飞行研究中的新转折 ： F - 18 主动气动弹性机翼项目

彼得 · 梅林 国会图书馆在出版物中编目数据彼得 · W · 梅林 ， 1964 年 -飞行研究的新转折 ： F - 18 主动气动弹性机翼项目 / 作者 ： Peter W. Merlin 。页面厘米包括书目参考和索引。1. 大黄蜂 (喷气式战斗机) -- 设计与建造。一、题目。二、题目: F - 18 主动气动弹性机翼项目。UG1242. F5. M474 2013 629.134 '32 -- dc232013032588美国国家航空航天局版权所有 © 2013 。本卷中表达的观点是作者的观点 ， 不一定反映美国政府或美国国家航空航天局的官方立场。本出版物可在以下网站免费下载 3简介 ： The Wright Way To飞v第 1 章起源与设计发展第二章 ： 第一阶段飞行Testing..............................................................................................47第三章 ： 第二阶段飞行Testing..............................................................................................59第 4 章后续研究和未来应用 67第 5 章项目管理和指导 75第 6 章研究结果和经验教训 81附录 1 ： 飞行测试日志 135附录 2 ： 飞机规格 158附录 3 ： AAW 配置管理计划 159附录 4 ： 关键技术报告 166参考书目 172致谢 178关于作者 179索引 181目录 4威尔伯 · 赖特在 1902 年的滑翔机中右转。三轴控制系统使这艘飞船成为世界上第一台完全可控的飞行器。 (国会图书馆) 5简介:人类对飞行的渴望至少可以追溯到第二世纪公元前希腊传说伊卡洛斯 ， 他试图用鸟的羽毛和蜂蜡制成的翅膀飞翔。由于鸟类是自然有效的传单 ， 因此毫不奇怪 ， 它们对偶然的观察者和认真的飞行学者都有启发。1实际上 ， 从过去几个世纪的鸟类研究中吸取的教训可能会对未来的飞机发展产生重大影响。美国国家航空航天局 （ NASA ） ， 空军和工业界的研究人员正在使用机翼成形技术来模仿鸟类机翼的灵活性 ， 以开发 21 世纪飞机的飞行控制。2佛罗伦萨画家，雕塑家和科学家达芬奇 （ 1452 - 1519 ） 对鸟类飞行特征进行了一些最认真的早期研究。他广泛的科学观察使他专注于鸟类如何通过改变翅膀的形状以利用风和气流来控制飞行。他还对鸟和蝙蝠的翅膀进行了解剖学研究，以确定它们的结构特征。最终，达芬奇设计了一种能够支撑人体重的滑翔机。蝙蝠状的机翼具有固定的内部部分和可移动的外部部分，可以通过手动控制的电缆弯曲。飞行员的位置，翅膀在他的肩膀上保持平衡，使他能够通过移动身体的下部来保持平衡。尾部组件提供了额外的稳定性。3这些概念在四个世纪后的俄亥俄州代顿市的 Wilbur 和 Orville Wright 的设计中看到了他们的第一个实际应用 ， 这些兄弟缺乏工程或科学方面的正式培训。他们对解决1.Richard P. Hallion, Test Pilots: The Frontiersen of Flight (Washington, DC: Smithsonian Institution Press, 1988), p. 1.2.Ed Pendleton ， “回到未来 ： 活跃的气动弹性机翼是如何回到航空的起点和向未来的鸟状机翼迈出的一小步 ” ， 在 RTO AVT 关于增强军用飞机性能作战能力的主动控制技术研讨会上发表 ， 陆地车辆和海上车辆 ， 德国 ， 不伦瑞克 ， 2000 年 5 月。