折叠机翼无人机的发展现状和关键技术研究_廖波

书书书 第 29 卷第 4 期 2 0 1 2 年 4 月 机 械 设 计 JOURNAL OF MACHINE DESIGN Vol． 29 No． 4 Apr． 2012 折叠机翼无人机的发展现状和关键技术研究 * 廖波，袁昌盛，李永泽 (西北工业大学 航空学院，陕西 西安 710072) 摘要:调查了近年折叠机翼技术在无人机上的应用和发展情况，对折叠机翼技术在舰载无人机、炮射无人机、潜射无 人机和变体无人机方面的应用进行了分类研究，归纳出折叠机翼无人机多样化、智能化的发展特点。讨论了折叠机翼无 人机的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 、制造和操纵控制等关键技术，在此基础上分析了折叠机翼无人机技术的应用前景和发展趋势。 关键词:无人机;折叠机翼;折叠机构;微机电系统;炮射;变体 中图分类号:V279 文献标识码:A 文章编号:1001 － 2354(2012)04 － 0001 － 05 随着无人驾驶飞行器(Unmanned Aerial Vehicle， UAV)在飞行器家族中的发展壮大，其在信息化战争中 表现出优秀的多用途能力和特种作战能力备受重 视［1］。折叠机翼无人机是将折叠机翼技术应用到无人 机上，可在存储、发射、飞行、回收阶段通过机翼的折 叠、展开改变无人机的空间几何尺寸，改善其存储运输 性能、发射回收性能和气动性能。这项技术大大提升 了无人机的任务适应性和特种作战能力，拓展了无人 机的使用范围，广泛应用于舰载无人机、炮射无人机、 潜射无人机和最新的变体无人机。 折叠机翼无人机技术并不是简单地将大型有人驾 驶飞机的折叠机翼技术应用到无人机上，它具有以下 新的特点:首先，使用工况更加复杂，面临比有人驾驶 飞机更高的过载，需要满足高机动和特殊环境要求;其 次，对折叠机构的要求更加严格，需要精密的加工制造 和材料技术;再次，折叠展开过程的控制自动化程度更 高，可以实现比有人驾驶飞机更灵活的折叠展开方式。 折叠机翼技术在无人机上的应用是继其在舰载机上成 功运用之后的又一个新的发展趋势。 1 折叠机翼无人机进展 折叠机翼近年来越来越多地见诸于新型无人机的 设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 中，而且随着技术的进步，其优异的潜能逐渐 被发掘出来。 1． 1 舰载折叠机翼无人机 2011 年 2 月，由诺斯罗普·格鲁曼公司研制的 X －47B无人舰载战斗机系统在 Edwards 空军基地首 飞成功。如图 1 所示，该机采用单发无尾的飞翼式布 局，翼展 18． 93 m，长 11． 64 m，飞行高度大于 12 192 m，航程超过 390 km，高亚音速巡航，能进行自主受油， 武器舱装载能力为 2 041 kg，具备自主弹射起飞 /拦阻 着舰能力［2］。该无人机系统采用机翼上下折叠的方 式，在机库储存和舰上停靠时将机翼向上折叠 130°， 折叠后翼展变为 9． 42 m。该机折叠机构为铰链多连 杆机构形式，液压作动筒带动折叠机构进行收放，采用 复合材料制造。 图 1 X －47B三面图 1． 2 潜射折叠机翼无人机 潜射无人机装载在潜艇上，发射后执行侦察监视、 通信中继、目标定位、电子对抗、干扰诱饵等任务，需要 采用折叠翼面技术便于箱式储存、运输和发射，要求折 叠机构连接可靠、折叠运动简单、对传力路线影响小、 锁紧牢固。 美国先后研发了 3 款典型的潜射无人机，最早的 “海上搜索者”［3］由洛克希德·马丁和诺斯罗普·格 鲁曼公司联合研制，采用折叠机翼技术从鱼雷管发射， 可通过潜艇自带通信控制系统对无人机进行指挥控 制，该机于 1996 年便已成功进行发射试验。 * 收稿日期:2011 － 06 － 08;修订日期:2011 － 10 － 24 作者简介:廖波(1986—) ，男，四川内江人，硕士研究生，研究方向:飞行器设计。 zxc 高亮 zxc 高亮 zxc 高亮 zxc 下划线 zxc 下划线 zxc 下划线 zxc 高亮 zxc 高亮 洛克希德·马丁公司受 DARPA 委托研制的一种 代号“鸬鹚”［3］的潜射无人机和前两种机型不同的是 该机采用湿式发射技术，能够在海面和水下发射，且可 以回收重复使用。无人机翼展 4． 9 m，全机长 5． 8 m， 质量为 4 100 kg，航程超过 900 km。