空天飞机可变体头锥仿生设计及其气动特性研究
批准号:
51805293
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
28.0 万元
负责人:
赵杰亮
依托单位:
学科分类:
E0507.机械仿生学与生物制造
结题年份:
2021
批准年份:
2018
项目状态:
已结题
项目参与者:
梁友鉴、韩靖宇、牛文栋、沈强
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中文摘要
头锥结构在调整空天飞机的表面热流、温度和压力分布等方面发挥着重要作用。然而,目前的空天飞机头锥并不能随外部环境实时调整自身构型,无法使空天飞机获得实时最优的气动性能,极大地限制了其飞行的机动性和活动空间。设计可自如调整外形的可变体头锥机构、变形机构的实时锁定机构以及快速响应的变形驱动系统是空天飞机变体头锥设计的三大技术难点。为此,本项目将借鉴蜜蜂腹部灵活自如的变体能力,设计基于蜜蜂腹节肌肉-节间褶协同运动机制的变体头锥机构;研究腹部神经-肌肉的高效作动机制,给出腹部纵肌与环肌的笼式驱动模式,设计基于蜜蜂腹部肌肉群的分布式协同驱动布局;建立气动性能优化目标函数,对头锥的仿生设计进行参数灵敏度分析,获得各设计参数对空天飞机气动性能的影响程度,保证其在整个飞行过程获得最优的气动力、热特性,以提高空天飞行器的机动性能和作战效能。
英文摘要
The nose cone of aerospace plane plays an important role in adjusting the distribution of surface heat flux, temperature and pressure. However, the current nose cone of aerospace plane cannot respond optimally to the changes in the external environment, let alone obtain a real-time optimal aerodynamic performance. The constant structure of nose cone also greatly reduces the range of motion and flexibility. In this project, there are three major technical difficulties solved in the design of morphing nose cone, that is, the design of deformation mechanism, the real-time locking mechanism and the rapid-response deformation drive system. Firstly, we reveal the flexible deformation mechanism of honeybee abdomen. Secondly, a morphing nose cone is designed based on the synergistic effect of the terga/sterna, muscles and folded intersegmental membrane. Furthermore, the efficient mechanism of abdominal nerve-muscle actuation mechanism is revealed. Next, the power-distributed traction mode of morphing nose cone is designed based on the grid structure of abdominal muscles. At last, an optimal objective function of aerodynamic performance is established. In order to obtain the impact of morphing nose cone on the aerodynamic performance of aerospace plane, the parameter sensitivity of morphing nose cone is analyzed. The study will ensure the real-time optimal aerodynamic performance and improve the maneuvering performance and warfighting effectiveness of aerospace plane.
空天飞机头锥结构是其调整表面热流和压力分布的关键。在本基金的支持下,项目团队针对目前头锥因不具备变体功能导致其无法获得实时最优气动性能的问题,围绕空天飞机的变体头锥设计,从蜜蜂腹部的神经-肌肉协调变形机制、头锥变体的仿生设计和不同飞行工况下的气动性能提升三个核心问题开展了如下研究:(1)针对蜜蜂腹部的协同变形机制,建立了神经、肌肉与外骨骼协同作用下的多腹节嵌套滑移力学模型,研究了神经激励水平下的肌肉协同运动机制,揭示了腹部变体的神经-肌肉协调变形规律;(2)基于蜜蜂腹部大负载变形的运动限位机理,设计了空天飞机变体头锥的变形锁定和变形驱动装置,实现了头锥应对大负载和高机动变形时的结构锁定预与瞬时驱动变形能力。(3)在上述理论研究的基础上,研发了空天飞机可变体头锥的物理样机,开展了头锥变体的主动控制试验研究,验证了变体头锥技术在未来空天飞机上的工程应用可行性。(4)采用流场数值计算方法,建立了空天飞机头锥构型变化的流体网格模型,研究了各设计参数对空天飞机气动性能的影响程度,优化了空天飞机在飞行过程的全阶段气动性能。此项目研究成果解决了空天飞机在不同任务剖面下执行任务的气动构型需求矛盾,仿生变体技术极大地缩短了变形响应时间,获得了最优的气动力、热特性,扩展了空天飞机的任务窗口,提高了其机动性能和作战效能。研究内容覆盖了申请书的全部任务,并取得了一系列成果。团队在领域内高水平期刊发表SCI论文7篇,EI论文3篇,会议论文2篇,申请发明专利8项,获得授权7项。在项目实施过程中,项目负责人获得了北京理工大学特立青年学者荣誉称号,职称由中级晋升为正高级;受邀担任了青年编委1项;做国际会议邀请报告1次;新增国家级项目2项,省部级项目1项,包括国家重点研发计划青年科学家项目1项,军口重点项目1项,国家自然科学基金面上项目1项。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
Biomimetic skeleton structure of morphing nose cone for aerospace vehicle inspired by variable geometry mechanism of honeybee abdomen
受蜜蜂腹部可变几何机构启发的空天飞行器变形鼻锥仿生骨架结构
DOI:10.1016/j.ast.2019.06.010
发表时间:2019-09-01
期刊:AEROSPACE SCIENCE AND TECHNOLOGY
影响因子:5.6
作者:Zhang, Yuling;Zhao, Jieliang;Cai, Qiaoyan
通讯作者:Cai, Qiaoyan
Kinematics of Stewart Platform Explains Three-Dimensional Movement of Honeybee's Abdominal Structure
斯图尔特平台的运动学解释了蜜蜂腹部结构的三维运动
DOI:10.1093/jisesa/iez037
发表时间:2019-05-15
期刊:JOURNAL OF INSECT SCIENCE
影响因子:2.2
作者:Liang, Youjian;Zhao, Jieliang;Schmidt, Alexander
通讯作者:Schmidt, Alexander
Electroantennogram reveals a strong correlation between the passion of honeybee and the properties of the volatile
触角电图揭示了蜜蜂的热情与挥发性物质的特性之间存在很强的相关性
DOI:10.1002/brb3.1603
发表时间:2020-01
期刊:Brain and Behavior
影响因子:3.1
作者:Zhao Jieliang;Li Zhiqiang;Zhao Zhen;Yang Yunqiang;Yan Shaoze
通讯作者:Yan Shaoze
DOI:--
发表时间:2020
期刊:机械工程学报
影响因子:--
作者:梁友鉴;赵杰亮;阎绍泽
通讯作者:阎绍泽
DOI:10.1021/acsami.1c05500
发表时间:2021
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces
影响因子:9.5
作者:Wang Mingyue;Chen Weihua;Zhao Jieliang;Yu Li;Yan Shaoze
通讯作者:Yan Shaoze
蜜蜂足垫粘附接触界面的力学调控机理及其仿生研究
- 批准号:52375282
- 项目类别:面上项目
- 资助金额:50万元
- 批准年份:2023
- 负责人:赵杰亮
- 依托单位:
空天飞机变体头锥的蒙皮结构设计方法研究
- 批准号:--
- 项目类别:面上项目
- 资助金额:58万元
- 批准年份:2020
- 负责人:赵杰亮
- 依托单位:
国内基金
海外基金















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