传感器飞机机翼结构优化与性能分析

作者:张平;吴文志;吴斌 刊名:电子机械工程 上传者:宋长太

【摘要】传感器飞机是一种集情报、监视和侦察功能于一体的未来先进无人机。一体化机翼作为传感器飞机飞行和探测的关键结构,其主要功能是作为雷达天线和为飞行器提供升力及操纵能力。文中初步设计了一种双梁式后掠一体化机翼构型,蒙皮分区域采用玻璃纤维和碳纤维面板蜂窝夹层结构,主承力骨架采用铝合金材料。对初始机翼构型的力学性能分析表明,其静强度和稳定性不能满足最大设计载荷下的使用要求。因此对机翼结构进行了局部尺寸缩放、纤维铺层调整以及骨架传力路径改善等优化设计,分别量化给出了各优化途径对机翼性能提升的效果。综合3种优化途径得到改进设计的一体化机翼,在结构重量增加很小的情况下,强度和稳定性得到了明显提高,满足设计要求。该设计和分析结果可供其他传感器飞机一体化机翼设计参考。

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引言传感器飞机(Sensorcraft)是最先由美国空军研究实验室(AFRL)提出的一种新概念无人飞行器,可在空中长时间续航并通过机上携带的一体化传感器执行全方位观察,完成情报、监视和侦察(ISR)任务[1]。传感器飞机机翼通常被设计成大展弦比后掠翼构型[2-4],要求在机翼蒙皮内沿展向埋入多波段阵列共形天线,实现平台与载荷的无缝结合,通过材料和结构设计使一体化机翼兼顾力学和电讯性能。从20世纪90年代开始,美国空军围绕一体化机翼开展了多个共形天线(CLAS)项目的研究[5-8]:在智能蒙皮结构技术演示项目中,美国诺斯罗普公司研究了用CLAS代替原结构件和电磁兼容等问题,项目的成果之一为布置在垂直尾翼的F/A-18端帽共形天线;2000年,CLAS技术进入可行性评估阶段,由雷声公司和波音公司承担的结构一体化X波段阵列项目,从天线阵列技术方面对传感器无人机的可行性进行了评估验证;2004年至今为CLAS技术的工程化研制阶段,波音公司和诺斯罗普公司分别研制了联合翼构型以及飞翼构型的一体化工程样机,满足360全向扫描要求。欧洲在20世纪末也开始了一体化机翼技术的研究,欧洲航空防务与航天公司(EADS)针对结构功能一体化天线,共发展了4种型号的天线,达到了与三维曲面完全契合的效果[9]。国内关于共形天线技术的研究起步较晚,但近几年发展迅速。文献[10]对蜂窝夹层微带天线进行了基础研究,研制了包括Ku和S波段的一体化夹层微带天线样件,并分析了结构参数对天线力学性能及电性能的影响;文献[11]研究了共形微带天线参数的精确分析方法、天线单元及阵列的优化方法等;文献[12]提出了具体的智能蒙皮天线总体设计方案,包括嵌入光纤传感器、驱动装置以及微处理器的封装功能层,该方案提供了一体化机翼的设计框架。从目前对传感器飞机一体化机翼的研究结果看,国外已经从一体化机翼的关键技术突破走向工程样机研制阶段,而国内仍处于概念设计和应用基础研究阶段,成果还不能满足工程需求。本文根据传感器飞机原理样机的总体设计要求,对一体化机翼进行了方案阶段的结构设计和性能分析。在常规机翼设计方法的基础上,考虑蒙皮共形天线区域性能要求,初步设计了一种双梁式后掠翼构型,并在结构重量增加很小的情况下,通过对初始机翼构型开展复合材料铺层、结构传力路径等优化设计,使机翼的强度和稳定性满足总体设计要求,同时具体给出了各优化途径对机翼性能提升的效果。该优化分析内容和结果可供其他传感器飞机一体化机翼的方案设计参考。1机翼初始设计构型根据传感器飞机在结构、功能以及载荷等方面的总体要求,设计了一体化机翼的初步构型,左机翼结构如图1所示。机翼采用大展弦比后掠翼构型,由骨架、襟翼、副翼、翼尖、蒙皮和天线阵列组成。蒙皮采用蜂窝夹层蒙皮,共形天线阵列埋在蒙皮复合材料面板内,天线区域图1一体化机翼结构示意图采用透波材料设计。骨架主要由前后翼梁以及翼肋组成,考虑透波要求,在常规双梁机翼设计基础上,将主梁分段,天线边界的主梁中段后移,在主梁分段处采用加强翼肋设计。2初始构型性能分析2.1有限元建模在ABAQUS软件中建立机翼初始构型的有限元模型,如图2所示。前缘、襟翼、副翼和翼尖内部泡沫填充物采用体单元,翼梁和翼肋的缘条采用梁单元,其他结构均采用壳单元,单元总数约20万。图2机翼初始构型有限元模型翼梁和加强翼肋采用7075铝合金,蒙皮共形天线区域采用玻璃纤维面板蜂窝夹层结构,其他区域采用碳纤维面板蜂窝夹层结构,主要材料的力学参数见表1。表1机翼模型主要材料的力学参数参数GFRP单层板CFRP单层板Nomex纸蜂窝模量E1/MPa

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