该机采用横向折 叠的方式将机翼沿分离面转轴上下折叠，装入潜艇的 导弹发射筒中，通过机械导轨将无人机弹射出导弹发 射筒后在水中展开机翼，火箭助推飞出水面，到达一定 高度后打开进气道和喷口，启动发动机飞行，如图 2 所示。 图 2 潜射无人机“鸬鹚” 采用新型的通用模块化桅杆发射的“海上哨 兵”［4］潜射无人机作为一种一次性使用的无人机，主 要任务是收集潜艇侦查范围外的海面或地面目标信 息，实时提供战术数据。模块化的桅杆可装载 4 架次 机翼经过折叠的无人机，伸出水面后采用冷火箭助推 发射，不存在水下发射带来的环境适应问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。该机折 叠机翼采用纵向折叠的方式，便于安装在模块化桅杆 内部，如图 3 所示。 图 3 潜射无人机“海上哨兵” 1． 3 炮射折叠机翼无人机 炮射无人机的概念最早提出来是为了满足前线炮 兵侦察需要，用折叠机翼的方式将带有可折叠动力系 统的无人机组装在大口径增程制导炮弹中，由炮弹发 射到目标区域，省去无人机从基地飞往目标区域的长 时间飞行，侦察任务完成后可对目标进行选择性自毁 攻击或伞降着陆回收。这些无人机均采用折叠机翼的 方式以便存储在发射载体的有限空间内，通过有效的 控制手段在载体飞行轨迹末端将无人机从载体中释放 出来，执行特殊的任务，如侦察监视、炮射点校准、战斗 毁伤评估、通信中继或电子压制。 在美国国防预研 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 局(DARPA)的资助下由麻 省理工和 NASA的德雷帕实验室共同研发了广域侦察 监视 无 人 机 (Wicle Area Surveillance Projectile， WASP)。设计的初衷是为了识别和监视地面快速移 动目标，但更换不同的任务模块可以执行多种不同的 任务，如通过相似成像系统进行战场毁伤评估，通过定 位系统进行炮射校准［5］。WASP还可以装备炮兵连一 级的作战单位，通过便携式计算机飞行控制单元创建 或变更任务计划和成像接收内容。图 4 是 WASP前期 研究的方案，该方案采用常规的大展弦比直机翼布局， 动力系统安装在无人机头部，机身中间段装载高能量 密度的锂离子电池。机翼分 3 段折叠，展开后翼展可 达 1 270 mm，水平尾翼、垂直尾翼和动力桨叶均可折 叠，飞行器总质量约为 3． 9 kg。该机采用全复合材料 制造机体和机翼结构，折叠机构采用弹簧驱动的带销 钉的铰链实现折叠展开，如图 5 所示。WASP 经过 2 个阶段的发展，第 1 阶段设计和制造了一架样机进行 演示验证试验，虽然没有成功，但为第 2 阶段的方案改 进提供了包括折叠机翼的控制增稳、电子元件硬化处 理和折叠机构可靠性等方面的借鉴。 图 4 WASP初期方案模型图［6］ 图 5 WASP机翼折叠分离面细节图 Aero Virnoment 公司与美国陆军研究所共同研制 的可装入 81 ～ 155 mm 炮弹的炮射无人机(Gun- Launched Unmanned Aerial Vehide，GLUAV) ，采用电推 进和较新颖的串翼布局，其翼展约为 468 mm，采用复 合材料制造的机翼使飞行器总质量约为 320 g，前翼装 有控制纵向飞行的副翼，垂尾采用斜置方式且安装了 控制方向舵［7］。该无人机采用折叠机翼技术，前翼向 后、后翼向前紧贴机身折叠，脱离炮弹载体后通过扭簧 将折叠机翼展开，在低雷诺数情况下能够保持较高的 2 机 械 设 计 第 29 卷第 4 期 升阻比(约 8:1)。同 WASP 一样，该机的电子设备均 经过硬化处理，能够承受炮弹发射时的极高过载(大 于 10 000g)。作为一次性使用的无人机，GLUAV必须 尽可能降低全寿命周期成本，在制造维护和训练飞行 操纵人员上控制费用。同时在这种布局形式下，无人 机虽然具有较高的升阻比，但由于平尾体积系数较大， 纵向特性相应地会受到影响。 1． 4 变体折叠机翼无人机 人造飞行器的灵感起源于人们对自然界中飞行的 动物和昆虫的模仿，鸟类的翅膀可以随着飞行环境的 变化不断自适应地改变翅膀面积、后掠角和表面外形， 以达到最佳的翼载荷(W = G /S，其中:G 为全机重力， N;S为机翼面积，m2)配置，提高飞行的效率。而现今 的固定机翼飞机改变外形的方式还局限于采用变后 掠、变弯度、变厚度的前缘缝翼和后缘襟翼改变飞行器 局部外形［8］，仅仅能够提高百分之几到百分之十几的 效率，难以适应大范围的飞行环境变化。变体机翼技 术可以使机翼实现智能变形，满足不同飞行环境和飞 行任务的要求，提高飞行的气动性能、使用效能、安全 性能和环保性能，是新一代航空航天器发展的方向。 