結(jié)構(gòu)功能一體化技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用

張莎莎

關(guān)鍵詞 航空結(jié)構(gòu) 多功能結(jié)構(gòu)電池 智能蒙皮 自愈合

1引言

傳統(tǒng)的飛行器按分系統(tǒng)的功能（如結(jié)構(gòu)、旋翼、飛控、動(dòng)力等）各自獨(dú)立設(shè)計(jì)、制造和試驗(yàn)，最后經(jīng)由總裝等環(huán)節(jié)構(gòu)成整機(jī)。由于各系統(tǒng)研制的框架限制，飛行器的整體性能難以大幅度地提高。結(jié)構(gòu)功能一體化技術(shù)將結(jié)構(gòu)功能與非結(jié)構(gòu)功能相結(jié)合，突破了傳統(tǒng)單一結(jié)構(gòu)的功能限制，使傳統(tǒng)承力結(jié)構(gòu)兼具能量采集或存儲(chǔ)、噪聲與振動(dòng)控制、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、熱隔離、自修復(fù)等功能，將大大提高飛行器系統(tǒng)的整體性。同時(shí)，將不同功能的子系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)集成后，可以減小整個(gè)系統(tǒng)的重量和體積，提高系統(tǒng)的整體效率，這也有望為強(qiáng)調(diào)高度隱身、超狀態(tài)感知、高商載大航程的新一代飛行器提供更多的技術(shù)方案。

2多功能結(jié)構(gòu)電池

隨著世界各國(guó)航空產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，天空污染問(wèn)題逐漸引起人們的重視。以太陽(yáng)能、電能、熱能或機(jī)械能等作為動(dòng)力系統(tǒng)雖然可以有效減少燃油消耗和碳排放，但是會(huì)使飛行器的承載能力降低。將結(jié)構(gòu)與能量采集或存儲(chǔ)系統(tǒng)相結(jié)合制備的多功能結(jié)構(gòu)電池可以減輕系統(tǒng)總體重量，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)其開(kāi)展了深入研究。

美國(guó)弗吉尼亞工業(yè)與州立大學(xué)的智能材料系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)中心[1] 在一款小型的遠(yuǎn)程操控“EasyGlider”無(wú)人滑翔機(jī)上集成驗(yàn)證了太陽(yáng)能電池板（采集太陽(yáng)能）、壓電結(jié)構(gòu)（吸收機(jī)翼振動(dòng)和剛體運(yùn)動(dòng)能量）的功能，如圖1 所示。根據(jù)試飛結(jié)果發(fā)現(xiàn)，能量采集系統(tǒng)能夠支撐飛行器主要電源的工作，其中壓電結(jié)構(gòu)能夠充滿4.6mJ 內(nèi)置電容器的70%。

美國(guó)馬里蘭大學(xué)[2] 研制了全球第一款采用柔性太陽(yáng)能電池板供電的撲翼機(jī)，將太陽(yáng)能電池板集成到了機(jī)翼結(jié)構(gòu)中，如圖2 所示。研究人員對(duì)比了傳統(tǒng)的仿生機(jī)翼結(jié)構(gòu)、集成12 個(gè)電池模塊的機(jī)翼、集成22個(gè)電池模塊的機(jī)翼，結(jié)果表明電池模塊雖然會(huì)使結(jié)構(gòu)增重，但其能夠被撲翼機(jī)提供的升力所克服。

除上述將太陽(yáng)能電池板與結(jié)構(gòu)集成一體的方式，研究人員還通過(guò)將鋰電池與結(jié)構(gòu)集成一體來(lái)增加結(jié)構(gòu)的功能性。美國(guó)DARPA[3] 研制的“胡蜂”無(wú)人機(jī)取消了傳統(tǒng)的電池組，采用了與機(jī)翼層合的結(jié)構(gòu)電池，增加了續(xù)航，如圖3 所示。

河南工業(yè)大學(xué)的研究人員[4] 將儲(chǔ)能電芯和超薄碳纖維復(fù)合材料相復(fù)合，制備了儲(chǔ)能、承載一體化的結(jié)構(gòu)儲(chǔ)能碳纖維復(fù)合材料，并測(cè)試了空載和受載條件下的電化學(xué)性能。將儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)集成在無(wú)人機(jī)機(jī)翼上，與集成太陽(yáng)能電池的無(wú)人機(jī)相比，重量減少了約20%。

