CN104384288B - 一种基于柔性蒙皮的自适应鼓包进气道形状控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于航空结构设计技术领域，涉及一种基于柔性蒙皮的自适应鼓包进气道形状控制方法。本方法包括：在外侧柔性蒙皮内表面选取若干个典型监测点，布置大变形应变传感器和位移传感器；对外侧柔性蒙皮进行地面标定，获得柔性蒙皮各监测点的位移与其它参数之间的关系；按照进气道与发动机的流量匹配关系确定飞机处于不同飞行速度时发动机的流量需求，获得飞行速度与外侧柔性蒙皮位移之间的关系；实时获取外侧柔性蒙皮各监测点的位移，得到外侧柔性蒙皮在当前状态下的形状，确定鼓包型面所处的位置；根据飞机当前的飞行速度，对鼓包型面的位置进行控制，从而调节进气道喉道的面积，与发动机的流量需求相匹配。

Description

一种基于柔性蒙皮的自适应鼓包进气道形状控制方法

技术领域

本发明属于航空结构设计技术领域，涉及一种基于柔性蒙皮的自适应鼓包进气道形状控制方法。

背景技术

先进超音速战斗机具有宽速域、高机动、高隐身能力的特征。为了提高飞机的隐身性能，第四代战斗机普遍采用了三元进气道，例如美国的F-35飞机使用的Bump(鼓包)进气道。但是，这种进气道的三维型面不可调节，只能在设计飞行速度下达到最佳性能，而在非设计点处的性能变差。如果进气道在全飞行包线内都能够保持高性能，将会显著地提高超音速战斗机的飞行性能和作战能力。

自适应鼓包进气道可以根据飞机的飞行速度，自适应地改变进气道鼓包型面的结构形状，从而调节进气道的喉道面积，满足发动机在不同飞行状态下的流量需求，使进气道在大范围飞行速度和攻角下都能够保持良好的气动性能和进发匹配特性，全面提升超音速战斗机的性能。

为了实现鼓包进气道的自适应功能，鼓包型面采用柔性蒙皮设计，可以在较大的范围内反复改变形状。飞机在飞行过程中，需要实时感知鼓包型面的形状，并根据当前的飞行速度对鼓包型面进行控制，从而增大或减小进气道的喉道面积，以适应发动机的流量需求。因此，需要根据自适应鼓包进气道的特殊结构形式设计一种可靠的形状控制方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于柔性蒙皮的自适应鼓包进气道形状控制方法，在飞机的飞行过程中实时感知进气道鼓包型面的形状，并根据飞行速度对鼓包型面的形状进行控制，使自适应鼓包进气道在不同的飞行状态下都能够保持良好的气动性能和进发匹配特性。

本发明的技术方案是：一种基于柔性蒙皮的自适应鼓包进气道形状控制方法，在所述自适应鼓包进气道的鼓包型面上，选定一定范围的区域作为变形区域；在所述变形区域内，鼓包进气道基础型面的内、外两侧表面上均附着一层柔性蒙皮；基础型面与外侧柔性蒙皮之间形成外侧密封腔，与内侧柔性蒙皮之间形成内侧密封腔；在所述自适应鼓包进气道的机体结构内部设置变形驱动装置，采用气体充压的方式向密封腔内充压，使柔性蒙皮变形，从而改变鼓包型面的形状；所述外侧柔性蒙皮和内侧柔性蒙皮之间通过蒙皮连接带相互连接，以实现内、外侧密封腔体积的协调变化；外侧柔性蒙皮可以在基础型面与最高型面之间的范围内改变形状，内侧柔性蒙皮可以在基础型面与最低型面之间的范围内改变形状；其特征为：所述自适应鼓包进气道形状控制方法包括以下步骤：

步骤一：在外侧柔性蒙皮内表面选取若干个典型监测点，布置大变形应变传感器和位移传感器，用于对外侧柔性蒙皮的位移与应变进行测量；

步骤二：对外侧柔性蒙皮进行地面标定，获得柔性蒙皮各监测点的位移与当前密封腔内的气体压力、充气管路中通过气体的流量以及柔性蒙皮各监测点的应变之间的关系；

步骤三：根据自适应鼓包进气道的设计要求，按照进气道与发动机的流量匹配关系确定飞机处于不同飞行速度时发动机的流量需求，进而确定对应的进气道喉道面积，从而获得飞行速度与外侧柔性蒙皮位移之间的关系；