洛克希德·马丁公司提出的折叠机翼变形无人机 方案通过机翼折叠改变机翼面积、展弦比、上反角等参 数，能够大幅度地改变机翼面积，达到 150% ～ 300%。 其中一种方案是潜射变体折叠机翼无人机“鸬鹚”，另 一种方案是采用“Z”型变体机翼方式的“猎人杀手”， 如图 6 所示。“猎人杀手”能够通过机翼沿展向折叠 和展开，迅速转换任务角色，执行攻击任务时采用展弦 比小、机翼面积小的折叠状态，巡航飞行和执行轰炸任 务时采用机翼面积大、展弦比大的展开状态［9］。内段 机翼对着机身对称面向上折叠时，飞机浸润面积减小 25%，40%弦长处有效后掠角变化能达到 30°，但前缘 和后缘后掠角保持不变;机翼展开时，最大升阻比增加 44%，有效翼展增加 177%。但在飞行过程中进行折 叠机翼的展开和折叠时，对飞行器的稳定性和操纵性 提出了更高的要求。该方案经过两次演示验证试验， 均由于稳定性不足和控制系统失灵而失败，提高变形 过程中的稳定性与操纵性成为折叠机翼变体技术的迫 切需求。同时也需要探索新的变形方式［10］，并且与局 部外形变化相结合，使变形过程更加灵活、飞行敏捷性 得到提高。 近年国内对变体折叠机翼无人机的研究主要集中 在变体飞机结构和总体气动特性的研究上(如变体飞 机折叠机翼作动机构的设计，模型风洞试验［11］) ，对变 形过程及其实现方式的研究还很少，需要通过演示验 证及飞行试验作进一步研究。 图 6 洛马公司的折叠变体飞机风洞模型及方案 2 折叠机翼无人机发展特点 纵观近年折叠机翼无人机的发展具有以下特点: (1)折叠方式多样化。传统的折叠机翼往往通过 机械式的作动机构实现折叠展开，典型的折叠方式为 横向折叠和纵向折叠。横向折叠机翼在各段机翼的分 离面处设置铰链，通过外部驱动力使外翼部分绕铰链 轴转动，机翼向上或向下折叠靠向机身对称面，大多数 舰载机均采用这种方式。纵向折叠是通过机翼和机身 连接处的作动机构绕机体纵轴旋转，有的向机体头部 折叠，有的向机体尾部折叠，如 BAE 系统公司的 Coy- ote无人机和英国的 Fire Shadow无人机［12］。复杂一些 的机械折叠方式可以将横向折叠和纵向折叠组合起 来，机翼先进行横向折叠，然后再绕机翼根部连接枢轴 旋转 90°，最后紧贴向机身折叠，如 WASP 的折叠 机翼。 鸟类翅膀的收起与展开给机翼的折叠方式提供了 新的灵感，特别是新的材料技术使得折叠的方式更加 多样化。机翼可以在进行横向折叠的同时进行纵向折 叠，在改变机翼面积、展弦比和后掠角的同时也改变机 翼扭转角;也可以将形状记忆合金的机翼绕机身轴线 贴合机身缠绕［13］，最大限度地利用空间;还有的采用 新颖的充气折叠机翼，先将机翼折叠起来，通过对像气 囊一样的机翼充入高压惰性气体使其按照预定的形状 展开。折叠驱动方式也不再局限于弹簧和液压作动 筒，可以采用电动、电磁驱动和压电作动器控制结构和 智能材料的变形来折叠展开。 (2)折叠机构智能化。当前大多数折叠飞机的折 叠机构均采用机械传动的方式实现机翼的折叠、展开， 如多连杆折叠机构、齿轮折叠机构［14］，折叠过程反应 时间长、机构质量大。随着传感器和控制技术、材料和 结构科学技术的发展，先进的控制驱动设备和新兴的 32012 年 4 月 廖波，等:折叠机翼无人机的发展现状和关键技术研究 zxc 高亮 zxc 高亮 zxc 高亮 zxc 高亮 zxc 高亮 智能材料使机翼的折叠机构越来越智能化。原来笨重 的折叠机构演化成为轻便的智能结构记忆合金，将先 进的传感器、驱动装置、电源和控制系统综合起来，减 轻了机构质量，降低了机构复杂程度，消除了机械作动 带来的结构冲击问题，控制过程更趋稳定。 (3)应用范围不断拓展。折叠机翼技术不仅在高 端的攻击无人机系统上使用，也应用于低成本的炮射 无人机上，从微型无人机到高空长航时的大型无人机， 甚至新兴的变体飞机。折叠机构的适用范围也不断拓 宽，通过有效的过载保护手段和合理的结构设计技术， 可以使折叠机翼无人机承受远高于有人驾驶飞机的过 载，且朝着低成本化的方向不断迈进。 3 折叠机翼无人机关键技术 3． 1 气动结构一体化设计技术 折叠机翼在飞行阶段展开和折叠时，飞行器上的 气动力和弹性机体结构之间相互耦合，设计阶段如果 将气动学科和结构学科综合考虑，可以大大提高设计 效率，同时兼顾飞机的结构性能［15］和气动性能［16］。 气动结构学科间的交叉综合为系统级的分析和优化提 供了可能，但也需要从系统高度选择 评价 LEC评价法下载LEC评价法下载评价量规免费下载学院评价表文档下载学院评价表文档下载 准则，从基本 原理出发完善多学科一体化设计方法。 