英國(guó)帝國(guó)理工大學(xué)與Volvo 公司合作[5] ，成功將CAG 改性碳纖維電極應(yīng)用于制備汽車(chē)尾箱蓋，其不僅能為汽車(chē)LED 燈提供電源，還實(shí)現(xiàn)了60%的減重目標(biāo)，首次實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)的工程化應(yīng)用。

3智能蒙皮

智能蒙皮這一技術(shù)構(gòu)想是在20 世紀(jì)80 年代由美國(guó)空軍提出，其原理是通過(guò)在裝備的外殼中嵌入天線、微處理控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)元件等智能結(jié)構(gòu)，使其具有監(jiān)視、隱身和自適應(yīng)等功能。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于智能蒙皮比較成熟的研究主要集中在智能蒙皮天線方向。

智能蒙皮天線主要由封裝功能層、射頻功能層以及控制與信號(hào)處理功能層三個(gè)功能結(jié)構(gòu)組成[6] 。封裝功能層的主要功能是承載、防護(hù)以及系統(tǒng)散熱;射頻功能層的主要功能是識(shí)別、分析和判斷;控制與信號(hào)處理功能層的主要功能是感知、處理與控制信號(hào)。智能蒙皮天線采用高密度集成設(shè)計(jì)技術(shù)和結(jié)構(gòu)功能一體化成形制造技術(shù)，無(wú)須在蒙皮上開(kāi)孔安裝天線，可以在飛行器設(shè)計(jì)制造期間將天線與機(jī)體結(jié)構(gòu)高度集成。智能蒙皮天線技術(shù)涉及機(jī)械、電磁、信號(hào)處理和自動(dòng)控制等多學(xué)科、多方面，因此高性能的智能蒙皮天線技術(shù)包含復(fù)合材料技術(shù)、結(jié)構(gòu)集成強(qiáng)度分析技術(shù)、垂直互聯(lián)技術(shù)、智能控制、熱設(shè)計(jì)技術(shù)、結(jié)構(gòu)集成強(qiáng)度分析、電性能分析等方面。

Cheng Huang 等人[7] 提出了一種具有寬帶低雷達(dá)散射截面（RCS）頻率可重構(gòu)天線，如圖4 所示。該天線由縫隙耦合微帶貼片及兩層超結(jié)構(gòu)組成。頂層超結(jié)構(gòu)集成了部分反射面（PRS）及吸波表面，底層結(jié)構(gòu)由可調(diào)節(jié)反射相位單元組成。入射波主要被頂層超結(jié)構(gòu)吸收，而工作頻率由底層的控制反射相位單元實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用該結(jié)構(gòu)后，天線增益提高了7dB，工作頻率可在9.05 ～10GHz 動(dòng)態(tài)調(diào)整。天線RCS 在7～14GHz 的寬頻帶范圍內(nèi)縮減。與以往的低RCS 天線相比，該天線具有明顯的優(yōu)勢(shì)，即可以在降低RCS的帶寬范圍內(nèi)主動(dòng)調(diào)節(jié)天線的工作頻率。

胡建強(qiáng)[8] 設(shè)計(jì)并制備了一種新型的柔性共形天線。其采用聚酰亞胺薄膜為基體，設(shè)計(jì)了口徑耦合微帶天線的單元結(jié)構(gòu)、2×8 陣列結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的饋電網(wǎng)絡(luò)，如圖5 所示。與傳統(tǒng)的天線相比，該天線的相對(duì)帶寬高達(dá)15%，性能遠(yuǎn)高于普通微帶天線。

李剛等[9] 基于直升機(jī)機(jī)載雷達(dá)面臨的問(wèn)題，提出了一種基于瓦片式數(shù)字陣列天線和后端通用處理機(jī)的直升機(jī)智能蒙皮雷達(dá)設(shè)計(jì)方案。在不影響直升機(jī)氣動(dòng)特性的情況下，通過(guò)與機(jī)身蒙皮的一體化設(shè)計(jì)，由后端多功能中心機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)大口徑、波束自適應(yīng)、多功能雷達(dá)功能。

智能蒙皮天線技術(shù)是一項(xiàng)新興技術(shù)。盡管該技術(shù)目前仍有很多技術(shù)難點(diǎn)在探索中，但未來(lái)在通信、導(dǎo)航、電子戰(zhàn)等方面具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

4自修復(fù)與自愈合

聚合物復(fù)合材料在使用過(guò)程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生分層、脫膠、表面氧化等損傷，會(huì)影響結(jié)構(gòu)性能和設(shè)備運(yùn)行，甚至造成材料失效和嚴(yán)重事故。因此，如果能在材料早期出現(xiàn)微裂紋時(shí)及時(shí)察覺(jué)并修復(fù)，對(duì)于提高材料利用率、提升結(jié)構(gòu)整體安全性具有重要意義。