3.Martin Kemp, Leonardo da Vinci, The Marvellous Works of Nature and Man (Cambridge, MA: Harvard University Press, 1981), pp. 104 - 106, 248 - 250.The Wright Way to Fly 飞行研究的新转折6然而，飞行问题是由有条不紊、科学的工程方法驱动的。最重要的是，他们直观地理解控制和稳定性是航空学中最关键的问题，他们开始通过增量飞行实验来解决这些问题。与众多的祖先一样，莱特夫妇开始研究鸟类。横向稳定性和控制问题 - 侧倾运动 - 尤其具有挑战性。在阅读了鸟类飞行的机理之后，他们观察到秃鹰在盘旋，并确定鸟类通过将一个翼尖向上倾斜而另一个翼尖同时向下倾斜来控制其滚动速度。然后，兄弟俩试图将他们的观察结果应用于实验性的双翼飞机箱形风筝。威尔伯 · 赖特 （ Wilbr Wright ） 在 1899 年初夏无意间偶然发现了解决方案，同时在他的拇指和食指之间随意地扭曲了一个小纸板箱。将盒子的上下表面想象为风筝的翼型，他设想通过扭转翼型来操纵双翼飞机系统 - 这是一个原理。后来被称为机翼翘曲。4列奥纳多 · 达 · 芬奇在飞行中绘制了鸟类的草图 ， 并通过观察鸟类如何在不拍打翅膀的情况下保持高空 ， 从而发现了关于重心和气流的里程碑式的发现。他的研究在《鸟类飞行法典》 （ 约 1490 - 1505 ） 中详细介绍 ， 启发了几种飞行器的设计。 （ 作者收藏 ）莱特夫妇立即使用 5 英尺跨度的箱形风筝测试了他们的新概念。使用电缆扭曲机翼，他们很快确定他们在正确的轨道上解决了横向控制问题。通过这种基本的飞行测试获得的信心为使用全尺寸滑翔机进行试点试验铺平了道路。1900 年，兄弟俩建造了一架翼展 17 英尺的双翼飞机风筝滑翔机和一架前装水平电梯 （ 被称为 “前方向舵 ” ），并将其运送到北卡罗来纳州的 Kitty Haw 。小鹰风吹过的沙丘为飞行实验提供了理想的位置。在最初的试验中，该飞船作为风筝飞行，但兄弟俩也进行了几次飞行，然后返回代顿。1901 年夏天 ， 他们在 Kitty Hawk 以南四英里的 Kill Devil Hills 的一个地点测试了第二架滑翔机。结果令人失望 ， 因为飞船有一种令人震惊的趋势 ， 无法控制地向地面侧滑4.Hallion, Test Pilots, pp. 26 - 27. 简介 ： 莱特飞的方式7莱特夫妇开发了一种通过扭曲机翼来控制飞机的方法。这种机翼扭曲技术成为他们早期飞机的标准特征。 （ Al Bowers 系列 ）在机翼翘曲期间。威尔伯明显沮丧地喊道 ： “没有人会飞一千年 ！ ”5莱特夫妇回到绘图板上，顽强地致力于开发更可靠的空气动力学数据。他们还在风洞中测试了 200 多个机翼形状。最终的结果是一种新的工艺，与以前的工艺一样，具有云杉框架，支撑平纹细布织物覆盖物。双翼飞机的机翼更长，更窄，跨度为 32 英尺，机翼更薄。设计功能包括用于俯仰控制的鸭式升降舵，用于横向控制的机翼翘曲以及固定的双表面垂直方向舵，以提高转弯的稳定性。将机翼稍微向下下垂以抵消由于侧风引起的侧滑。在飞行测试中，莱特发现机翼翘曲产生的不等阻力使 1902 年的滑翔机倾向于发展不利的偏航，而这种偏航无法使用固定方向舵来抵消。他们通过将可移动的方向舵连接到由臀部摇篮控制的机翼翘曲机构来解决该问题。当俯卧的飞行员移动摇篮时 - 让人想起莱昂纳多 · 达 · 芬奇的滑翔机转向机构 - 机翼扭曲，方向舵自动采取了所需转弯的必要位置。这种三轴控制系统使 Wrights 的 1902 滑翔机成为世界上第一架完全可控的飞机。6在通过数百次滑翔飞行获得额外的飞行经验后，兄弟俩开始建造 1903 年的莱特飞行器，这是他们的第一架动力飞行器。这是一架 40 英尺跨度的双翼飞机，由 12 马力的汽油发动机驱动，驱动两个推进器螺旋桨。1903 年 12 月 17 日的第一次飞行只持续了 12 秒，距离起点仅 120 英尺。兄弟俩轮流进行，当天完成了四次飞行，持续时间最长的 59 次。5. 