3． 2 抗高过载技术 折叠机构的可动部件和电子设备在遭遇大过载工 况时，连接部位不可避免地要受到惯性力的作用［17］， 这对折叠机构和电子设备提出了更高的要求。当前， 对电子设备一般采用固化处理的方式，将电子元器件 塑封起来并固定在机体结构上［18］，将其惯性力转移到 固定结构上［19］;对折叠机构，还需要攻克材料、接触与 碰撞力学、结构可靠性等学科综合设计的技术难题，采 用低成本、微型化的机构形式，降低高过载影响。 3． 3 微机电系统技术 微机电系统(Micro Electro Mechanism System， MEMS)技术在小型、微型和变体折叠机翼无人机上的 应用［18］不仅可以极大降低无人机的成本和质量，而且 具备抗高过载的特点。MEMS技术已经成功应用于诸 如流动控制、机翼外形主动变形驱动、结构破损检 测［20］和微型扑翼控制等方面。需要进一步推进 MEMS向微型化、集成化和低功耗的方向发展，为折叠 机翼无人机提供高效的动力和感知能力。 3． 4 先进材料制造和加工技术 飞机结构设计师一直把减小质量作为最重要的设 计目标，力求采用高比强度、高比刚度的材料［21］。先 进的复合材料技术，提供了飞机结构减小质量设计的 新途径，但现阶段相对昂贵的成本和制造难度限制了 其使用。智能材料技术可以替代传统的变形机构［22］， 对减小质量有利，但也存在使用可靠性和结构性能衰 减的问题。 3． 5 远程数据链通信技术 折叠机翼无人机系统由于操纵和控制基地远离任 务区域，对通信和指挥数据链系统的要求较高。一般 战术无人机的无线电通信范围不超过 80 km，因此要 突破无人机系统使用的地理限制，提高无人机系统的 探测、感知能力规避地面和空中防空武器的能力［23］， 需要发展远程数据链通信、指挥和控制系统。 3． 6 先进的控制技术 机翼的折叠展开过程，特别是在飞行阶段展开或 折叠机翼时，机翼外形的变化导致气动载荷和机翼结 构刚度的变化，且气动力和结构变形的相互耦合［24］引 起局部非定常流动［25］，增加了飞机的不稳定性，控制 系统需要采用主动控制技术通过人工稳定系统来保证 飞机的稳定性和期望的飞行品质。 4 总结与展望 总结了近年折叠机翼无人机技术的发展情况，通 过分析折叠机翼技术发展的特点，提出了折叠机翼无 人机的一些急需突破的关键技术。折叠机翼无人机的 研究正朝着智能化、多用途、低成本的方向发展，涉及 多个学科的前沿问题，需要在以下方面进行基础研究 和应用研究:折叠机翼折叠展开过程气动结构的耦合 效应研究，抗高过载机构和过载保护元件的设计和试 验研究，微小型折叠机构的设计和控制过程模拟，折叠 机翼无人机方案的多学科综合优化设计与成本控制。 参考文献 ［1］ 张蕾，陈玲．外军无人机当前技术发展重点及前景预测 ［J］．国防科技，2009，30(4) :11 － 15． ［2］ 宫朝霞．诺格公司的无人机［J］． 飞航导弹，2009(11) : 27 － 30． ［3］ 张晓东，孙碧娇． 美军潜射无人机的发展与关键技术 ［J］．鱼雷技术，2005，9(3) :6 － 10． ［4］ Desta Alemayehu，Robert B Boyle，Elizabeth Eaton ． De- 4 机 械 设 计 第 29 卷第 4 期 zxc 高亮 zxc 高亮 zxc 高亮 zxc 高亮 zxc 高亮 zxc 高亮 zxc 高亮 zxc 高亮 sign report: guided missile submarine SSG (X) ［R］． Blacksburg:Virginia Polytechnic Institute and State Univer- sity，2006． ［5］ Richard T M． WASP—a high-g survivable UAV，AIAA － 2002 － 3439［R］． Portsmouth，2002． ［6］ Seth Stovack Kessler． Design and manufacture of a high-g unmanned aerial vehicle structure［D］． Massachusetts In- stitute of Technology，1999． ［7］ 丛敏． 一次性多用途炮射无人机［J］． 飞航导弹，2002 (6) :1． ［8］ 崔尔杰，白鹏，杨基明． 智能变形飞行器的发展道路 ［J］．