MFC在飞机机翼上的应用.ppt

1、MFCs在飞机机翼上的应用,一、项目要求,总体目标：利用MFCs控制机翼以取代传统伺服电机控制。 具体目标： 1、MFCs控制反应灵敏度应不差于传统的伺服电机控制。 2、使用MFCs后应使系统力求简单，低价，可以批量生产。,二、为什么要改进传统控制方案,1、传统伺服电机控制系统需要大量的零部件：齿轮、轴承、轴、电机线圈等。因此占据了整个飞机相当一部分的体积、功耗、重量。 2、传统控制系统由于控制连杆、铰链以及控制面板和水平尾翼的不连续性，使得其对机翼的控制存在一定的滞后性。,三、机翼变形技术的发展,机翼变形指的是:在不同的飞行条件下，通过改变展向翼参数或者横截面的翼弦大小来获得最佳的飞行性能。

2、 1、在1903年莱特兄弟的首次飞行以及当代的 Northrop Grumman 模型都成功的证明了这一概念的正确性。 2、之前莱特兄弟使用滑轮和电缆缠绕在机翼上来使机翼变形，后来，人们在机翼内部设计复杂的机械装置来使机翼变形或者使用“功能材料”。 3、为了让使用功能材料的机翼具有很好的可靠性，该功能材料需要能够在大量电力循环中具有很好的稳定性。而MFCs（Macro-Fiber Composites）,功能材料里的一种，恰恰具有这个性质。,四、适用于机翼变形的功能材料,尽管有很多种功能材料，但是在航空航天中人们广泛使用的是形状记忆合金和压电器件。 1、形状记忆合金 形状记忆合金利用的是“形状

3、记忆效应”。该效应是指当材料环境温度发生变化超过10时，材料的晶型也相应发生转变，不同的温度对应不同晶型，于是当材料被加热或者冷却的时候，材料好像“记住”了形状一样在不同的温度呈现出不同的形状。,2、压电器件 压电器件则使用和形状记忆合金不同的机理，其采用的是换能（transduction）的性质。 压电器件在机械性质和电气性质上存在一个转换耦合。 当我们将机械压力施加于压电材料时，材料产生电气输出，则称这种效应为直接压电效应（direct piezoelectric effect ）。反压电效应与此相反。 当我们对压电材料施加一个电场，则材料将产生机械拉伸或者收缩从而可以驱动一些装置，比如机

4、翼。,为了利用压电材料，我们常常需要将活性材料粘接在被粘接材料上。如果只有一个活性层和一个被粘接层，我们称这种方式为 单晶片（Unimorph）。如果两个活性层“夹心”一个被粘接层，我们称之为双晶片（Bimorph）。二者的使用完全取决于使用的要求，比如不同的倾斜角度等。 压电器件具有滞后性。滞后性指的是系统的输出取决于系统使用之前的状态，简而言之，同样的输入并不会获得同样的输出，输出是与系统路径相关的，这一点可以用Figure 1 来表示，见下一张PPT。,如左图所示，这是一个双晶片推进器的滞后效应图。 当我们使用电压随时间均匀增加，而频率互不相同的三个交流信号时，在同一个电压下，出现了不同

5、的偏斜程度。,五、压电陶瓷,压电陶瓷是具有压电器件性质的的陶瓷。 压电陶瓷具有几种不同的配置方式。 1、单片压电陶瓷（Monolithic Piezoceramics ） 单片压电陶瓷具有简单易用，制造成本低廉，但是质地脆，易受其他物体影响。单片压电陶瓷使用D31模式排布。 2、活性纤维复合材料 AFC（Active Fiber Composites） 为了解决单片压电陶瓷的缺点，MIT的研究者们开发了一种新的配置方法AFC(Active Fiber Composites)。,AFC是将具有圆形横截面的PZT纤维放入到软的树脂基中。如右图所示。成片状陶瓷纤维的两侧都有交叉电极，相比于标准PZT

6、纤维，大大增加了内平面的推进性能。 这种交叉模式可以使用D33模式。 AFC还拥有其他优点：弹性性能良好，抗损毁性能。但也有其缺点：生产成本高，更高的电压操作范围，较低的电场传输效率。,3、超细纤维复合材料 MFC(Micro Fiber Composites ) 在美国宇航局兰利研究中心，人们对AFC进行了深入研究并进行了改进，发展出了MFC。 MFC是将成本较低的层状矩形截面的PZT纤维嵌入树脂基体中，同样使用交叉电极。MFC具有AFC所有优点同时具有成本较低和较高的电场传输效率。,六、小型R/C飞机可变形机翼的机构要求,1、机翼外壳（机翼的变形部分）需要具有各向异性从而获得内软外硬的特性

7、。这样，机翼外壳可以变形弯曲而且仍然可以承载空气动力引起的负载。 2、机翼结构分析还应考虑到气动弹性的影响比如振动，或极限环振荡。如果我们使用翼梁，或其他刚性支撑物，便可以让机翼外壳弯曲振动。,合适的翼梁放置范围如右上图所示。 右下图是翼梁穿过机翼的实物图。,七、飞机的选择,1、电动涵道风扇系统因为风扇而更加昂贵，而特技飞行配置却由于发动机而变得更加昂贵。 2、小组认为在控制面板上采用MFCs材料的飞机特技飞机，不管在价格上还是在配置上都会优于使用电动涵道风扇的配置。 3、选择飞机顺序; total cost（总价）-fuselage volume(机身体积)-Control surface

8、deflections and roll rates （控制面板偏斜和卷率）-The aircraft wingspan（飞机翼展）-wing loading of the aircraft（飞机的翼载荷）-,八、电气背景与参数分析,R/C 飞机 基本电力过程：控制信号经过脉冲宽度调制(PWM)发送到飞机上，且需要直接能在MFC组件上使用，PWM信号转换为直流电压信号，直流电压信号放大供MFC使用。,九、微处理器选择,微控制器用来解释从飞机接收端发送的信息和控制由MFC组件的输出。 采用完全线性输出关系可以消除系统迟滞，且使机翼正向和反向倾斜便的更加连贯。,十、基线翼型分析,利用XFOIL 软件分析二维机翼空气动力学特性： 速度分析 倾斜程度分析,十一、可变弯度机翼设计,设计要求： 1、机翼的变形性要求机翼要具有弹性。 2、MFC驱动能力较弱要求机翼要薄。 3、空气动力学要求机翼要有足够的硬