形状记忆材料在可变形飞行器上的应用
形状记忆材料在可变形飞行器上的应用
摘要：可变形飞行器可以根据不同的飞行条件改变自身形状以获得最优的气动性能，大大提高飞行器的综合性能，是未来飞行器发展的重要方向之一。形状记忆材料和结构具有驱动、变形、承载、传感等特点，为变体飞行器的设计提供了新的技术途径。
交互池和变形器怎么卸载关键词：形状记忆，可变形飞行器
1引言
可变形飞行器可以根据不同的飞行任务和飞行环境改变自身形状，以获得最佳的气动性能，已经成为未来先进飞行器的重要特征和发展方向之一。采用可变形技术，可以使飞行器实现减小阻力，提高升力，提高机动性能，减少起降距离，减少油耗，扩展航程，提高升限，在整个飞行包线上保持综合性能最优等。变体飞行器需要一类具有轻质、大驱动力、大变形等特点的新一代材料和结构来实现，形状记忆材料和结构的出现满足了变体飞行器的需求[1]。
形状记忆材料和结构一般是指以最佳条件响应外界环境变化，且按这种变化显示自己功能的材料，具有自感知、自诊断、自驱动、自修复等能力，具有多功能性和感受环境变化（或刺激）
响应。压电材料、形状记忆合金、形状记忆聚合物、电致活性聚合物、磁致伸缩材料、电流变材料、磁流变材料、光纤传感器等都可以归为智能材料和结构。智能材料和结构具有轻质、高能量密度、自驱动、大变形、良好的传感特性、自修复等性能[2]。
2形状记忆材料的种类
2.1形状记忆合金
形状记忆合金是指将两种或多种金属组成合金线在一定原始外形下经过高温处理达到一种形状后急剧冷却，在较低温度环境下经过塑性变形并固定成目标形状后，升温到特定温度以上后，又能够恢复到原始形状的一类具有特殊性能的合金。形状记忆合金在温度变化的过程中会出现两种形态，即马氏体态和奥氏体态。在马氏体态结构内部发生变化过程中，高温态称为奥氏体态，低温态称为马氏体态，从奥氏体态向马氏体态的顺向变化过程称为马氏体相变。从马氏体态向奥氏体态的逆向变化过程称为马氏体逆相变。有3种形式可诱发马氏体相变，即应力诱发马氏体相变、应变诱发马氏体相变和热诱发马氏体相变。当受温度影响时，形状记忆合金有4个临界相变温度：马氏体相变初始温度TMs，马氏体相变结束温度TMf，奥氏体相变初始温度TAs，奥氏体相变结束温度TAf，他们之间的大小关系依次为TAf＞TAs＞T
Ms＞TMf。
按照热变形特征不同，SMA 可以分为：a.单程式形状记忆合金，能够在温度较低的条件下产生一定的形变，通过加热后恢复到变形前的外形，b.双程式形状记忆合金，加热时变成高温状态下的形态，冷却过程中又能恢复到低温状态下的形态；c.全程式形状记忆合，加热时变成高温相形态，冷却时却变成与加热时相同而取向相反的低温相形态。
形状记忆合金具有极佳的机械属性，低温产生的变形能在适当的热刺激下完全恢复，这一形状记忆效应主要源于低温稳定结晶马氏体相到高温结晶奥氏体相的相位转变。超弹性是形状记忆合金的另一特征，即在较大温度范围经历相对较高应变程度的加载然后卸载材料经过迟滞回线恢复到初始形状。
2.2形状记忆聚合物
形状记忆聚合物是一种具有形状记忆效应的聚合物材料，该聚合物材料具有独特的分子机制，当外部条件发生变化时，它可相应地改变形状并将其固定。如果外部环境的变化再次触动了聚合物分子的机制，它能可逆地恢复至起始态；至此完成“形状记忆”的循环，聚合物的
这种特性称为材料的记忆效应与常规高分子材料类似，形状记忆聚合物也具有三维分子网状结构。这些网状结构被认为是聚合物链段结构通过交联点相互连接，这一相对稳固的交联结构保证了形状记忆聚合物在原始态和回复态的宏观形态。形状记忆聚合物通常是由保持聚合物原始形状的固定相以及随温度变化能发生可逆软化与硬化变化的可逆相组成。
