变高度、变倾角的翼梢小翼驱动技术研究

摘要

减阻是飞机设计的主要任务之一，翼梢小翼能有效降低飞机的诱导阻力。传统翼梢小翼仅面向巡航状态优化，而在起飞、爬升等非设计状态的减阻效率较低。针对该问题，本文研究了一种可变高度和倾斜角的变体翼梢小翼，能根据飞机的飞行状态主动改变自身的高度和倾斜角，实现整个飞行包线内实时优化飞机阻力特性的目的。
　　本文的研究工作重点围绕以下三方面进行:
　　首先，研究了变体翼梢小翼的变形方式和变形范围问题。翼梢小翼的参数类型较多，各参数对小翼减阻效率的影响程度也不同，变体翼梢小翼应改变哪些参数、以及这些参数在什么范围内变化，是研究变体翼梢小翼面临的首要问题。针对变形方式问题，本文采用Plackett-Burman试验设计分析了小翼的各类几何参数对减阻效率的影响程度，筛选出对小翼减阻效率影响最大的关键参数，以此为依据指出了变体翼梢小翼的变形方式。在此基础上，采用响应曲面设计得到了小翼的关键参数在起飞、爬升和巡航阶段的最佳值，确定了小翼关键参数的变形范围。研究结果表明，翼梢小翼的高度和倾斜角是影响其减阻效率的关键参数，因此变体翼梢小翼应该通过改变高度和倾斜角的方式来提高起飞、爬升阶段的减阻效率。
　　其次，研究了变体翼梢小翼的驱动技术。以变体翼梢小翼的变形方式和变形范围为依据，本文提出了三种驱动机构——用于变高度翼梢小翼的伸缩栅格、用于变倾角翼梢小翼的主动弯曲梁、以及用于高度和倾斜角复合式变形的差动式伸缩栅格。通过数值模拟和模型实验研究了三种驱动机构的运动特性，推导了机构的运动方程，并研究了相应的控制方法。研究结果显示，三种驱动机构可以实现变体翼梢小翼所需的变形动作。
　　第三，研究了变体翼梢小翼的气动收益问题。本文采用计算流体力学(CFD)与风洞实验相结合的方法，分析了变体翼梢小翼变形前与变形后对机翼展向载荷分布、翼梢尾涡流场控制、机翼的升阻力和翼根弯矩的影响。研究结果表明，变体翼梢小翼不仅能显著改善飞机起飞阶段的气动效率，还能进一步削弱翼尖尾涡强度。其中，变高度的变形方式获得的气动收益最大，高度和倾斜角复合式变形获得的气动收益次之，而变倾斜角的变形方式获得的气动收益最小。但是，三种变形方式都会引起气动载荷向机翼翼尖区集中，带来额外的翼根弯矩增量，因此必须保证变形幅度不得超过预设的变形范围，否则会损害机翼结构的安全。

目录

摘要

注释表

缩略词

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 国外研究现状

1．2．1 空气动力学特性

1．2．2 关键参数筛选

1．2．3 变形方式选择

1．2．4 驱动机构设计

1．3 国内研究进展

1．3．1 空气动力学特性

1．3．2 关键参数筛选

1．3．3 变形方式选择

1．3．4 驱动机构设计

1．4 本文的研究内容

第二章 变体翼梢小翼的变形方式和变形范围

2．1 翼梢小翼的工作原理与参数类型

2．1．1 翼梢小翼的空气动力学原理

2．1．2 翼梢小翼的参数类型

2．1．3 翼梢小翼的设计原则与设计方法

2．2 变体翼梢小翼的变形方式

2．2．1 Plackett-Burman试验设计

2．2．2 基于压缩修正的三维涡格法

2．2．3 影响翼梢小翼减阻效率的关键参数

2．2．4 变体翼梢小翼的变形方式

2．3 变体翼梢小翼的变形范围

2．3．1 响应曲面设计

2．3．2 翼梢小翼的关键参数在高速状态的最佳值

2．3．3 翼梢小翼的关键参数在低速状态的最佳值

2．3．4 变体翼梢小翼的变形范围

2．4 本章小结

第三章 用于变高度翼梢小翼的伸缩栅格

3．1 变高度翼梢小翼驱动机构的技术要求

3．2 伸缩栅格的工作原理

3．3 伸缩栅格的运动学特性

3．3．1 伸缩栅格的受力分析

3．3．2 伸缩栅格的运动方程

3．3．3 伸缩栅格的运动学数值模拟

3．4 伸缩栅格的控制方法

3．4．1 步进电机的原理与特性

3．4．2 步进电机的控制方法

3．4．3 伸缩栅格的开环控制实验

3．5 伸缩栅格的运动学特性实验

3．6 变高度翼梢小翼的气动收益

3．6．1 变高度翼梢小翼的气动特性数值模拟

3．6．2 变高度翼梢小翼的风洞实验

3．7 本章小结

第四章 用于变倾斜角翼梢小翼的SMA弹簧驱动机构

4．1 变倾斜角翼梢小翼驱动机构的技术要求

4．2 SMA弹簧驱动机构的工作原理

4．3 SMA弹簧驱动器设计

4．3．1 SMA弹簧驱动器的基本状态方程

4．3．2 SMA弹簧驱动器的设计方法

4．3．3 SMA弹簧驱动器的力-电-热耦合特性

4．4 SMA弹簧驱动机构的力学特性

4．4．1 SMA弹簧驱动机构的受力分析

4．4．2 SMA弹簧驱动机构的运动方程

4．4．3 SMA弹簧驱动机构的变形特性数值模拟

4．5 SMA弹簧驱动机构的控制方法

4．5．1 SMA驱动器的典型控制方法

4．5．2 SMA弹簧驱动机构的闭环控制方法

4．5．3 变倾角翼梢小翼的闭环控制实验

4．6 变倾斜角翼梢小翼的变形特性实验

4．6．1 无气动载荷条件下的变形特性

4．6．2 有气动载荷条件下的变形特性

4．7 变倾角翼梢小翼的气动收益

4．7．1 变倾角翼梢小翼的气动特性数值模拟

4．7．2 变倾角翼梢小翼的风洞实验

4．8 本章小结

第五章 高度和倾斜角复合式变形的翼梢小翼驱动机构初步研究

5．1 驱动机构的技术要求

5．2 驱动机构的工作原理

5．3 差动式伸缩栅格的运动学特性

5．3．1 差动式伸缩栅格的受力分析

5．3．2 差动式伸缩栅格的运动方程

5．3．3 差动式伸缩栅格的运动学数值模拟

5．4 差动式伸缩栅格模型实验

5．4．1 变高度过程的运动学特性

5．4．2 变倾斜角过程的运动学特性

5．5 可变高度和倾斜角翼梢小翼的气动收益

5．5．1 可变高度和倾斜角翼梢小翼的气动特性数值模拟

5．5．2 可变高度和倾斜角翼梢小翼的风洞实验

5．6 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 创新与贡献

6．3 存在的问题及研究展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文