[科普中国]-智能旋翼

原理

随着智能材料技术的发展及其在旋翼飞行器减振降噪等方面的应用潜能，智能旋翼技术己成为国内外直升机新技术领域的一个研究热点。智能旋翼概念是通过主动控制旋翼桨叶外段的翼型迎角变化，进一步控制桨叶气动力分布，从而达到旋翼减振降噪的目的，目前，智能旋翼技术研究仍处于概念研究阶段。主动扭转智能旋翼桨叶其原理是：在具有弯扭耦合的主动扭转梁上下表面分段粘贴压电材料层，通过主动扭转梁的分段弯扭耦合驱动来产生梁的主动扭转输出，进而带动桨叶外侧的桨尖扭转，由于外侧桨尖处于高动压区，一般只需很小的附加扭转即可达到振动控制的效果。智能旋翼的减振机理分析，实质是一个旋翼气动弹性分析过程，需要建立基于压电复合材料层合梁的气弹耦合分析模型，分析压电复合材料层合梁的主动扭转响应，通过与三维实体分析结果及原理模型试件的试验结果对比，验证模型的有效性和可靠性。2

发展沿革近几年，随着一类新型材料——智能材料(Smart material)技术的飞速发展以及其在直升机上的应用，使得直升机振动主动控制技术有了新的突破。智能材料的最显著优点在于其重量轻、体积小、对外输入响应速度快。用智能材料制成的作动器(也可制成传感器)可以很方便地安装在直升机桨叶上工作，其广泛的适应性和开发潜力必将远远超过笨重、复杂、体积庞大的传统液压式作动器和电磁式作动器。

目前在直升机振动控制领域受到广泛关注的智能材料主要有以下两类，即压电陶瓷晶体(Piezoelectric)和磁致伸缩材料(Magnetostrictive)。美国的麦道直升机公司(MDHC,现已并入波音公司)和马里兰大学倾向于使用前者,而美国的Satcon公司则在应用磁致伸缩材料技术方面做了大量的研究工作。

利用智能材料的特殊属性，安装在直升机桨叶上的智能材料作动器(传感器)，一方面采集旋翼系统的动态响应信号传输给机载控制器；一方面接受机载控制器发出的控制信号产生作动运动直接或间接地驱动桨叶外端后缘附翼或改变桨叶的安装角分布，引起附加的桨叶响应以达到抑振或降噪目的。应用智能材料进行振动、噪声主动控制的旋翼系统被称为智能旋翼(Smart rotor)，又称自适应旋翼(Adaptive rotor)。它的出现必将对传统的直升机构造形式、总体性能及飞行品质产生革命性的影响。3

应用形式智能旋翼主要有以下几种可能的应用形式:

①桨叶俯仰控制;

②桨叶扭转控制;

③桨叶翼型剖面弯度控制;④桨叶主动附翼控制。

从目前国外研究的结果来看,普遍认为主动控制后缘附翼方案最为可行,并且已经做了一些计算机仿真研究和有限的风洞旋翼模型试验。3

常见方法常见的技术方法有：

1．电致桨叶扭转技术

1)压入复合桨叶结构中的压电跃变薄片产生电致扭转 存桨叶的玻璃纤维蒙皮里压人斜向的压电陶瓷(PZT)薄片的桨叶，会因为PZT薄片的电驱动作用引起桨叶的扭转。试验表明，当激励接近共振频率(50Hz和95Hz)时，该浆叶产生了明显的扭转响应。

2)扭转板压电作动器产生电致扭转

扭转板压电作动器通常用于刚性较大的自适应旋翼。目前正在研制和试验中的智能材料扭转板，是由金属基体和沿斜向布置的压电陶瓷板(DAP)组成的。扭转板靠分布在板上表面和下表面极性相反的PZT的驱动产生扭转。

2．智能纤维复合材料产生的扭转

智能纤维复合材料是由玻璃纤维层和PzT纤维层层压而成的。PZT纤维层在环氧树脂层和聚酰亚胺电涂膜层里有连续直线排列的PZT纤维。电涂膜被蚀刻进交指型模板中，此模板能引起沿纤维方向的电场，从而引起压电效应。

3．离散式电致应变驱动技术

1)带弯一扭电致作动器的智能桨尖扭转技术

目的是利用智能桨尖的扭转，控制旋翼的振动和进行气动弹性研究。全动桨尖的转动由置于桨叶内的电致应变旋转作动器驱动。桨尖由沿展向45°、0°铺层结构和直接沿斜向布置的相连的PZT薄片作动器组成。作动器基于弯一扭耦合原理驱动，梁式作动器沿翼展方向逐段驱动，这样，当电致应变扭曲率叠加形成桨尖纯扭时，电致应变弯曲曲率消失。

2)旋翼桨叶附翼驱动产生的扭转

达到与电致应变驱动桨叶同样效果的另一途径是在旋翼桨叶上安装伺服附翼。目前的理论研究已经表明，气动伺服附翼具有进行直升机旋翼主动控制的能力。

智能材料电致应变作动器布控制气弹和振动方面的研究逐渐从实验室内缩比模型的概念验证发展到全尺寸直升机上的应用。1