超磁致伸縮材料在航空中的應用探索*

朱衛(wèi)華，張 利，金 興，鄧興民，安增勇

(1.海軍裝備部，陜西 西安 710077; 2.慶安集團有限公司，陜西 西安 710077)

0 引 言

超磁致伸縮材料(Giant Magnetostrictive Material， GMM)是自20世紀70年代發(fā)展起來的一種新型智能材料，典型代表是TbDyFe合金，區(qū)別于傳統(tǒng)磁致伸縮材料FeNi和FeCo等，具有應變大、能量密度大、輸出功率高、頻帶寬等特點，與壓電材料、形狀記憶合金并稱未來最具潛力的三大智能變體材料，被視為21世紀提高國家高科技綜合競爭力的戰(zhàn)略性功能材料[1]。隨著材料制備與應用技術的發(fā)展，GMM應用已經拓展到流體傳動與控制、機器人、新型電動機、傳感器、蠕動機械、電-聲換能、主動減振、精密加工、高速閥門及飛機機翼控制等眾多領域，并逐漸延伸。面向航空領域對高性能器件的智能化、集成化與微型化的需求，基于GMM材料的應用研究在該領域也具有廣闊的前景。超磁致伸縮作動技術(Giant Magnetostrictive Actuated Technology，GMAT)是超磁致伸縮材料的主要應用形式，是基于GMM材料軸向線性的磁致伸縮效應原理設計工作，在外界磁場的驅動下GMM棒長度發(fā)生變化，從而向外輸出位移或力的技術。相比壓電式作動器有著更小的磁滯損耗，不會因熱影響而永久失效。該稀土合金智能材料的應用研究，對我國這樣一個稀土大國無疑具有重要戰(zhàn)略意義。

筆者通過對比幾種智能材料的優(yōu)缺點以及超磁致伸縮材料在航空中的國內外應用現(xiàn)狀，分析存在差距，繼而提出超磁致伸縮作動技術的智能化、微型化以及一體化的發(fā)展趨勢，分析了未來工程化面臨的挑戰(zhàn)和解決思路。

1 超磁致伸縮材料在航空中應用

1.1 材料優(yōu)勢

GMM主要具有應變大(2000 ppm)、輸出力高、能量密度大、毫秒級響應、驅動電壓低等眾多特點，如圖1所示，截至目前，基于GMM材料開發(fā)的器件已到達數(shù)千件之多。相比壓電材料存在飄移、老化以及過壓擊穿等問題，GMM材料不易老化，即使達到居里溫度磁伸特性暫時消失，但回到居里溫度以下，磁伸特性恢復，不會因熱失效，因此其安全性和可靠性高，這也是GMM材料的研究與應用開發(fā)能得到迅速發(fā)展的根本原因。當然GMM材料作為磁性智能材料同樣具有脆性、溫度特性以及磁滯非線性等不利特點，是應用開發(fā)中必須克服與解決的問題，但優(yōu)勢更突出，更具有吸引力，預計2040年左右，隨著新材料制備研究與應用理論技術的不斷發(fā)展與成熟，GMM器件應用領域將不斷擴展進入工程實用化階段，在“多電飛機/全電飛機”中應用更普遍。

圖1 GMM材料特點

1.2 應用現(xiàn)狀

1.2.1 智能變體飛機/機翼

變體飛機是一種可以根據(jù)飛行任務及外界環(huán)境變化，自適應調整氣動外形，實現(xiàn)在多種任務模式下高效飛行的飛行器。其中未來變體飛機作動系統(tǒng)核心部件是先進智能作動器，包括壓電作動器、磁致伸縮作動器、基于智能材料的機電作動器以及基于智能材料的電動靜液作動器等等。

德國航空航天中心(DLR)是歐盟進行變形機翼研究的主要機構，自1995年以來一直對變形機翼結構開展研究，研究涵蓋了智能機翼后緣、智能小翼、智能前緣、智能前緣縫翼等相關應用場景。歐盟另一個項目CHANGE的研究目標是獲得一種可以在起降高升力階段增加彎度、高速飛行狀態(tài)減小翼展、空中待命階段增加翼展并減小彎度的技術。目前，CHANGE項目已經在無人機上測試了變形機翼前后緣，并且能夠改變翼展。

