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空天飞机变体头锥的蒙皮结构设计方法研究

批准号:
52075038
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
赵杰亮
依托单位:
学科分类:
机械设计学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
赵杰亮

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
变体头锥会使空天飞机随着外部环境实时调整气动构型,可为空天飞机跨高度跨声速飞行和水平自主起降提供技术支持。本项目旨在针对空天飞机头锥变体所带来的外部蒙皮耐高温性能与大伸缩比变形需求之间的设计矛盾问题,提出头锥柔性蒙皮的设计理论及其协同变形的控制方法。研究内容包括:1)基于蜜蜂腹部变形机制,设计非圆截面头锥的变体展开机构;2)揭示蜜蜂腹肌的滑移变形机理,提出基于肌丝滑移机制的蒙皮结构变形设计方法;3)采用3D编制技术,研制具有面外高刚度和耐高温性能的变形蒙皮结构;4)建立头锥变几何体的变结构动力学模型,提出变体头锥骨架展开机构与表面蒙皮结构的变形协调控制方法。本研究将解决空天飞机非圆截面变体头锥的耐高温可变形蒙皮设计问题,突破空天飞机头锥与其表面耐高温蒙皮的一体化变形协调控制技术,可为空天飞机实现跨大气层再入飞行和空天机动战略打击能力等提供理论依据和技术支持。
英文摘要
The morphing nose cone of aerospace vehicle enables the aircraft to adjust the aerodynamic configuration in real time with the external environment, which can provide technical support for aerospace vehicle flying across different altitude with transonic speed, and horizontal autonomous take-off and landing. This project aims to resolve the conflict between the heat-resistant performance and expansion deformability of the outer skin brought by the variant of the nose cone, and proposes the design theory and deformation control method for the nose cone and the flexible skin. Research includes as following: 1) Design a deployment mechanism of the morphing nose cone with a non-circular cross section based on the deformation mechanism of honeybee's abdomen; 2) Reveal the sliding deformation mechanism of the abdominal muscles, and propose a design method of skin deformation based on the sliding mechanism of myofilament; 3) Use the 3D programming technology to develop a flexible skin with substantial in-plane expansion deformability and out-of-plane heat-resistant performance; 4) Establish a dynamic model for the variable geometry structure of the morphing nose cone, and propose a control method of coordinated deformation for both the skeleton deployment mechanism and surface skin of the morphing nose cone. This study will solve the designing problem for the flexible skin of morphing nose cone, which can combine the abilities of the in-plane expansion deformability and out-of-plane heat-resistant performance. Furthermore, this research can break through the coordination control technology for the integrated deformation of the morphing nose cone and its surface skin, which provide important theoretic foundation and technique measures for atmospheric reentry flight and strategic strike capability of aerospace vehicles.
针对变体头锥骨架展开机构、刚柔耦合式蒙皮结构、头锥与蒙皮的协调变形控制与功能验证等方面的研究已取得创新性理论研究成果。发表学术论文17篇,其中包括Aerospace Science and Technology、ACS Applied Materials & Interfaces等国际顶级期刊论文,SCI收录15篇,EI收录17篇。相关研究工作多次受邀在全国空间机构学术会议等国内外学术会议上做特邀报告。设计研制了可应用于变体飞行器的自适应智能变体头锥及其蒙皮材料,开发了刚柔耦合式大变形蒙皮结构,突破了若干关键的技术问题,申请国家发明专利8项,已授权4项。本项目的研究成果对于丰富机构学和结构力学的研究内容,提高我国新型空天飞行器变体结构的创新设计能力等都具有非常重要的价值和意义。主要研究成果如下:(1)变体头锥骨架结构设计:构建了变体头锥骨架展开机构的拓扑与运动学综合设计理论,提出了展开机构变形单元的多模块协调联动及变形运动分析方法,设计了非圆截面的变体头锥三维空间展开结构。(2)柔性蒙皮的材料-结构一体化设计方法:揭示了基于肌肉-节间褶-壳体协同作用的蜜蜂腹部滑移变体防护机制,构建了柔性蒙皮材料的变形-防热本构模型,提出了基于肌丝滑移的变形蒙皮材料-结构一体化设计方法。(3)刚柔耦合蒙皮结构开发与研制:基于折纸理论和刚柔耦合的变形承载设计思想,设计并研制了具有面内变形-面外承载的刚柔耦合式分层滑移蒙皮结构,并提出了变体头锥骨架展开机构变形与柔性蒙皮自主跟踪变形的协调控制方法,开发了柔性蒙皮随机体协同变形的智能驱动器;(4)头锥与蒙皮协同变形的运动性能分析:建立了变体头锥的系统动力学模型,分析了头锥结构变形运动的耦合动力学特性;建立头锥结构仿真模型,分析了多任务剖面下头锥变体对飞行器减阻降热性能的影响规律。(5)变体头锥样机研制与功能验证:研制了具有多工况智能识别功能的变体头锥物理样机和具有压缩回弹性能的柔性蒙皮材料,完成了样机功能验证,是国际首次设计并开发的一种飞行器自适应智能变体头锥。
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
  • 批准年份:
    2018
  • 负责人:
    赵杰亮
  • 依托单位:
国内基金
海外基金