同上 ， 第 28 页。6. 同上 ， 第 28 页。 飞行研究的新转折8The first flight of the Wright ’ s powered flyer took place on December 17, 1903. The distance travel - eled was equivalent to the firm length of a modern commercial transport. (Library of Congress)秒 ， 距离 852 英尺。在这个历史性的里程碑之后 ， 莱特夫妇回到代顿 ， 开发了可以反复可靠飞行的改进飞机设计。尽管他们继续使用机翼翘曲技术直到 1911 年 ， 但他们于 1905 年开始尝试使用三控制系统 ， 该系统将在整个 20 世纪主导飞机控制。7尽管莱特创新地使用了柔性机翼，但机翼的柔性对其他早期飞机设计产生了不利影响。事实上，这一特征很可能挫败了 Samel Pierpot Lagley 在 1903 年开发动力飞机的尝试。史密森学会秘书兰利设计了一种串联单翼飞机，其跨度为 48 英尺，具有独特的二面角 （ 向上扫掠 ） 。它由 52.4 马力的发动机驱动，并由弹射器从波托马克河上的一艘船屋顶上发射。兰利的助手查尔斯 · 曼利 （ Charles Maly ） 在 1903 年 10 月和 12 月进行了两次飞行尝试，但每次都以惨淡的失败告终，因为飞行器驶入冰冷的水域。第一次事故是由于发射机构的故障造成的，其中一个销钉无法释放，并在机翼前部卡住了一根支撑线。8On7. 同上 ， 第 29 - 31 页。8. 同上 ， 第 23 - 26 页。 简介 ： 莱特飞的方式9第二次尝试时 ， 机翼由于过度的飞行载荷而折断 ， 这可能是由于扭转发散造成的。9在接下来的几十年里，设计师们努力生产出能够承受更高的速度和更大的空气动力负荷的飞机。这导致了具有半单壳结构的配置，其中负载部分由框架和纵梁承载，部分由蒙皮承载。在驾驶这些飞机时，飞行员很快发现了各种各样的气动弹性问题，其中包括机翼颤振，发散，抖振和控制回复。设计师的反应是增加机翼刚度，但这也增加了结构重量。飞行器设计者通常选择减小翼展、增加翼型厚度并且接受降低的空气动力学性能以换取增加的速度。10在 21 世纪初期，材料和自适应控制技术的进步使航空研究人员能够重新审视莱特兄弟开创的机翼翘曲控制技术，并朝着开发具有鸟类的机翼迈出了一小步。改变形状以优化效率的能力。这个新概念，现在被称为主动气动弹性机翼 （ AAW ），是一种协同技术，集成了飞行器空气动力学，主动控制和结构，以最大限度地提高飞机性能。该概念通过使用由数字飞行控制系统激活的多个前缘和后缘控制表面，将气动弹性灵活性 - 曾经是一种责任 - 转变为净收益。使用这些表面来控制机翼的气动弹性扭曲允许来自气流的能量提供所需的侧倾力。当飞行器经受高动态压力时, AAW 控制表面可以以与使用空气动力学调整片相同的方式使用, 以施加使控制表面改变迎角并实现修整的力矩。在 AAW 的情况下, 控制面充当调整片, 并且所产生的力矩抵消不利的气动弹性扭曲。此外, AAW 控制可以在低机翼应变条件下最小化阻力和 / 或在高机翼应变条件下最小化结构载荷。借助 AAW 技术，轻型柔性机翼现在对产生控制力具有积极作用，而不是消极作用。11AAW 技术被认为与使用薄的柔性机翼特别协同 ， 允许设计者更自由地利用高效的高纵横比翼型。这种技术可用于提高现有机翼平面形状的能力 ， 并减少具有多种任务要求的新飞机的刚性机翼与柔性机翼之间的冲突要求。9.彭德尔顿《回到未来》10.Ibid.11.Ibid. 飞行研究的新转折10将 AAW 技术应用于未来飞机的潜在好处包括通过保持其有效性来增加常规控制表面的控制功率 ， 优化控制表面偏转以减少空气动力学阻力 ， 提高提升效率以及减少飞机结构重量。12在朝着这些目标迈出的第一步中 ， NASA ， 空军和