航空制造技术，2007，8(8) :38 － 41． ［9］ Loh W Kheong，Jamey D Jacob． In flight aspect ratio mor- phing using inflatable wings［C］/ /46th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit， Reno， NV， AIAA 2008 － 425． ［10］ Felício J，Santos P，Gamboa P，et al． Evaluation of a varia- ble-span morphing wing for a small UAV［C］/ /52nd AIAA /ASME /ASCE /AHS /ASC Structures，Structural Dy- namics and Materials Conference， Denver， Colorado， AIAA 2011 － 2074． ［11］ 李强，李周复，刘铁中． 折叠变体飞行器风洞试验模型 研发［J］．机械设计，2010，27(5) :21 － 24． ［12］ Akram Ghulam，Colonel Peter Tomlinson． The fire shadow project:a big step towards rapid acquisition［J］． RUSI DE- FENCE SYSTEMS，2008，11(2) :77 － 80． ［13］ Vijay Jagdale，Abhishek Patil，Bret Stanford，et al． Con- ceptual design of a bendable UAV wing considering aerody- namic and structural performance ［C］/ / 50th AIAA / ASME /ASCE /AHS /ASC Structures，Structural Dynamics， and Materials Conference，Palm Springs，California，AIAA 2009 － 2641． ［14］ 严子焜，万小朋，赵美英． 一种用于折叠翼飞机的行星 齿轮机构动力学分析［J］． 机械设计，2009，26(12) : 49 － 51，78． ［15］ Seigler T M ，Neal D A，Bae J S，et al． Modeling and flight control of large-scale morphing aircraft［J］． Journal of Air- craft，2007，44(4) :1077 － 1087． ［16］ Jamshid A Samareh，Pawel Chwalowski，Lucas G Horta，et al． Integrated aerodynamic /structural / dynamic analyses of aircraft with large shape changes［C］/ /48th AIAA /ASME / ASCE /AHS /ASC Structures，Structural Dynamics，and Ma- terials Conference，Honolulu，Hawaii，AIAA 2007 － 2346． ［17］ Thierry D Casiez． Compact，high-g，efficient folding wing for a cannon-launched reconnaissance vehicle［D］． Massa- chusetts Institute of Technology，1997． ［18］ MIT Rocket Team． MIT Rocket Team preliminary design review［R］． Cambridge，MA:Massachusetts Institute of Technology，2010． ［19］ John N Scarlett，Robert A Canfield． Multibody dynamic aeroelastic simulation of a folding wing aircraft［C］/ / 47th AIAA /ASME /ASCE /AHS /ASC Structures，Structural Dy- namics，and Materials