מבוא: עידן חדש בשליטה אווירית

צורת זיכרון Alloys (SMAs) משנים את הנוף של הנדסה אווירוקלית על ידי כך שמאפשר כנפיים מטוסים הידראוליות לשנות באופן פעיל צורה מסוימת במהלך הטיסה.בניגוד כנפיים מסורתיות עם משטחים קבועים ובסיסים של שליטה, כנפיים הסתגלותיות המעסיקות SMAs יכול לייעל את הפרופיל שלהם, סומב, או קשיחות על מנת לשנות את תנאי הטיסה.

המונחים: shape Memory Alloys

אפקט הזיכרון הצורה

SMAs עובר טרנספורמציה שלב הפיכה בין שלב אננסי בטמפרטורה גבוהה לבין שלב מרטן בטמפרטורה נמוכה.כאשר קריר מתחת לטמפרטורה קריטית, החומר הופך למבנה מרטינסיטי שניתן בקלות לפענח. heating מעל austenite להתחיל טמפרטורה הפוכה, מה שהופך את ⁇ כדי לחזור לצורה המקורית שלה.

סופרליסטיות

בנוסף לאפקט הזיכרון בצורת, SMAs מציג סופרלסטיות (או pseudoelasticity) כאשר מפורז בטמפרטורות מעל טמפרטורת הסיום האנתנסית.חומר יכול לשחזר זנים של עד 8% על עומס, הרבה יותר מעל הגבול האלסטי של מתכות רגילות. נכס זה מנוצל גם בתקני הפחתה פסיבית, שבו אלמנטים SMA סופגים ושחרר אנרגיה כדי לשמור על פני השטח אופטימלית צינורות תחת עומסים, כמו גם רכיבים קבועים.

SMA Alloys בשימוש בחלל

Nitinol (NiTi) נשאר הנפוץ ביותר SMA בשל מתח ההתאוששות מעולה שלה, עמידות קורוזיה, ו ביו-קומופטיות. סגסוגת מבוסס קופר כמו CuAlNi ו CuZnAl מציעים עלויות נמוכות יותר ו מוליכות תרמית גבוהה יותר אבל לסבול ממתגים מוגבלים ועומסי התאוששות נמוכים יותר.

הצורך בכנפיים הסתגלות בחלל

גבולות של כנפיים קבועות

כנפיים מטוסים מסורתיות ממוטבות למצב טיסה יחיד, בדרך כלל הפלגה. במהלך ההמראה, מטפס, loiter, ו הנחיתה, הגיאומטריה הקבועה מובילה לגרור גבוה יותר ולהפחית את יעילות המעלית. Flaps, סלאטים, איילונים, וספוילרים מספקים התאמות דיסקרטיות אבל ליצור פערים ועומסים שלהגדיל את פני השטח של שליטה קונבנציונליים אלה הם גם מוגבלים ביכולת שלהם לצורה ברציפות של הכנף או להפחתה של כוח המשיכה, כמו גם להפחתה של דלק, כמו גם להפחתה של כוח המשיכה, כמו גם להפחתה של סובייקטמי, כמו גם להפחתה של כוח המשיכה, כמו גם להפחתה של כוח המשיכה, כמו גם להפחתה של עומסי דלק.

טכנולוגיית כנפיים של Morphing Wing Technology

כנפיים הסתגלות או מורפיום מציעים פתרון על ידי שינוי צורה בצורה חלקה.המטרה היא לחקות את ההתאמה הטבעית של כנפי ציפורים, אשר משנה סומב, גורף, משטח חלק כדי להתאים משטרי טיסה מגוונים. מושגים מוקדמים מורפיום הסתמך על קישורים מכניים מורכבים עורי גמיש, אבל אלה היו לעתים קרובות כבדים ולא אמינים.

