3.2 可变体飞行器气动原理与变形结构力学研究
随着对飞行器的飞行效率、机动性和多任务适应能力等综合需求的不断提高，智能变形飞行器近年来逐渐在学术界和航空工业界掀起了研究热潮。然而，智能变形飞行器还是一个崭新的研究领域，各国的研究都还处于不同程度的起步阶段，对于其中的许多概念和关键问题至今还没有非常明确、统一的认识。一般认为，智能变形飞行器是对近年来出现的主动气动弹性翼、自适应气动结构机翼、智能机翼、智能旋翼、变体飞行器等飞行器设计新概念的一个比较笼统的总称，是受鸟类飞行的仿生学启发，综合运用空气动力学、气动弹性力学、飞行力学、智能材料结构、现代机械工程、现代控制技术、信息技术、多学科优化和仿生学等学科技术，通过改变飞行器的几何结构和气动外形来提高飞行器性能以适应多种飞行条件和飞行任务要求，达到全航程最优的一种多功能高效能飞行器概念。
智能变形飞行器的研究是一项富有创造性的工作，涉及非定常气动力学、时变结构力学、气动伺服弹性力学、智能材料与结构力学、非线性系统动力学、智能感知与控制科学等多个学科前沿和热点。其中，作为实现智能变形飞行器的物质基础，重量轻、结构紧凑，既能符合气动承载要求，又能满足飞行器变形需求的可变形结构的设计问题，一直是智能变形飞行器研究中的一项关键内容，也是当前制约智能变形飞行器实现的瓶颈问题。本项目研究工作将在推动国内可变体飞行器研究方面产生一定作用。本项目主要得到以下结论。
①实现了宽广速域（亚声速、跨速域、高超声速）的可变体飞行器气动布局研究。本研究团队从气动布局设计、绕流流动计算与实验、气动特性分析这三方面，探索了亚声速变斜掠机翼和变后掠机翼、跨速域可伸缩机翼和变前掠机翼、高超声速可变体吻切锥乘波体和斜激波乘波体，获得了近空间宽广速域的有效可变体气动布局及其气动特性现象与机理。针对旋转变后掠和剪切变后掠翼身组合体在宽广速域的绕流流场进行分析，采用黏性可压缩流动的数值模拟方法和三棱柱-四面体的非结构-结构混合网格，通过数值模拟得到剪切变后掠具有优于旋转变后掠的特性，前者在宽广的速域内均具有显著优越的升阻比和阻力，主要原因在于不同变后掠方式所引起的流场结构的显著差异。基于两种结构的气动特性计算结果，设计了气动特性相对较优的飞机外翼段大尺度剪切式变后掠方式，研制了基于可控变形结构与连续变形规律的实验模型。风洞实验表明，其准定常气动特性曲线显示出变后掠的较大气动效益，其非定常气动特性曲线呈现出滞回环，原因可能在于机翼附加速度效应和流场结构迟滞效应。可变后掠角及展长的翼身组合体的风洞试验表明，大尺度变形能显著改变飞行器的升力、阻力和升阻比等气动特性。对于给定的迎角，若其值在一定范围内，则升力、阻力和升阻比均随后掠角增大而减小，随展长增大而增大；最大升力随后掠角增大而增大，最小阻力随后掠角增大而增大，最大升阻比随后掠角增大而减小，最大升力、最小阻力和最大升阻比均随展长增大而增大。对于给定的升力，若其值不太小（如升力系数大于0.50），则总阻力随后掠角增大而增大；若其值在某一范围内，则存在唯一的展长使总阻力达到理论最小值，寄生阻力随展长增大而增大，诱导阻力随展长增大而减小；若考虑其整个值域范围，则可变形翼身组合体通过其变形可实现阻力的优化，这实际上可为飞行器减阻提供一种新思路。大尺度变形能显著改变飞行器的升力、阻力和升阻比等气动特性，进而使可变形飞行器能适应多种环境和任务，因而在全飞行周期中比传统固定外形飞行器具有更优的性能。
宽广速域的可变体飞行器气动特性现象与机理的研究为近空间可变体飞行器的气动研究提供了一种现实可行的思路，按照此思路设计宽广速域近空间可变体飞行器，机翼几何参数大幅度变化过程中翼面始终保持光滑、连续和无缝。因此，蒙皮在变形过程中具有足够的刚度来维持机翼的气动外形，这降低了对驱动器能耗的要求，在变形过程中翼面保持光滑、连续和无缝，进而可实现优异的气动性能。