自愈合材料的概念早在20 世紀(jì)80 年代由美國(guó)軍方提出，它可以利用材料的自我感知能力對(duì)微裂紋自行診斷，進(jìn)而修復(fù)微裂紋，及時(shí)修復(fù)材料的損傷，具有延長(zhǎng)材料使用壽命、提高結(jié)構(gòu)安全性能的優(yōu)勢(shì)。2001 年，White 等科學(xué)家[10] 的相關(guān)研究引起了科學(xué)界的廣泛關(guān)注，并成為近年的研究熱點(diǎn)。

自愈合聚合物按照愈合模式可以分為本征型自愈合和填埋式自愈合兩種體系。本征型自愈合聚合物可以在無(wú)須外界修復(fù)介質(zhì)的條件下發(fā)生自主愈合，通過(guò)可逆非共價(jià)鍵或可逆共價(jià)鍵的斷裂和重新連接來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中，可逆非共價(jià)鍵的斷裂包括氫鍵[11] 、金屬?聚合物配位鍵[12] 、離子鍵[13] 、π?π 堆疊作用[14]等;可逆共價(jià)鍵包括亞胺鍵、雙硫鍵[15] 、Diels?Alder反應(yīng)[16] 等。其原理是制備含有特定化學(xué)鍵結(jié)合的基體，該種化學(xué)鍵受破壞后可以在特定的條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或物理作用，借此達(dá)到材料自愈合的目的。該愈合體系的愈合效果通常較好且具有多次愈合的能力，但是對(duì)基體材料種類(lèi)有嚴(yán)格的要求，而且需要有光、熱、機(jī)械力等的變化，才能發(fā)生自愈合。因此，普通復(fù)合材料無(wú)法通過(guò)此類(lèi)方式發(fā)生自愈合，從而限制了本征形自愈合聚合物的廣泛應(yīng)用。

填埋式自愈合聚合物通過(guò)在聚合物機(jī)體中填埋修復(fù)劑，使材料受到損傷后能自主釋放并擴(kuò)散至整個(gè)裂紋，使裂紋黏合。該類(lèi)自愈合聚合物對(duì)基體本身的化學(xué)結(jié)構(gòu)要求不高，因此在普通復(fù)合材料中可以廣泛應(yīng)用。但填埋式自愈合聚合物由于加入了額外的愈合介質(zhì)，會(huì)導(dǎo)致材料的強(qiáng)度降低。目前，關(guān)于填埋式自愈合聚合物的研究集中在中空纖維[17] 、微膠囊[18] 、微管通道[19] 等愈合形式。空纖維型自愈合聚合物將愈合介質(zhì)存儲(chǔ)在中空纖維中，通過(guò)纖維斷裂釋放愈合介質(zhì)的方法達(dá)到自愈合的目的。微膠囊型自愈合聚合物的基本愈合機(jī)理與中空纖維型類(lèi)似，區(qū)別在于結(jié)構(gòu)不同。微膠囊的結(jié)構(gòu)是一種具有聚合物殼壁結(jié)構(gòu)的微型容器，被包覆的物質(zhì)稱為芯材，包覆芯材的物質(zhì)稱為壁材。當(dāng)聚合物產(chǎn)生微裂紋時(shí)，產(chǎn)生的應(yīng)力導(dǎo)致微膠囊破裂而釋放愈合介質(zhì)，進(jìn)而修復(fù)基材。微管通道自愈合聚合物的原理與上述體系一致，即都是利用破裂過(guò)程釋放的愈合介質(zhì)達(dá)到自愈合修復(fù)的目的。其特點(diǎn)在于可以實(shí)現(xiàn)愈合介質(zhì)的自主調(diào)配，愈合介質(zhì)會(huì)由含量多的通道自發(fā)擴(kuò)散到含量少的通道，實(shí)現(xiàn)多次修復(fù)。

目前，自愈合聚合物的研究處于高速發(fā)展階段。但相關(guān)研究仍停留在實(shí)驗(yàn)室階段，想要實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用，還需解決很多問(wèn)題，如合成步驟復(fù)雜，對(duì)工藝條件要求較高;提高自愈合材料性能的同時(shí)會(huì)導(dǎo)致其力學(xué)性能下降;材料價(jià)格昂貴，不利于工程化應(yīng)用等，還需研究學(xué)者們共同努力解決相關(guān)問(wèn)題。

5總結(jié)