כיצד ניתן להתאים את כנף ההסתגלות

המונחים: mechanism

SMAs ניתן להשתמש כפועלים בשתי דרכים עיקריות: הפעלה תרמית (באמצעות חימום התנגדות) או הפעלה פסיבית על ידי שינויים טמפרטורה מתפתל.בכנפיים פעיל מורפינג, חוטי SMA או ribbons מוטבעים ב laminates מורכבים או להציב בין ספארי מבנים. כאשר מחומם מבחינה חשמלית, הם חוזים (בשל אפקט הזיכרון) ומייצרים כוח כי bends או לסובבים את המבנה הנוכחי, באמצעות צורות הפעלה מתוחכמות, כגון מתוחכמות, כדי להשתמש בצורות הפעלה מורכבות.

שילוב עם מבנה כנף

שילוב SMAs לתוך כנף הסתגלות דורש מבחר זהה של מיקום אקטוטור, קשיחות התאמה, וניהול תרמי. אדריכלות טיפוסית כוללים: (1) חוטי SMA משובצים בעור אלסטומרי שמשנים את הריצוף כאשר מופעל; (2) SMA מעיין המחובר ללוחים גמישים מספיק כדי לנטרול את המורכבות של הפעלה מחדש; (3) מוטות SMA אשר מרחיבים או להוביל שליטה על py או מסלול קירור חייב גם לשלב חומרים מופעלים.

מערכות בקרה וחיישנים

כדי לממש אופטימיזציה אווירודינמי בזמן אמת, כנפיים SMA-actuated דורש מערכת בקרה סגורה-loop.חיישנים מדידה צורת כנף, התפלגות לחץ, או כוחות אווירודינמיקה להאכיל לתוך בקר טיסה, אשר מחשבת עיוותים מטרה ושולחת זרמים חימום מתאימים כדי למנוע שינוי מהיר של SMA, כי SMAs להפגין היסטריה והתנהגות לא לינארית, אלגוריתמים לעתים קרובות לשלב בקרת מודלים או רשתות עצביות כדי לשפר את רמת הדיוק שלהם (SMA) באופן משמעותי.

אופטימיזציה של המעלית עם SMAS

המונחים: Lift Enhancement

אחת הדרכים היעילות ביותר להגדיל את המעלית במהלך טיסה מהירה נמוכה (takeoff, ללכת) היא להגדיל את השף כנף. SMAs ממוקם לאורך קצה המסלול של כנף יכול למשוך את ה flap מטה, להגדיל את קו הסומבר הממוצע ובכך להעלות את קצה המעלית המקסימלית חסכוני.בניגוד סדקים קונבנציונליים כי ליצור שלבים ופערים, SMA-actuated מורם מייצר חלקה, רציף לחץ על ידי ירידה של 20 גרם מדרגות, ירידה מוגברת, עם זרם נמוך יותר, עם גרור נמוך יותר, עם גרורת חום, עם גרורת חום נמוך יותר, ירידה נמוכה יותר, ירידה של 20 גרם.

מוביל-Edge Morphing for High-Angle-of-Attack control

SMAs יכול גם לעצב מחדש את הקצה המוביל לעכב דוכנים בזווית גבוהה של התקפה. על ידי ניתוק הקצה המוביל במהלך ההמראה או התנאים הסוערים, הזרוע יכולה לשמור על זרימה מחוברת על פני השטח העליון אפילו בזווית של מעל 15 מעלות.זה מועיל במיוחד עבור מטוסים הפועלים מריצה קצרה או בגלות חמורות.

המונחים: Load Distribution

במהלך השייט, המעלית צריכה להיות מבוזרת רוחב כדי למזער גרר. SMAs מוטבע בקופסת הטורק של כנף יכול לשנות את זווית התפנית הגיאומטרי לאורך כל הזמן, להפיץ את המעלית מהשורש האגף עד קצה.זה מאפשר לאגף לפעול בזווית יעילה יותר של התקפה על פני תנאי טיסה שונים (למשל, נקיטת כבד מול שיוטות אור).

