파괴 형태와 큰 변형으로 인한 강한 비선형성을 분석했다. 20 15 영국 스완시 대학의 Benjimin 등은 생물학에서 영감을 받아' 어골의 능동적인 구부리기 변형' 이라는 개념을 제시했다. 어골 구조를 이용하여 익형의 현 강성을 낮추어 익형의 굽힘을 조절하다. 풍동 실험에 따르면 같은 실험 조건 하에서 변형 날개는 기존 날개의 상승저항 비율보다 20 ~ 25% 높아진다. 이 개념은 고정익, 헬리콥터, 풍력 터빈, 조수에 적용될 수 있다. 20 16 년 스위스 복합소재와 적응구조연구소의 Francesco 등은 보조익을 대체할 수 있는' 주름피부 강화' 날개를 설계했다. 물의 작용으로 후연의 주름 표피는 신축되어 꼬리를 위아래로 구부릴 수 있다. 풍동 실험에 따르면 이 설계는 고주파 회전 제어력을 제공하고 보조익 기능을 효과적으로 대체할 수 있으며 날개의 연속 모양 때문에 0 리터 저항을 크게 줄일 수 있습니다.
현재, 외국은 변곡도 날개의 연구를 매우 중시하고 있으며, 스마트 소재가 발전함에 따라 각종 디자인 이념이 생겨났다. 변곡도를 기반으로 한 보형익형 설계는 날개의 굽힘을 변경하여 기류의 분리를 제어하고 비행기의 공압성능을 향상시킬 뿐만 아니라, 현단면에 따라 다른 굽힘을 설정하여 날개의 뒤틀림을 실현하고, 비행기의 회전 기동을 제어하고, 깃 날개와 같은 조작면을 효과적으로 대체할 수 있어 높은 응용가치와 공학적 타당성을 가지고 있다.
변형 날개의 핵심 기술
앞서 소개한 바에 따르면 날개 변형 방법은 다양하지만 변형된 모든 날개는 넓고 매끄럽고 연속적인 유연한 스킨 구조, 가볍고 효율적인 변형 구동 시스템, 빠르고 예민한 감지 제어 시스템 등을 빼놓을 수 없습니다. 따라서 날개 변형을 실현하는 핵심 기술은 다음과 같은 범주로 나눌 수 있습니다.
1. 부드럽고 연속적인 유연한 피부 기술
변형 날개는 일반 날개에 비해 피부 구조에 대한 새로운 요구 사항을 제시합니다. 즉, 스킨은 무게가 가볍고, 면 내 법선 강성이 높고, 공압하중을 견디고 전달할 수 있는 특성일 뿐만 아니라, 충분한 매끄러운 연속성과 광범위한 변형 특성도 유지해야 합니다. 따라서 기존 재질을 새 재질과 결합하여 구조 설계 혁신을 수행하고 변형 시나리오를 충족하는 무게, 변형 능력 및 운반 능력을 갖춘 유연한 스킨 구조를 설계하는 것은 향후 지능형 변형 항공기 설계의 중요한 과제입니다.
가볍고 효율적인 변형 구동 제어 기술.
변형 날개의 구동 및 제어도 지능형 변형 항공기 설계의 핵심 기술 중 하나입니다. 지능형 변형 항공기의 구동 장치는 경량화, 분산, 고효율, 빠른 응답, 저전력 및 제어가 용이한 특징을 가져야 합니다. 기존의 모터와 유압 구동 방식은 너무 번거롭고 복잡하여 설계 요구 사항을 충족하기가 어렵다. 스마트 재질을 기반으로 하는 새로운 구동 장치는 자기 변형 실행기, 압전 세라믹 실행기, 모양 메모리 재질 실행기 등과 같은 후속 개발의 초점이 되어야 합니다.
큰 변형에 적응하는 분산 센서 네트워크 기술.
구조적 지능형 변형은 주변 환경과 자체 상태의 변화를 실시간으로 감지하고 감지해야 하며, 이를 위해서는 날개에 다양한 정보를 감지할 수 있는 감지 요소가 가득 차 분산 멀티 센서 네트워크 시스템을 형성해야 합니다. 센서 구성요소는 충분한 정확도와 빠른 응답 특성을 보장해야 할 뿐만 아니라 지능형 변형 항공기의 큰 변위, 큰 변형의 동작 특성에도 적응해야 하며, 이는 센서 구성요소와 센서 네트워크에 새로운 요구 사항을 제시하고 미래의 과제 중 하나입니다.
스마트 변종 항공기 설계는 민용과 군용기 분야에서 광범위하게 응용할 수 있는 신기술로, 신형 스마트 소재, 생체 공학 설계, 구조 최적화 설계, 고급 감지 기술, 다중 정보 융합 기술 등의 학과의 발전을 촉진할 수 있으며, 미래의 신개념 항공기의 예연과 기술 비축에 큰 의의가 있다. 이 문서에서는 지능형 변형 기술에 대한 요약을 통해 지능형 변형 항공기의 설계 및 개발에 대한 적절한 참조를 제공합니다.