结构功能一体化技术在航空领域的应用

张莎莎

关键词 航空结构 多功能结构电池 智能蒙皮 自愈合

1引言

传统的飞行器按分系统的功能（如结构、旋翼、飞控、动力等）各自独立设计、制造和试验，最后经由总装等环节构成整机。由于各系统研制的框架限制，飞行器的整体性能难以大幅度地提高。结构功能一体化技术将结构功能与非结构功能相结合，突破了传统单一结构的功能限制，使传统承力结构兼具能量采集或存储、噪声与振动控制、结构健康监测、热隔离、自修复等功能，将大大提高飞行器系统的整体性。同时，将不同功能的子系统与结构集成后，可以减小整个系统的重量和体积，提高系统的整体效率，这也有望为强调高度隐身、超状态感知、高商载大航程的新一代飞行器提供更多的技术方案。

2多功能结构电池

随着世界各国航空产业的不断发展，天空污染问题逐渐引起人们的重视。以太阳能、电能、热能或机械能等作为动力系统虽然可以有效减少燃油消耗和碳排放，但是会使飞行器的承载能力降低。将结构与能量采集或存储系统相结合制备的多功能结构电池可以减轻系统总体重量，近年来国内外众多学者对其开展了深入研究。

美国弗吉尼亚工业与州立大学的智能材料系统与结构中心[1] 在一款小型的远程操控“EasyGlider”无人滑翔机上集成验证了太阳能电池板（采集太阳能）、压电结构（吸收机翼振动和刚体运动能量）的功能，如图1 所示。根据试飞结果发现，能量采集系统能够支撑飞行器主要电源的工作，其中压电结构能够充满4.6mJ 内置电容器的70%。

美国马里兰大学[2] 研制了全球第一款采用柔性太阳能电池板供电的扑翼机，将太阳能电池板集成到了机翼结构中，如图2 所示。研究人员对比了传统的仿生机翼结构、集成12 个电池模块的机翼、集成22个电池模块的机翼，结果表明电池模块虽然会使结构增重，但其能够被扑翼机提供的升力所克服。

除上述将太阳能电池板与结构集成一体的方式，研究人员还通过将锂电池与结构集成一体来增加结构的功能性。美国DARPA[3] 研制的“胡蜂”无人机取消了传统的电池组，采用了与机翼层合的结构电池，增加了续航，如图3 所示。

河南工业大学的研究人员[4] 将储能电芯和超薄碳纤维复合材料相复合，制备了储能、承载一体化的结构储能碳纤维复合材料，并测试了空载和受载条件下的电化学性能。将储能结构集成在无人机机翼上，与集成太阳能电池的无人机相比，重量减少了约20%。

英国帝国理工大学与Volvo 公司合作[5] ，成功将CAG 改性碳纤维电极应用于制备汽车尾箱盖，其不仅能为汽车LED 灯提供电源，还实现了60%的减重目标，首次实现了储能结构的工程化应用。

3智能蒙皮

智能蒙皮这一技术构想是在20 世纪80 年代由美国空军提出，其原理是通过在装备的外壳中嵌入天线、微处理控制系统和驱动元件等智能结构，使其具有监视、隐身和自适应等功能。目前，国内外学者关于智能蒙皮比较成熟的研究主要集中在智能蒙皮天线方向。

智能蒙皮天线主要由封装功能层、射频功能层以及控制与信号处理功能层三个功能结构组成[6] 。封装功能层的主要功能是承载、防护以及系统散热;射频功能层的主要功能是识别、分析和判断;控制与信号处理功能层的主要功能是感知、处理与控制信号。智能蒙皮天线采用高密度集成设计技术和结构功能一体化成形制造技术，无须在蒙皮上开孔安装天线，可以在飞行器设计制造期间将天线与机体结构高度集成。智能蒙皮天线技术涉及机械、电磁、信号处理和自动控制等多学科、多方面，因此高性能的智能蒙皮天线技术包含复合材料技术、结构集成强度分析技术、垂直互联技术、智能控制、热设计技术、结构集成强度分析、电性能分析等方面。

Cheng Huang 等人[7] 提出了一种具有宽带低雷达散射截面（RCS）频率可重构天线，如图4 所示。该天线由缝隙耦合微带贴片及两层超结构组成。顶层超结构集成了部分反射面（PRS）及吸波表面，底层结构由可调节反射相位单元组成。入射波主要被顶层超结构吸收，而工作频率由底层的控制反射相位单元实现动态调节。实验结果表明，采用该结构后，天线增益提高了7dB，工作频率可在9.05 ～10GHz 动态调整。天线RCS 在7～14GHz 的宽频带范围内缩减。与以往的低RCS 天线相比，该天线具有明显的优势，即可以在降低RCS的带宽范围内主动调节天线的工作频率。