הפיכה דרך SMA-Driven Surface Morphing

Laminar Flow Control באמצעות Surface Smoothing

ניתן להוריד באופן משמעותי על ידי שמירה על שכבת גבול laminar לזרום מעל פני השטח של הכנפיים. עם זאת, פגמים על פני השטח, rivets, פלחי פאנל, וצבע גס לגרום מעבר מוקדם לזרימה סוערת, הגדלת חיכוך העור. SMA פועלים משולבים לתוך הזרוע יכול להתאים באופן דינמי את פני השטח כדי למלא פערים או לחסל את המושיע. לדוגמה, שכבה של SMA מחוספס בין העור תת דחוס יכול להיות טמפרטורות מתוחכמות כגון טמפרטורות מתוחכמות טמפרטורות חלשות.

הלם גל מניפולציה על כנפיים טרנסטוניות

על מטוסים transonic, גלי הלם המבוססים על פני השטח העליון לייצר גל גרר כי עלייה חדה סביב 0.8-0.9. כנפיים הסתגלות יכול להפחית את גלי הגל על ידי עיצוב מחדש של האוויר כדי להחליש את ההלם או להעביר אותו aft. SMAs ממוקם בחלק עבה של כנף יכול לשנות באופן מקומי את המשטח, להפחית את המספר המקומי של מאך ועיכוב היווצרות הלם.

ניכוי דרג באמצעות מכשירים שונים של Wingtip

מכשירים של Wingtip (winglets, Sharklets) להפחית את הגרור המושרה על ידי הגדלת ה- Wingtip מערבים. עם זאת, יעילותם תלויה מהירות המעלית של חסכוני וטיסה. SMA פועל יכול לקפל או לסובב כנפיים לזווית האופטימלית עבור כל שלב טיסה.לדוגמה, כנף אנכית במהירות נמוכה מופחתת, בעוד במהירות גבוהה זווית שטוחה מופחתת גל.

יתרונות על ידי Conventional Actuators

כנפיים אדפטיות מבוססות SMA מציעות מספר יתרונות על פני הידראולי, פנומטי, או פועלי אלקטרו-מכאניים:

  • (FLT:0Weight Reductionve: FLT:1 SMAs יכול ליצור כוחות גדולים ועקירות בצורה קומפקטית, לעתים קרובות לחסל את הצורך רכיבי שידור כבדים כמו הילוכים, פיטורים, משאבות. חוט SMA יחיד יכול להחליף פועל הידראולי רב-שותף הידראולי הידראולי, לחסוך עד 40% על פני השטח של שליטה.
  • (FLT:0)Simpler Maintenance: 1FLT עם פחות חלקים נעים, SMA Actuators פחות נוטה ללבוש מכני ודליפה.החיסול של נוזלים הידראוליים מפחית את הסיכון אש ותחזוקה של שעות אדם.
  • (FLT:0)Distributed Actuation: ⁇ F1) SMAs ניתן להטמיע בכל מבנה האגף, המאפשר שינויים מדויקים, מקומיים ללא צורך ביחידות כוח מרכזי.
  • (FLT:0) הנחה של כוח ב-Hold Position:cioFLT:1 ; SMAs רק דורש כוח במהלך שינוי צורה; ברגע שצורת היעד מגיעה, החומר יכול להתבצע במקום ללא קלט חשמלי (באמצעות latches או מנגנונים אוטונומיים) זה מנוגד עם סרבו שחייב למשוך כוח כדי לשמור על מיקום.
  • חומרים SMA LT:0 (החומרים של ⁇ :0) ,(החומרים של SMA) מציגים לחות פנימית גבוהה בשל חיכוכים פנימיים במהלך טרנספורמציה של שלב, אשר מסייע לדכא רטטים פלוטרים ואקלוסטיים מבלי להוסיף לחצנים נוספים.

אתגרים ושיקולים הנדסיים

עייפות ומחזור החיים

SMA Actuators כפופים לעייפות תפקודית ומבנית לאחר מחזורים תרמיים חוזרים.הטרנספורמציה בין austenite ו martensite מייצרת מתח פנימי שיכול לגרום למיקרו-קטיפה ואובדן של התאוששות צורה לאורך זמן. עבור יישומים אווירוקל הדורשים אלפי מחזורים, סגסוגת וטיפול חום הם התפתחויות אחרונות nanocrystalline Nitinol שיפרו את החיים ליותר מ -106 ב , אבל דרוש מחקר נוסף של קונבנציונאלי ראיה.