②揭示了可变体飞行器典型变形过程中非定常气动特性的现象和机理。建立了二维翼型与三维机翼分析气动模型，并从理论分析和风洞实验这两方面进行了研究。建立了二维翼型（儒可夫斯基翼型）在低速、亚音速以及超音速流动条件下变形的数值模拟方案，研究了可变形翼型的非定常气动特性。当翼面变形法向运动速度远小于来流速度的不可压缩理想流体时，脱落或尾迹对升力系数和机翼绕流环量的影响很小，变形机翼升力系数准定常计算方法的误差主要来源于流体非定常运动引起的附加升力，该非定常附加升力系数仅与当前时刻飞行姿态及翼型形状和变形速率有关，与具体的变形历史过程无关，变形机翼的升力系数近似等于准定常计算结果叠加上相应的非定常附加升力系数；当翼面变形法向运动速度远小于来流速度时，建立了变形机翼准定常升力系数和非定常附加升力系数在可压缩和不可压缩两种状态下的简单近似对应关系，给出了非定常升力系数与来流马赫数之间的关系；分析了不同马赫数下机翼往复变形过程中气动升力的变化特性；当二维超音速流动时，提出了二维超音速流动条件下对工程上广泛使用的准定常流动设计方案的简单修正方法；着重分析了不同马赫数下机翼往复变形过程中升力的变化特性，同时还与亚音速流动条件下进行了对比。
揭示了可变体飞行器变后掠引起的气动特性动态迟滞现象及滞回环大小与方向的影响因素，基于风洞实验结果和力学中一些重要概念，提出了流场迟滞效应、附加运动效应、固壁牵连效应三种物理效应，以此定性与定量论证了可变体飞行器变后掠过程中非定常气动特性的形成机理，可用于后续可变体飞行器变后掠过程中的气动特性建模。发现了无人机变后掠过程中非定常气动特性曲线在相应的准定常曲线周围形成滞回环；无人机变后掠速率越快，滞回效应越显著；无人机以约7.5°/s的速率变后掠，会使非定常气动特性数值偏离相应的准定常数值5%以上。变后掠无人机非定常气动特性产生的主要原因在于流场结构迟滞和机翼附加速度新的现象。上述研究为近空间可变体飞行器的飞行力学研究提供了瞬态气动特性依据。
③研究了两类智能变形材料（形状记忆聚合物和形状记忆合金）的力热特性。形状记忆合金丝或颗粒增强的智能复合材料具有特殊的力学性能，智能材料由于其具有不同于传统功能材料的力学特性和形状记忆效应，具有对环境条件（温度、应力等）的感知功能和具有对系统的驱动功能，可以作为自适应结构的主要调控元件。将形状记忆合金丝或颗粒埋入到树脂、金属以及复合材料等基体中，经过细观力学原理设计，可制成具有分布式传感器和驱动器的智能复合材料，从而实现对材料力学行为的主动控制。在深入研究智能材料准静态热力耦合特性和本构模型的基础上，探究了两种SMA智能材料的约束态热力耦合特性、不完全相变热力耦合特性和应变率相关动态热力耦合特性；实验测得SMA不完全马氏体逆相变过程存在“温度记忆”效应，且重新开始相变的温度与上次热循环中断的温度之间总是滞后3K左右。实验测得在中低应变率拉伸条件下存在应变率相关性，准静态拉伸条件下的应力屈服平台消失，塑性段应力-应变曲线斜率与应变率成明显正相关关系。智能复合材料也可以被看作一种自适应结构，这为变形蒙皮和变形结构设计提供了材料学基础。
④研究了可变体飞行器的稳定变形结构与高效驱动机构。SMA致动器具有结构紧凑、双向输出、承受负载高、输出力大、推重比高和位移行程长等优点，采用SMA丝驱动元件设计制作的致动器可以获得大推力和长行程。柔性结构在SMA丝拉力作用下的变形情况对驱动器的转角输出有很大影响，因此采用三次B样条曲线描述柔性结构的形状，通过有限元法分析柔性结构的变形，并应用遗传算法进行柔性结构的形状优化和SMA丝作用点位置优化。实际算例表明，利用优化方法可快速有效地获得使SMA柔性扭转驱动器输出转角最大的柔性结构形状与SMA丝作用点位置。在此基础之上，提出了结合SMA致动器和电机各自优点的“SMA智能材料-电机混合致动器”概念，对其中的并联模式和混联模式进行了系统动力学建模与分析，并研制了首台SMA-电机混联直线致动器原理样机。针对其中较粗丝致动器电阻小、电热困难的问题，发明了缠绕漆包线同时通电加热的新型复合电热驱动技术，并建立了简化的热力学模型。这部分研究工作为实现飞行器智能变形结构的高效致动和控制提供了一种新的技术思路，并且为变形蒙皮和变形结构设计提供了动力学基础。