摘要：在航空航天领域，压电材料在飞行翼形控制方面得到了应用和研究，并取得了一定的成果。基于这种情况，本文在分析压电材料的特性及应用发展情况的基础上，对压电驱动器、压电复合材料在飞行机翼流场和颤振控制方面的应用问题展开了探讨，从而为关注这一话题的人们提供参考。
关键词：压电材料；飞行翼形控制；增升减阻装置
引言：随着激光、生物等科技技术的发展，压电材料这种高技术材料也得到了研发和应用。而在飞行领域，飞行器作为现代战争中的重要作战、侦察工具，也开始运用压电材料改进其飞行性能，从而通过加强高科技的利用提高飞行器飞行水平。对于飞行器来讲，其飞行翼形的控制至关重要。因此，还应加强对压电材料在飞行翼形控制方面的应用研究，从而更好的优化飞行器飞行性能。
1压电材料的特性及应用发展情况
所谓的压电材料，其实就是能够在外力作用下发生电极化变化的材料。压电材料的这种特性，使得介质在材料两个端面出现了等量的约束电荷，且电荷符号相反，能够由机械能转化为电能。而材料之所以能够拥有这种特性，主要是其拥有不对称的晶胞结构，受应力作用的影响，其表面将出现束缚电荷。就目前来看，在压电材料应用方面，主要得到应用的为压电晶体和压电复合材料，前者可用于进行振荡器等电子元件的制作，后者可以用于提高材料的压电性和抗变温度性等性能。随着压电材料制备技术的快速发展，在换能器、驱动器等领域压电材料也得到了应用，前者可利用聚合物压电效应将机械能转化为电能，后者可以利用逆压电效应将电能转化为机械能[1]。而利用压电材料制作的设备，已经在电子电力、航空等多个领域得到了运用。
2压电材料在飞行翼形控制方面的应用
2.1在飞行机翼流场控制方面的应用
在飞行翼形控制方面，流场的控制至关重要，可起到影响飞行器空气动力学性能的作用。通过对不利流场进行控制，能使飞机保持良好的翼形状态。目前在机翼流场控制方面，主要采用的装置为增升减阻装置，其由各种襟翼构成，能够起到改善气流状况和增加飞机升力的作用。在该装置中，需要利用驱动器进行流畅局部控制，以改善飞机启停和飞行性能。但就目前来看，各种驱动器采用的自适应机翼驱动方法存在一定的局限性，无法在飞行器上得到较好适用。而采用压电材料进行驱动器的制备，则能更好的实现飞机翼形控制，从而使飞机性能得到改善。
在飞行翼形控制方面，大位移压电驱动器得到了较好的应用。不同于常规驱动器，其由多层压电薄片构成，并采用并联方式进行压电块连接，所以不容易出现一个压电片常发生的退极化、蠕变和电滞等问题。采取该种结构，在叠放驱动器时，则能使驱动器具有较强的离面变形能力，更好的满足机翼变形控制需求。比如采用RAINBOW压电驱动器，其具有较大承载力和位移量，可以提供5倍形变量的位移驱动。在超声速气流施加的电场作用下，驱动器会产生高轴向位移，从而使飞机翼形得到改变。不同于一般电陶瓷驱动器，该种驱动器能够承受较高的应力，所以轻易不会发生损坏，因此能够更好的满足飞行翼形控制要求。在反应速度上，该种驱动器能够采用点-面式夹持测量方式，其轴向等效弹性系数更小。在飞机飞行的过程中，由于气流变化较快，所以会产生低频交变力作用，使压电层发生巨大应变。
在飞行翼形控制方面，还可以采用THUNDER压电驱动器。从结构上来看，该种驱动器由表面覆盖聚酰亚胺的压电片构成，其基体材料由聚酰亚胺和铝或钢交互构成，将在真空和高温度条件下对材料进行烘烤。由于材料拥有不同的热膨胀系数，所以薄片会产生预应力。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆对其驱动电压进行改变，则能引起材料变形。在机翼表面上固定该装置，如果机翼发生正倾角，在大反向压力梯度的影响下，流场会划分为分离流动和黏附流动两部分[2]。而此时，如果驱动器发挥作用，则会使机翼前表面逐渐隆起，延迟反向压力梯度，进而使黏附流动得到增加。相较于RAINBOW驱动器，该种驱动器拥有更大的输出，即在基体层数增加的情况下，其输出量会有大幅度提高。如果薄片层数为9层，则其变形能力将能达到RAINBOW的13倍。但无论是哪种压电驱动器，都可以用于进行机翼增升减阻离面变形控制，从而通过控制机翼流场满足飞行翼形控制需求。