זמן תגובה ו-Heating / Cooling

פעולת ה-Rrmal מגבילה את מהירות התגובה. בעוד שניתן להשיג חוטי SMA מהירים (מילות שניות לאחרות בהתאם לצפיפות הנוכחית), קירור איטי יותר מכיוון שהוא מסתמך על התנהגות למבנה שמסביב או אוויר מאולץ. תגובה סימטרית זו עשויה שלא להיות מתאימה לרכיבים מהירים יותר של oscillations הנדרש לדיכוי פלוטר או עומס גורים כלולים: (1) שימוש בחוט דק עם מגבלות מהירות יותר; (2) שימוש ברקמות מהירות יותר עבור מתחמי חום גבוהות יותר; (2) שימוש בתדירות גבוהה יותר; (2) שימוש בתדירות גבוהה יותר; (2) שימוש ברקמות מהירות יותר; (2) שימוש בתדירות גבוהה יותר; שימוש בתדירות גבוהה יותר; (2) שימוש ברקמות מהירות יותר; (2) שימוש בתדירות גבוהה יותר; שימוש בשרירים (כמת חום גבוהה יותר; (2) שימוש בשרירים מהירים יותר; (2) שימוש בשרירים מהירים יותר; (2) שימוש בתדירות גבוהה יותר; שימוש בשרירים מהירים יותר; (2) שימוש בשרירים מהירים יותר; (2) שימוש בשרירים מהירים יותר; שימוש בשרירים מהירים יותר; שימוש בשרירים מהירים יותר; שימוש בשרירים מהירים יותר; (2) שימוש בשרירים מהירים יותר; (2) שימוש בשרירים מהירים יותר; (2) שימוש בתדירות גבוהה יותר; שימוש בתדירות גבוהה יותר; טיפול תרופתיות (כמתיקים מהירים יותר

Hysteresis ו- Control

מערכת היחסים בין הזמן ל- SMAs מציגה היפנוזה משמעותית, מה שהופך את המיקום המדויק לשלוט קשה.ללא משוב, פועל SMA עשוי overshoot או תחת פתרון של עקירת היעד שלה. אלגוריתמים בקרה מתקדמים המבוססים על מודלים Preisach, למידת מכונה, או קידוד בקרת מצב מפותחים כדי להפחית את ההיסטריה.

ניהול תרמי בטיסה

טיסה מהירה גבוהה וטמפרטורות גבוהות יכולות להיות חום ללא סייג SMA actuators, גרימת פעולה לא מכוונת. verse, ספוגה קר בגובה גבוה עשוי לדרוש יותר כוח חימום כדי להשיג את שינויי הטמפרטורה הדרושים. בידוד הרחם תרמית ובקרת תרמי פעיל (צנרת חימום, ערוצי קירור) נדרשים לבודד אלמנטים SMA מן הסביבה התרמית של האגף, בנוסף לטמפרטורות קיצוניות של SMA חייב לפעול בזהירות או לפעול באופן קפדני.

יישומים אמיתיים ומחקר

נאס"א: Compliant Trailing Edge (ACTE)

פרויקט ACTE של נאס"א נסוג מטוס מפרץ III עם סטיות פורצות דרך גמישות המופעלות על ידי צינורות SMA torque.הפלקים יכולים להפלק באופן רציף מ -2 עד +30 מעלות ללא פערים או hings. בדיקות טיסה הראו ירידה של 12% בצריכת דלק במהלך השייט ושיפור איכות בניסוי אוויר סוער.

מבנה הכנפיים של DARPA

תוכנית "האגף המורפי" של DARPA פיתחה עורי כנף מבוססי SMA שמשנים עמוד השדרה ומסתובבים בתגובה אותות חשמליים.שימוש בשילוב של חוטי SMA והצלחות גמישות, אבטיפוס השיגו שיפור של 20% ביחס לפסד מעל פני המעטפה של הטיסה.התוכנית הוכיחה כי SMAs ניתן לשלב עם מבנים קלים מכוערים כדי לאפשר צורות גדולות, ניתות תוך שמירה על שלמות מבנית.

