张晓丹 郝文婷

摘要：未来无人飞行器的任务将要求飞机外形和功能上发生变化，同时也就需要新构件技术从发动机到机翼结构、智能材料以及拓展分析技术。本文对生物灵感、智能材料等关键技术进行了分析探讨，对这些技术的优势和劣势进行了简要说明。 关键词：变体；生物灵感；智能材料 中图分类号：V249.1 文献标识码：A一、概述

在当前变体无人飞行器领域中，研究人员一直在关注着智能技术的发展，这些智能技术包括智能材料、传感器、驱动元件及其相关硬件的支持和微电子技术。变体无人飞行器是将新型智能材料、驱动元件、传感器无缝隙地综合应用到飞机机翼上，通过柔顺、平滑、自主的改变飞机外形来改变其气动特性，以适应不同的飞行条件，从而更有效地完成各种飞行任务。因此，变体无人飞行器是一种柔性的，具有结构自适应能力的新概念飞机。

二、变体无人飞行器关键技术

1生物灵感

在自然界中观察鸟类的飞行使人类渴望飞翔，最终发明了飞机。通过与自然界中的生物相比，飞机的设计师们寻求灵感，从通过上千年进化而来的生物物种中获得简单、精致和高效的特征。真正吸引着设计师们的是鸟类翅膀结构和功能的整合，即使在复杂的城市环境中，鸟类在飞行中能够快速的改变翅膀外形，其形态呈现出各种不同的翅膀布局，每一个布局都能应用于某一个特定的飞行任务。

生物灵感飞行系统和仿生材料，被称为BIOSANT（仿生智能纳米技术）。自然界中有许多飞行系统，能把多功能部件合成到一个高效，精致的设计中。这些自然体系经过一系列特殊的背景如环境、生存要求等进行优化并调整飞行状态，但这些要求可能与工程师的需求完全不同，因此直接仿造是无法实现的。

1.1来自生物灵感理念的微型无人飞行器

美国国防部对于微型无人飞行器有一个雄心勃勃的发展目标，想让它们像蜂鸟一样小，硬币一样轻，可以飞到大飞机无法靠近的地方去收集情报。美国国防预先研究计划局（DARPA）国防科学处在传统的微型直升机、扑翼机及其他无人机体系的基础上，寻找最有效的军事应用方法，研发在城区作战环境中进行情报收集的无人机，并为这些微型无人机选择合适的电子、导航和通信设备、传感器和传动装置。这种飞行器能够从目标获取图像或其他传感数据，并将这些数据远程传送到地面站。应急服务机构可以使用这种微型无人飞行器进入人类无法靠近的或危险的地区获取图像和重要信息。

1.2生物灵感变体技术未来的挑战

无人飞行器生物灵感变形的主要挑战包含：理解和量化生物系统的性能优势、开发借鉴自然界设计的材料和结构。科学家和工程师们要生物学家和动物学家紧密合作，了解在自然界中飞行的那些特征。例如，在自然界系统中，翅膀产生飞行所需的升力，但不是所有翅膀特征都与飞行相关。只有通过跨学科工作才能使科学家和工程师发现自然界飞行物的理想飞行性能特征。

2智能材料

智能材料的构想来源于仿生，它的目标就是想研制出一种材料，使它成为具有类似于生物的各种功能的“活”的材料，是一种能同时充当驱动元件和传感元件的特殊材料。它能完成温度、电流、磁场变化和机械变形之间的相互作用，将其应用到翼面结构上，主要是用来实现翼面形状的改变。现在研制出很多类别的智能材料，其中有一些特别适用于航空航天飞行器的结构变形。控制电流是最简单的、重量最轻的一种通过热量驱动的主动变形智能材料。

2.1压电材料

压电材料是一种同时兼具正逆电机械耦合特性的功能材料，具有优良的频率特性和可集成特性。可以根据设计者的意图调整结构的阻尼与自振频率等动力学特征，同时还可对结构的位移、应变、应力、加速度和破坏情况进行自动检测。

压电材料通常被当作驱动元件来使用，将它们安装在结构内或粘贴在结构表面，无数个小驱动元件一起使用，要比大型的驱动装置有效的多，而且体积小、重量轻。

2.2形状记忆合金（SMAs）

形状记忆合金是一种很有前途的智能材料，跟大多数智能材料相比，形状记忆合金的驱动能量密度要高的多，并且它具有相对较高的应变和应力。形状记忆合金是一种具有独特形状记忆效应的金属合金：首先将形状记忆合金在高温下定形后冷却至低温，然后对材料加载至发生塑性变形后卸载，使它存在残存应变，如果再加热到一定温度以上，材料又将恢复到未变形前的形状。利用这个效应，将形状记忆合金埋入基体结构内，通过激励形状记忆合金，就可以使结构具有智能特性。

3自适应机翼

为了满足高性能飞行器研制需求，自适应机翼技术作为一项关键技术将发挥其在改善飞机飞行性能方面的重要作用。自适应机翼具有翼型自适应能力，根据不同的飞行条件改变机翼形状参数，如机翼的弦高、翼展方向的弯曲和机翼厚度，采用最优方式，提高飞行器的机动性和载荷能力，抑制气动噪声与振动，并能改善雷达探测的散射截面从而有利于飞行器的隐身。

结语

随着各种航空新技术的发展以及人们对飞机性能的不断追求，在飞行中能够改变形状成为了可能。通过自适应地优化机翼的大小、形状或者结构，使机翼具有不同的气动特性，可以提高飞机在不同飞行条件下的性能。变形研究项目在不久的将来会彻底改变飞机制造和运营的成本，变体无人飞行器也将广泛的应用于各个领域。

参考文献

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