自適應機翼是在機翼結構中使用磁致伸縮作動器或壓電式作動器等，能夠實時感知外界環(huán)境的變化，并可以驅動機翼彎曲、扭轉，從而改變翼型和攻角以獲得最佳氣動特性，降低機翼阻力系數(shù)，延長機翼的疲勞壽命。當飛機在飛行過程中遇到渦流或猛烈逆風時，機翼中的智能材料就能夠迅速變形，并帶動機翼改變形狀，從而消除渦流或逆風的影響，飛機仍能平衡地飛行，使機翼阻力極大降低。美國Grumman飛機公司利用超磁致伸縮材料作驅動組元制造的自適應機翼模型，其響應速度比傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)提高20倍，后緣傾轉60%，航程增加35%。

在直升機振動控制領域受到廣泛關注的智能材料主要是壓電材料和磁致伸縮材料[2]。麥道直升機公司和馬里蘭大學傾向于使用前者，而賽康科技公司則在應用磁致伸縮材料技術方面做了大量的研究工作。利用安裝在直升機槳葉上的智能材料作動器，接受機載控制器發(fā)出的控制信號產生作動運動直接或間接地驅動槳葉外端后緣附翼或改變槳葉的安裝角分布，引起附加的槳葉響應以達到抑振或降噪目的。

1.2.2 新型智能元件

GMM應用已進入飛機作動領域，并得到長足發(fā)展，尤其是美國、法國等航空強國投入大量的經費和人力開展了新型智能材料開發(fā)及智能器件的研究，其中超磁致伸縮作動器是其中一項重點。圖2列舉出國外部分企業(yè)、院校以及研究所的應用現(xiàn)狀。

法國Cedrat技術公司已將磁伸縮致動器發(fā)展成較為成熟的系列化產品，可以被設計成在靜態(tài)或動態(tài)的低電壓下(12 V)產生高的力(>20 kN)和大沖程(>200 μm)，具體參數(shù)見表1。

此外，國外自20世紀90年代開始研究一種具有高精度指向并能消除振動噪聲的六自由度有效載荷搭載平臺，稱之為“超靜隔離技術試驗平臺(SUITE)”，用來隔離來自衛(wèi)星的微小振動，使精確有效載荷處于超靜的動力學環(huán)境中，以保證其能夠高可靠工作，平臺6條腿均是超磁致伸縮堆棧驅動器。

國內的南京航空航天大學、浙江大學、大連理工、武漢理工等大學針對超磁致伸縮驅動器件等GMM應用技術研究進行了大量研究，也取得了大量成果，但仍處于實驗室階段，技術成熟度在4級左右，并且尚未成功應用于航空領域，與國外發(fā)達國家尚存在一定的差距。

圖2 不同機構的GMM器件應用現(xiàn)狀

表1 固態(tài)磁致動器DM系列參數(shù)

2 發(fā)展趨勢[3、5]

航空飛控作動系統(tǒng)經歷了簡單機械系統(tǒng)、電傳控制系統(tǒng)以及功率電傳系統(tǒng)并逐步向智能化、集成化與微型化方向發(fā)展。以GMM材料為代表的智能材料驅動是以一種新型作動實現(xiàn)形式，具有結構簡單，高頻驅動以及高分辨的位移輸出精度等優(yōu)勢，代表未來“多電飛機/全電飛機”中重要執(zhí)行元件的發(fā)展方向。

2.1 智能化

智能化是新一代及未來航空器發(fā)展的主要方向，實現(xiàn)飛控作動技術的智能化控制和管理是重要的研究方向，目前國外在此方面開展了很多基礎和預先研究，取得較大成果，在智能飛行控制、智能變體機翼控制、智能發(fā)動機控制以及智能旋翼控制等方面，NASA、Darpa以及波音等機構均開展了基于智能材料驅動技術的開發(fā)，如波音公司在SMART計劃的支持下，在MD-900直升機分別進行壓電材料和超磁致伸縮材料開發(fā)的作動器進行旋翼的振動控制測試。超磁致伸縮材料、壓電材料等通過材料的智能化開發(fā)實現(xiàn)更輕質、結構更簡單、更高頻的的新原理作動器，推動智能化高性能作動技術發(fā)展。

2.2 微型化

微型化是飛機作動器的重要發(fā)展趨勢。為了實現(xiàn)精密和超精密的定位、位移、傳動、操作與控制等，現(xiàn)代作動器與傳感器一樣，向著材料的功能化、結構的固定化與集成化、體積的微型化等方向發(fā)展。作動器的微型化并不是簡單的縮小，而是從原理、結構、制造工藝到調試、控制都有新的突破與創(chuàng)新。超磁致伸縮作動器結構簡單，易于開發(fā)微型作動器，如微型伺服閥。