形状记忆聚合物具有可回复应变较大的特点，一般能达到10%～100%，但材料的模量、强度等力学和热－力学性能较差，导致材料变形回复输出力较小，运动稳定性和可靠性较差，蠕变和松弛现象较严重等。通过形状记忆聚合物与其它增强材料(如颗粒、纤维)掺杂，经过复合工艺制备形成的形状记忆聚合物复合材料，使材料具备了可回复应变大、变形回复输出力较大、比强度、比刚度高和低成本等优点。
3形状记忆材料在变形飞行器上的应用
3.1可变后掠机翼
机翼是飞行器在飞行中重新构型的主要部件，有目的地在飞行中改变机翼外形特性，如机翼后掠、翼展和弯度等，就可以有效地增加机翼的效率，其中改变翼展和机翼面积的效果最为
突出。比如，飞机在巡航时通常要求机翼具有高展弦比和大机翼面积，而要想保持飞行速度快，就要求低展弦比和小的机翼面积。变形机翼的概念就是把二者的特点结合在一起，使机翼面积能够在50%～150%之间变化。变形机翼能够从根本上改善飞机的巡航和冲刺能力, 以及飞行机动能力。此外，具有变形结构的能够以极快的速度抵达目标，然后又能在目标上空滞留以便认定目标是否被摧毁,在必要的情况下还可以快速转向摧毁另一个新目标。
在变形机翼设计中最重要的因素就是形状记忆材料这种特殊材料主要用作变形机翼的蒙皮。美国国防部预先研究计划局“变形飞机结构”项目，2006年8月进行了MFX-1变后掠机翼变体飞行器的飞行验证实验，该验证机机翼面积变，40%，翼展变化30%，后掠角从15°变化到35°。该飞行器变后掠方案采用了形状记忆材料制成的滑动蒙皮技术，即在机翼后掠角变化的同时，机翼面积也发生改变。
3.2折叠机翼
折叠机翼可以大幅度改变机翼的翼面积、展弦比、后掠角等参数，使飞行器能适应更广的速域，在高速和低速飞行时都具有最佳的飞行性能。折叠机翼主要面临着两个关键技术，一个是无缝蒙皮技术，即如何使机翼在折叠变形过程中保持光滑连续，保证良好的气动性能；另
一个关键技术是驱动器技术，驱动器既要保证足够大的驱动力同时还要重量轻，达到减重的目的。
在美国防部高级研究计划局“变体飞行器结构”计划的支持下，美国洛克希德马丁公司提出了一种折叠翼变体飞行器方案，该飞行器机翼可以折叠130°，展开状态与折叠状态相比，有效后掠角减小30°，机翼面积增大180%，机翼展长增加70%，升阻比增加52%。
3.3可变弯度机翼
机翼弯度变形可以有效改变机翼的升阻系数，在缩短起降距离和实现空中姿态控制等方面有重要作用。光滑连续的可变弯度机翼可以推迟气流分离，减小阻力，显著提高飞行器性能。其所涉及的关键技术主要包括：小型快速响应智能驱动器技术和连续可变形蒙皮技术等。
在美国国防部高级研究计划局“智能翼”计划支持下，利用形状记忆合金替代传统的铰链连接，提供连续的后缘控制面，保证机翼的光滑连续，提高飞行器气动性能，同时还利用形状记忆合金驱动器驱动机翼扭转变形，分别做了风洞实验，验证了其可行性。实验结果显示，可以利用智能材料设计具有大驱动力、大挠度、光滑连续、无铰链控制面等功能的新型自适应机翼结构，“智能翼”技术成熟度达到5。
4小结
形状记忆合金、形状记忆聚合物等形状记忆材料和结构已经在变体飞行器领域被广泛研究和初步探索，但目前，将智能材料和结构在变体飞行器上应用还有较大局限性，仍需进一步提高和改善材料性能、优化设计结构等，实现变体飞行器对轻质、大输出力、大变形等材料和结构的需求，为其更广泛的应用提供技术基础。
参考文献：
[1] 崔尔杰，白鹏，杨基明.智能变形飞行器的发展道路[J]．航空制造技术，2007(8):38-41．
[2] 裘进浩，边义祥，季宏丽，等.智能材料结构在航空领域中的应用[J]．航空制造技术，2009(3):26-29.
[3] 杜善义，冷劲松，王殿富．智能材料系统和结构[M].北京科学出版社，2001:1-3.

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