胡建强[8] 设计并制备了一种新型的柔性共形天线。其采用聚酰亚胺薄膜为基体，设计了口径耦合微带天线的单元结构、2×8 阵列结构和相应的馈电网络，如图5 所示。与传统的天线相比，该天线的相对带宽高达15%，性能远高于普通微带天线。

李刚等[9] 基于直升机机载雷达面临的问题，提出了一种基于瓦片式数字阵列天线和后端通用处理机的直升机智能蒙皮雷达设计方案。在不影响直升机气动特性的情况下，通过与机身蒙皮的一体化设计，由后端多功能中心机控制，实现大口径、波束自适应、多功能雷达功能。

智能蒙皮天线技术是一项新兴技术。尽管该技术目前仍有很多技术难点在探索中，但未来在通信、导航、电子战等方面具有十分广阔的应用前景。

4自修复与自愈合

聚合物复合材料在使用过程中不可避免地会产生分层、脱胶、表面氧化等损伤，会影响结构性能和设备运行，甚至造成材料失效和严重事故。因此，如果能在材料早期出现微裂纹时及时察觉并修复，对于提高材料利用率、提升结构整体安全性具有重要意义。

自愈合材料的概念早在20 世纪80 年代由美国军方提出，它可以利用材料的自我感知能力对微裂纹自行诊断，进而修复微裂纹，及时修复材料的损伤，具有延长材料使用寿命、提高结构安全性能的优势。2001 年，White 等科学家[10] 的相关研究引起了科学界的广泛关注，并成为近年的研究热点。

自愈合聚合物按照愈合模式可以分为本征型自愈合和填埋式自愈合两种体系。本征型自愈合聚合物可以在无须外界修复介质的条件下发生自主愈合，通过可逆非共价键或可逆共价键的断裂和重新连接来实现。其中，可逆非共价键的断裂包括氢键[11] 、金属?聚合物配位键[12] 、离子键[13] 、π?π 堆叠作用[14]等;可逆共价键包括亚胺键、双硫键[15] 、Diels?Alder反应[16] 等。其原理是制备含有特定化学键结合的基体，该种化学键受破坏后可以在特定的条件下发生化学反应或物理作用，借此达到材料自愈合的目的。该愈合体系的愈合效果通常较好且具有多次愈合的能力，但是对基体材料种类有严格的要求，而且需要有光、热、机械力等的变化，才能发生自愈合。因此，普通复合材料无法通过此类方式发生自愈合，从而限制了本征形自愈合聚合物的广泛应用。

填埋式自愈合聚合物通过在聚合物机体中填埋修复剂，使材料受到损伤后能自主释放并扩散至整个裂纹，使裂纹黏合。该类自愈合聚合物对基体本身的化学结构要求不高，因此在普通复合材料中可以广泛应用。但填埋式自愈合聚合物由于加入了额外的愈合介质，会导致材料的强度降低。目前，关于填埋式自愈合聚合物的研究集中在中空纤维[17] 、微胶囊[18] 、微管通道[19] 等愈合形式。空纤维型自愈合聚合物将愈合介质存储在中空纤维中，通过纤维断裂释放愈合介质的方法达到自愈合的目的。微胶囊型自愈合聚合物的基本愈合機理与中空纤维型类似，区别在于结构不同。微胶囊的结构是一种具有聚合物壳壁结构的微型容器，被包覆的物质称为芯材，包覆芯材的物质称为壁材。当聚合物产生微裂纹时，产生的应力导致微胶囊破裂而释放愈合介质，进而修复基材。微管通道自愈合聚合物的原理与上述体系一致，即都是利用破裂过程释放的愈合介质达到自愈合修复的目的。其特点在于可以实现愈合介质的自主调配，愈合介质会由含量多的通道自发扩散到含量少的通道，实现多次修复。

目前，自愈合聚合物的研究处于高速发展阶段。但相关研究仍停留在实验室阶段，想要实现工程化应用，还需解决很多问题，如合成步骤复杂，对工艺条件要求较高;提高自愈合材料性能的同时会导致其力学性能下降;材料价格昂贵，不利于工程化应用等，还需研究学者们共同努力解决相关问题。

5总结