步骤四：在飞机的飞行过程中，采用步骤二得到的关系实时获取外侧柔性蒙皮各监测点的位移，采用几何建模的方法，通过仿真得到外侧柔性蒙皮在当前状态下的形状，确定鼓包型面所处的位置；

步骤五：根据步骤三得到的结果，根据飞机当前的飞行速度，对鼓包型面的位置进行控制，从而调节进气道喉道的面积，与发动机的流量需求相匹配。

本发明的有益效果是：提供一种基于柔性蒙皮的自适应鼓包进气道形状控制方法，实现了对大变形柔性蒙皮的应变测量、形状感知和控制，使进气道的鼓包型面能够根据飞机的飞行速度进行自适应调节，从而使进气道在不同飞行状态下都具有最优的气动性能和进发匹配特性。

附图说明

图1是自适应鼓包进气道结构示意图；

图2是基于柔性蒙皮的自适应鼓包进气道结构示意图；

图3是基于柔性蒙皮的自适应鼓包进气道变形驱动装置示意图；

图4是飞机处于高速飞行状态时，自适应鼓包进气道的变形状态示意图；

图5是飞机处于低速飞行状态时，自适应鼓包进气道的变形状态示意图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式做进一步详细说明。

鼓包进气道的鼓包型面是一个经过气动设计的三维型面，鼓包型面与进气道外罩之间的区域为进气道喉道，如图1所示。在鼓包型面上，选取一定范围的区域作为鼓包进气道的变形区域。该变形区域呈扁球壳形状，其轮廓通常为椭圆形，也可以是圆形或者其它适宜的形状。

鼓包型面所在的初始位置为基础型面，该型面为刚性面，通常由铝合金等金属材料制造而成。在变形区域内，基础型面的内、外两侧表面上均附着一层柔性蒙皮(“内侧”为指向飞机机身对称面的一侧，“外侧”为“内侧”的相反方向)。柔性蒙皮采用弹性胶膜与高弹纤维复合而成，具有一定厚度和弹性，可以在外力的作用下产生较大的柔性变形。在变形区域的边界，使用紧固件连接或胶接的方式将柔性蒙皮固定在机体结构上。基础型面与外侧柔性蒙皮之间形成外侧密封腔，与内侧柔性蒙皮之间形成内侧密封腔，如图2所示。

在基础型面的结构蒙皮内侧，设置变形驱动装置，如图3所示。通过充气泵，经由充气管路向密封腔内充入气体，在气体压力的作用下，使柔性蒙皮变形，从而改变鼓包型面的形状。

外侧柔性蒙皮和内侧柔性蒙皮之间通过蒙皮连接带相互连接。蒙皮连接带是一种能够提供拉力的柔性带。通过这种方式实现内、外侧密封腔体积的协调变化。

外侧柔性蒙皮可以在基础型面与最高型面之间的范围内改变形状，内侧柔性蒙皮可以在基础型面与最低型面之间的范围内改变形状。

本实施例涉及基于柔性蒙皮的自适应鼓包进气道形状控制方法，具体过程如下：

1)外侧柔性蒙皮的大变形应变传感器布置

当外侧柔性蒙皮变形至最高型面时，柔性蒙皮的最大伸长量可达20％，超出了目前常规应变传感器的应变测量范围。因此，使用基于光纤光栅的大变形应变传感器对柔性蒙皮的应变进行测量。

在外侧柔性蒙皮上选取若干个监测点，在监测点布置大变形应变传感器和位移传感器。为了能够更加精确地拟合出柔性蒙皮变形时的形状，可适当增加监测点的数量，通常每个监测点的间距为150～200mm。

2)外侧柔性蒙皮充压变形过程的地面标定

通过变形驱动装置对外侧密封腔充压，外侧柔性蒙皮在气体压力的作用下“升高”。在充压过程中，通过变形驱动装置中的压力传感器测量当前密封腔内的气体压力P，通过流量传感器测量充气管路中通过气体的流量Q；同时，通过大变形应变传感器测量柔性蒙皮各监测点的应变ε，通过位移传感器测量各监测点的位移D(即监测点与基础型面之间的距离)。

当柔性蒙皮变形至不同位置时，通过对上述参数的测量，可以推导出柔性蒙皮各监测点的位移与其它参数之间的关系：

D＝f(P，Q，ε) (1)