אירופה נקייה 2 יוזמה

במסגרת המסגרת Sky 2 נקייה, חברות חלל אירופיות כמו Airbus ולאונרדו מתפתחות מכשירי SMA-enabled מובילים עבור מטוסים אזוריים.המטרה היא להפחית רעש במהלך הנחיתה על ידי מתן אפשרות להגדרה משתנה ברציפות. SMA Actuators לאפשר את הקצה המוביל להיות פרוס בצורה חלקה וחזור, צמצום רעש מפערי תוך שמירה על המעלית.

רחפנים ומטוסים קטנים

פלטפורמות קטנות יותר ליהנות במיוחד מקומפקטיות של SMA ומשקל נמוך.כמה כלי רכב אוויריים בלתי מאוישים (UAVs) מצוידת כנפיים של SMA-מתופעלות משופרות או תמרון.לדוגמה, כלי רכב אוויר הבאג 'בקרובים' של מעבדת המחקר "Batwing" UAV השתמש חוטי SMA מוטבעים בעור סיליקון כדי לקפל את כנפיו לאחסון ולאחר מכן להפיץ אותם עבור אותה טיסה 10%.

עתיד Outlook: כנפיים הסתגלות

הפיתוח המתמשך של SMAs וחומרים חכמים מבטיח אפילו כנפיים מתקדמות יותר הסתגלות. החוקרים חוקרים מערכות הפעלה היברידית המשלבות SMAs עם פולימרים אלקטרואקטיביים או פולימרים בצורת-זיכרון (SMPs) כדי להשיג את הווריאציות הנוקשות ואת השינוי צורה.לדוגמה, SMP-SMA מורכב יכול לאפשר כנף להיות נוקשה במהלך שיוט מהיר וגמיש במהלך תמרון נמוך גם, להשתמש בתוסף לייצור ישירות כדי להפחית את ה-SMA עשוי לאפשר כנף כדי להפחית את עלויות הדפסה באופן ישיר.

כיוון מתפתח נוסף הוא השימוש של SMA מעיין במבנה כנף "תאיים" - מנוף של אלמנטים SMA קטנים, נשלטים באופן אינדיבידואלי שיכול לייצר מיליוני תצורה של צורה. הרעיון "מחדש דיגיטלי" זה יכול להיות נשלט על ידי בינה מלאכותית כדי למצוא את הצורה האופטימלית עבור כל מצב טיסה בזמן אמת. אתגרים נשארים בסקאלות, עייפות, וניהול תרמי, אבל פוטנציאל לשיפורים לשינוי באפקטיביות מתמשכת.

כמו תקנות פליטת פחמן הידוק תעשיית התעופה שואפת פתרונות בר קיימא, כנפיים SMA-adaptive מציעים דרך מבטיחה להפחית את שריפת הדלק על ידי 10-20% על עיצובים עכשוויים.שילוב של SMAs עם שליטה מבוזרת וחיישנים מתקדמים יובילו לכנפיים אינטליגנטיות באמת להסתגל באופן אוטונומי לתנאי טיסה, זעזוע, ונזק. בעוד לא בתעופה מסחרית, הטכנולוגיה מצטמצמת במהירות, עם אבטיפוס טיסה צפוי בתוך העשור הזה.

מסקנה

Shape Alloys הם פתח את הפוטנציאל של כנפיים הסתגלות על ידי מתן חומרים קלים, עוצמתיים וקומפקטיים שיכולים חלקה את הגיאומטריה כנף של נאס"א בטיסה. באמצעות שליטה דינאמית של סומבר, עיוות, צורה חדשנית מובילה, וחלקיות פני השטח, SMAs אופטימיזציה מעל משטרים שונים של טיסות ולהפחית את גרור פעיל גלי ניהול טראנסטוניים, חיכוך מתוחה על פני העור הקונבנציונאלי או מערכות אלקטרו-אוויריות מתקדמות - כמו טיפול יעיל של זמן-מפלקסים, כגון טיפול יעיל.