2.2在飞行机翼颤振控制方面的应用
所谓的复合材料，其实就是利用两种及以上不同材料复合制备的材料。该种材料不仅能够保持原材料的性能，还能使材料具备更好的特性。而压电复合材料则是利用压电陶瓷相材料和聚合物相材料构成的材料，具有一定的压电效应，能够根据应力分布、机械特性等确定材料特性。采用定向粘贴技术进行压电复合材料生产，可以利用宿主材料力学性能使复合材料产生各向异性，能够加强某一方向压电效应的利用。而采用压电纤维复合材料制备技术，可以获得适当的压电诱导应变比和刚度，使单压电片驱动器存在的自由应变问题得到解决。此外，针对该种材料，也可以进行薄片的内置，从而为复合材料提供外加电场。在飞行机翼颤振控制方面，压电纤维复合材料得到了应用。利用压电纤维复合材料进行传感器和驱动器的制备，并在机翼和翼尾部位进行装置安装，则能发挥控制颤振的作用。利用该种材料进行柔性机翼的制作，能够实现传感器与驱动器的集成。在飞行器飞行的过程中，利用压电传感器，则能完成翼面气流的监测。监测信号经过放大后，会达到控制中心，在自动控制系统处理下得到驱动信号。经过功率放大器，驱动信号将传递至压电驱动器，并对微动板的位置进行调整，以实现颤振控制。
在飞行器减振控制方面，ACX公司主要生产由电控回路和压电材料构成的主动控制模块。在压电材料制作方面，该公司采用了压电纤维进行复合材料的制备，得到的材料具有一定的柔韧性。而从材料实验结果来看，在F/A18飞机垂翼上使用该模块，并完成压电驱动器的安装，能够使翼形的颤振得到有效控制。在飞行器自适应系统研制方面，PI公司在生产压电陶瓷驱动器的基础上，进行了纤维柱状传感器和驱动器的研制，以实现飞行翼形振动控制。
在压电纤维复合材料的研究上，已有研究表明，利用压电材料对超声速飞行器壁板结构进行改进，能够使飞行器壁板结构颤振特性得到提高。根据Hamilton原理进行飞行器整体结构的分析，可以利用加速度反馈控制策略进行结构主动质量的获取，并通过求解特征值确定结构震颤速度。而在壁板的表面进行压电片的粘贴，然后利用反馈控制方法进行分析，可以发现压驱动器的控制电压与平板位置加速度成正比，会为板结构提供主动质量，进而使结构的固有频率得到提高[3]。因此，通过合理设置压电纤维复合材料，可以使飞行翼形颤振得到有效控制。
结论：通过研究可以发现，在飞行翼形控制方面，压电材料能够起到有效控制机翼流场和颤振的作用。而在实际应用该种材料时，还要结合实际控制要求进行适合的压电驱动器、压电复合材料的选用，以便更好的实现飞行翼形控制。因此，相信本文对压电材料在飞行翼形控制方面的应用问题展开的分析，能够为相关研究的开展提供参考。
参考文献：
[1]段利利，邢健. 浅谈压电材料研究现状及发展趋势[J]. 山东工业技术，2015，（22）：271.
[2]鲜斌，刘洋，张旭等. 基于视觉的小型四旋翼无人机自主飞行控制[J]. 机械工程学报，2015，51（09）：58-63.
[3]李凤明，陈照波，崔玉波. 采用压电材料提高超声速飞行器壁板结构的颤振特性[J]. 固体力学学报，2011，32（S1）：214-218.
论文作者:于雪梅
论文发表刊物:《电力设备》2017年第24期
论文发表时间:2017/12/21
标签：翼形论文; 材料论文; 驱动器论文; 机翼论文; 复合材料论文; 飞行器论文; 结构论文; 《电力设备》2017年第24期论文;