多稳态变翼结构的伸展与控制

以未来我国近空间变翼飞行器为背景，研究具有多稳态的变翼结构伸展及控制问题，在变翼结构伸展动力学建模、分析、实验等方面开展理论分析、数值计算和实验研究，提出一维变翼结构设计研制的理论方法和关键技术。内容包括：变翼结构设计、动力学建模和分析、伸展控制实验。解决如下关键问题：一是"零拉涨"薄翼伸展结构最优设计。仿照蜂窝结构设计沿翼展方向一维伸展的翼型结构，在伸展路径最优、能耗最低等性能约束下结合动力学实验进行结构优化和模型修正；二是时变结构动力学模拟。发展高效结构动力学计算技术模拟时变的伸展结构及结构间隙、多稳态等非线性因素带来的动力学；三是伸展控制实验。借助气浮实验系统作为飞行模拟平台进行伸展控制实验验证，发展专门的视觉识别技术实时测控变翼结构的伸展，验证伸展过程的动力学和构形稳定性。

以未来我国近空间变翼飞行器为背景，研究了变翼结构的动力学建模、飞行稳定性、稳定性控制等问题。主要工作如下：(1) 基于拓扑优化方法获得了计入气动力的伸缩翼骨架结构，设计了一种“零张拉”伸缩的机翼骨架结构；提出了利用非对称剪铰式单元实现伸展-后掠的变翼方式，获得了单自由度非对称平面剪铰桁架结构的运动学及动力学特性，为非对称剪铰展开结构的应用提供了理论基础；(2) 研究了可变翼展飞机在变翼展过程中的气动力特性及纵向飞行动响应。通过实时气动力计算和纵向飞行动力学方程联立求解，获得了不同翼展下的飞机升力、阻力和力矩及飞行动响应；(3) 将慢变系统稳定性理论应用于伸展变翼中的稳定性分析中，建立了适合一般变翼结构稳定性分析的计算方法。实际应用中，飞行方程与构型参数有关的变量难以通过明确的解析式来表示，数值近似法解决了这一问题。结果表明，该方法能够得到变形速度的上界；(4) 自行设计研制了用于变翼飞行稳定性实验的气浮平台系统，利用该模拟平台可以验证变翼过程飞行的稳定性问题。该系统采用现代多孔碳材料技术生产的气垫，气浮轴承具有成千上万的微米级气孔，性能更加可靠和稳定。