2.3 一體化

作動器與傳感器的一體化的自感知作動器是現(xiàn)代作動器發(fā)展的一個重要方向[6]。自感知作動器的物理基礎就是利用了智能材料對能量轉換可逆的特性。常見的可逆現(xiàn)象是電磁耦合和機電耦合，如壓電材料、超磁致伸縮材料，目前國內外對超磁致伸縮自感知作動器的研究屬于起步階段。自感知作動器在實際應用中具有無與倫比的優(yōu)越性：①與分別使用獨立的傳感器、作動器相比，自感知作動器作為一個器件體積更小、重量更低、結構緊湊、節(jié)省空間，設計自由度增加，降低了安裝難度；②自感知作動器可實現(xiàn)真正的“同位控制”，傳感器的測試點和控制作用點為一點；③自感知作動器在系統(tǒng)性能上，綜合考慮測量和控制，突出能量流、信息流、物料流的集成，優(yōu)化系統(tǒng)設計；附加質量的減少，系統(tǒng)響應速度更快，系統(tǒng)性能顯著提高。

3 面臨挑戰(zhàn)

以GMM為核心的作動系統(tǒng)是多領域物理場耦合、多輸入、時變以及磁滯非線性的復雜系統(tǒng)，研制適合飛機機載環(huán)境的GMA器件仍面臨諸多挑戰(zhàn)，需要不斷的可續(xù)探索與技術研究。

(1) GMM材料的磁滯非線性、渦流熱與電阻熱影響以及非線性模型與參數(shù)設計理論尚待發(fā)展，目前磁滯模型主要有Preisach磁滯模型、J-A磁滯模型、自由能磁滯模型以及神經網(wǎng)絡磁滯模型，但都具有一定缺陷，有必要開展復合磁滯模型研究以及開發(fā)新型低磁滯特性的GMM材料如FeGa材料。

(2) 基于GMM應用的流體驅動控制涉及應力應變場、電磁場、溫度場和流場等多物理場耦合，并且能量轉換規(guī)律研究不清晰，通過開展基于模型以及基于知識的多領域建模與仿真研究，進一步建立精準的模型。

(3) 新型智能元件中的慣性負載較大、油液的可壓縮性等問題使得負載機構頻寬與GMA的高頻不匹配，大大滯后于GMA，制約了更高頻場景的應用。同時GMA屬于高精度微位移輸出器件，面對飛機系統(tǒng)中大位移需求，仍需研發(fā)與GMA相匹配的位移放大機構。另一個令人感興趣的方向是研究亞毫米輸出的GMM結構，這種結構可以不需要位移放大結構且不增加GMM棒長度，可實現(xiàn)亞毫米級直接輸出，尤其對伺服閥很實用。

(4) 極限環(huán)境下的GMM材料工作特性不清晰與可靠性較差。航空環(huán)境普遍要求系統(tǒng)溫度工作范圍在-55～130 ℃，然而國產GMM材料在-40～55 ℃環(huán)境的磁致伸縮特性數(shù)據(jù)不完全且不準確，僅有大致趨勢。那么極限溫度環(huán)境下或大溫差條件下，作為核心器件的超磁致伸縮驅動器工作特性將不可靠，極大影響系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行。一是通過基于負反饋溫度控制的手段實現(xiàn)GMM材料的工作溫度相對穩(wěn)定，提升GMM寬溫工作可靠性；二是開發(fā)耐寬溫的新型超磁致伸縮材料，從根本上解決極限溫度材料磁伸特性大幅降低問題。

(5) 以GMA為基礎的高新技術面臨產業(yè)化進程緩慢以及高投入高風險問題。材料研究、技術開發(fā)以及工程應用各方面均投入不足。材料研究所、工程應用企業(yè)及技術研究高校三方未建立統(tǒng)一需求與技術應用平臺，造成GMM研究及器件應用的產業(yè)化瓶頸問題一直未有突破。應從頂層規(guī)劃，系統(tǒng)性進行材料研究、應用開發(fā)以及工程化實現(xiàn)的整合，以便盡快實現(xiàn)跨代技術的實質性發(fā)展。

4 結 語

超磁致伸縮材料在航空領域具有廣闊的探索前景，通過對比幾種智能材料的優(yōu)缺點，更體現(xiàn)超磁致伸縮材料在航空智能作動器的優(yōu)勢。此外，還闡述了國內外應用現(xiàn)狀以及存在的差距，得出超磁致伸縮作動技術的智能化、微型化以及一體化的發(fā)展趨勢，并針對未來工程化面臨的挑戰(zhàn)給出了解決思路。