智能化复合材料在航空航天领域的应用

  我国的航空 工业随着社会经济的不断发展取得了飞跃式的进步,拥有了世界瞩目的航空航天成就。在航空业发展的过程中,由于飞行机器本身的制和飞行环境诸多因素的影响,对于材料有很高的限制性,尤其体现在高性能、低成本及减重等方面,航空复合材料的出现恰好为航空业提供了源源不断的原材料。对复合材料应用的优势进行分析阐述,并进一步分析了航空用复合材料的选择。

  1.智能旋翼

  智能旋翼是直升机借以飞行并区别于其它航空器的主要部件,它也是智能材料在直升机上应用的最重要方面。目前,国外在智能旋翼方面的研究主要有桨叶主动襟翼/后缘挥舞控制、桨叶主动扭转、智能桨尖控制等技术。例如,将压电材料埋入桨叶中,由于它对电压的响应迅速,它可以周期地改变桨叶扭转形状或是驱动襟翼运动,从而代替传统的拉杆和铰链等机械结构来实施对桨叶的操作。

  美国奥本大学研究开发一种主动控制的自适应直升机旋翼,这种旋翼靠安装在桨根上下面的压电材料板的变形来改变旋翼的桨矩。试验表明,这种旋桨叶可作-4°到+12°的变矩,与铰接式旋翼相比,直升机机动性可提高15% -30%,且使得操作变得简洁、迅速。与无轴承式旋翼相比,这种主动控制的旋翼可以使雷达反射截面显著下降,更利于直升机的隐身。再如,在桨叶大梁中植人形状记忆合金驱动装置,可使桨叶根部至桨尖的扭矩明显下降,从而改善直升机的悬停效率,提高前飞速度。这些技术都极大地改善了旋翼的效能,使旋翼变得结构更加简单、质量更轻、操作更简洁、气动效果更加优良,进而极大地提升了直升机的飞行品质和操纵品质。

  2.自适应机翼

  由智能结构制成的自适应飞机机翼,能实时感知外界环境的变化,同时驱动机翼发生弯曲、扭转以改变翼型和攻角,从而获得最佳的气动特性,并大大减轻质量,提高响应速度,减小转弯半径,改善雷达散射截面,增大升阻比。例如当飞机在飞行过程中遇到涡流或猛烈的逆风时,机翼中的智能材料就能迅速变形,并带动机翼改变形状,从而消除涡流或逆风的影响,使飞机仍能平衡地飞行。美国应用SMA制成了夹心结构树脂基复合材料,用于“柔性机翼”,该机翼可在各种飞行速度下自动保持最佳翼型,提高飞行效率,并可自行抑制出现的危险振动。

  3.变弯度机翼

研究人员进行了形状记忆聚合物蒙皮在变后缘弯度机翼.上应用的研究。将金属弹簀丝预埋在形状记忆聚合物蒙皮中,通过给金属丝通电加热形状记忆聚合物,使其改变刚度。在加热超过形状记忆聚合物的玻璃化转变温度时,电机驱动机翼后缘变形;降低温度后,蒙皮刚度提高,可以承受气动载荷。与此同时,还将光纤光栅传感器贴于中心金属板上表面,通过测量应变实时监测机翼后缘变形参数。通过风洞实验证实,后缘弯度变化有效提高了升力系数,提高了升阻比。

  实现复合材料的智能化将显著降低工艺成本,提高其服役可靠性与使用效率,并拓展复合材料的应用范围。它兼具结构材料和功能材料的双重特性,将使航天、航空结构的性能产生巨大变化,对推动航天、航空技术进步具有重大意义。