3)进气道喉道面积与发动机流量需求匹配关系的确定

根据自适应鼓包进气道的设计要求，按照进气道与发动机的流量匹配关系确定飞机处于不同飞行速度时发动机的流量需求，进而确定对应的进气道喉道面积，从而获得飞行速度与鼓包型面所处位置之间的对应关系。

4)飞行过程中鼓包型面的形状拟合

在飞机的飞行过程中，当外侧柔性蒙皮变形至某一状态时，通过各传感器对压力P、流量Q和应变ε等参数进行测量，并根据公式(1)即可确定外侧柔性蒙皮各监测点的当前位移。

采用几何建模的方法，通过仿真得到外侧柔性蒙皮在当前状态下的形状，即可确定鼓包型面所处的位置。

5)鼓包型面的位移驱动

获取飞机在当前状态下的飞行速度，并根据步骤3)得到的对应关系，通过变形驱动装置驱动外侧柔性蒙皮向当前最佳的鼓包型面位置变形，从而调节进气道喉道的面积，使之与发动机的流量需求相匹配。

当飞机的飞行速度逐渐增大，飞机处于高速飞行状态时，进气道需要小流通面积。此时，对外侧密封腔充压，使外侧密封腔的体积增大；同时，在蒙皮连接带的作用下，内侧密封腔的体积减小，如图4所示。在这个充压过程中，鼓包型面将会逐渐升高，使得进气道喉道面积逐渐减小，以满足发动机的小流量需求。

当飞机的飞行速度逐渐减小，飞机处于低速飞行状态时，进气道需要大流通面积。此时，对内侧密封腔充压，使内侧密封腔的体积增大；同时，在蒙皮连接带的作用下，外侧密封腔的体积减小，如图5所示。在这个充压过程中，鼓包型面将会逐渐降低，使得进气道喉道面积逐渐增大，以满足发动机的大流量需求。

当飞机在某一飞行速度下匀速飞行时，不再对内、外侧密封腔充压，通过密封的方式保持腔内的气压不变。此时，鼓包型面将会始终处于某一特定位置，与当前飞行速度下发动机的流量需求相适应。

Claims (1)

1.一种基于柔性蒙皮的自适应鼓包进气道形状控制方法，在所述自适应鼓包进气道的鼓包型面上，选定一定范围的区域作为变形区域；在所述变形区域内，鼓包进气道基础型面的内、外两侧表面上均附着一层柔性蒙皮；基础型面与外侧柔性蒙皮之间形成外侧密封腔，与内侧柔性蒙皮之间形成内侧密封腔；在所述自适应鼓包进气道的机体结构内部设置变形驱动装置，采用气体充压的方式向密封腔内充压，使柔性蒙皮变形，从而改变鼓包型面的形状；所述外侧柔性蒙皮和内侧柔性蒙皮之间通过蒙皮连接带相互连接，以实现内、外侧密封腔体积的协调变化；外侧柔性蒙皮可以在基础型面与最高型面之间的范围内改变形状，内侧柔性蒙皮可以在基础型面与最低型面之间的范围内改变形状；其特征为：所述自适应鼓包进气道形状控制方法包括以下步骤：

步骤一：在外侧柔性蒙皮内表面选取若干个典型监测点，布置大变形应变传感器和位移传感器，用于对外侧柔性蒙皮的位移与应变进行测量；

步骤二：对外侧柔性蒙皮进行地面标定，获得柔性蒙皮各监测点的位移与当前密封腔内的气体压力、充气管路中通过气体的流量以及柔性蒙皮各监测点的应变之间的关系；

步骤三：根据自适应鼓包进气道的设计要求，按照进气道与发动机的流量匹配关系确定飞机处于不同飞行速度时发动机的流量需求，进而确定对应的进气道喉道面积，从而获得飞行速度与外侧柔性蒙皮位移之间的关系；

步骤四：在飞机的飞行过程中，采用步骤二得到的关系实时获取外侧柔性蒙皮各监测点的位移，采用几何建模的方法，通过仿真得到外侧柔性蒙皮在当前状态下的形状，确定鼓包型面所处的位置；

步骤五：根据步骤三得到的结果，根据飞机当前的飞行速度，对鼓包型面的位置进行控制，从而调节进气道喉道的面积，与发动机的流量需求相匹配。