Conference，Newport，Rhode Is- land，AIAA2006 － 2135． ［20］ Timothy Brown，Karen Wood，Brooks Childers，et al． Fi- ber optic sensors for health monitoring of morphing aircraft ［R］． Hampton:NASA Langley Research Center，1999． ［21］ Jamey D Jacob，Suzanne W Smith． Design limitations of deployable wings for small low altitude UAVs［C］/ /47th AIAA Aerospace Sciences Meeting Including The New Hori- zons Forum and Aerospace Exposition，Orlando，Florida， AIAA 2009 － 745． ［22］ 王华光，王华．巡飞器折叠翼的设计要求［J］．飞航导弹， 2009(6) :36 － 39． ［23］ Department of Transportation Federal Aviation Administra- tion． Literature review on detect，sense，and avoid technol- ogy for Unmanned Aircraft Systems［R］． Washington DC，2009． ［24］ Matthew P Snyder，Brian Sanders，Franklin E Eastep，et al． Vibration and flutter characteristics of a folding wing ［J］． Journal of Aircraft，2009，46(3) :791 － 799． ［25］ 郭秋亭．局部主动变形翼型和折叠翼变形飞机动态气动 特性数值模拟研究［D］． 绵阳:中国空气动力研究与发 展中心研究生部，2009． Development status and key technologies of folding-wing unmanned air vehicle LIAO Bo，YUAN Chang-sheng，LI Yong-ze (School of Aeronautics，Northwestern Polytechnical Universi- ty，Xi'an 710072，China) Abstract:Based on investigation of recent application and de- velopment status of folding-wing technology in Unmanned Air Vehi- cle (UAV) ，the classification and study of application of the fold- ing-wing technology in ship-borne UAV，gun-launched UAV，sub- marine-launched UAV and morphing-wing UAV had been carried out，generalizing the diversified and intelligentized features of fold- ing-wing UAV development． Key technologies in design，fabrica- tion，manipulation and control of the folding-wing UAV had been discussed，and based on which，the analysis of the application prospect and development trend of folding-wing UAV technology was completed． Key words:UAV;folding-wing;folding-mechanism;MEMS; gun-launched;morphing Fig 6 Tab 0 Ref 25 “Jixie Sheji”1309 52012 年 4 月 廖波，等:折叠机翼无人机的发展现状和关键技术研究 zxc 高亮 zxc 高亮 zxc 高亮