摘要

在《Aerospace》雜志上發(fā)表的一篇文章中，研究人員通過(guò)光纖傳感系統(tǒng)（FOSS）實(shí)現(xiàn)了對(duì)聯(lián)翼飛機(jī)的應(yīng)變和結(jié)構(gòu)位移的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)（應(yīng)用光纖傳感系統(tǒng)預(yù)測(cè)聯(lián)翼飛機(jī)的結(jié)構(gòu)位移）。 聯(lián)翼布局給飛行器的設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大影響，并為推進(jìn)器選擇、航空彈性、飛行動(dòng)力學(xué)、航空彈性空氣動(dòng)力學(xué)和其他領(lǐng)域提供了新的設(shè)計(jì)思路。在此背景下，實(shí)時(shí)的結(jié)構(gòu)形變測(cè)量在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)（SHM）、設(shè)計(jì)方案論驗(yàn)證、安全評(píng)估和結(jié)構(gòu)控制中至關(guān)重要。

1光纖傳感器（FOS）在航空領(lǐng)域的應(yīng)用

光纖傳感器已經(jīng)成為航空領(lǐng)域中結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)（SHM）的首要選擇，它有許多優(yōu)勢(shì)，包括抗電磁干擾、多路復(fù)用能力、體積小和重量輕。此外，光纖傳感具有持續(xù)和動(dòng)態(tài)跟蹤形狀的能力，為目前依賴激光掃描儀、傾斜儀、照相機(jī)、加速度計(jì)和電應(yīng)變傳感器的形狀傳感方法提供了非常有前途的替代方案。

光纖布拉格光柵（FBG）傳感器：光纖布拉格光柵（FBG）是最常用的光纖傳感器，在光纖傳感的眾多應(yīng)變傳感技術(shù)中具有廣泛的應(yīng)用。盡管在分布式傳感能力方面存在一定局限性，但FBG傳感器也具有很明顯的優(yōu)勢(shì)，如可靠性高、應(yīng)變傳感精度好、成本低廉等。相對(duì)于基于瑞利或布里淵散射過(guò)度分散的傳感，F(xiàn)BG傳感器在工程應(yīng)用中仍是首選。

2前人對(duì)聯(lián)翼飛機(jī)的研究

聯(lián)翼飛機(jī)還沒有在形狀感應(yīng)問(wèn)題上進(jìn)行廣泛的研究。與標(biāo)準(zhǔn)布局中的單一主翼相比，聯(lián)翼飛機(jī)通常有相連的前翼和后翼，這使得形變測(cè)量更具挑戰(zhàn)性。此外，在早期的研究中，經(jīng)常會(huì)固定一些邊界限制，然而在實(shí)際飛行過(guò)程中，飛機(jī)可能會(huì)遇到各種復(fù)雜的極限條件，要改變模態(tài)形式來(lái)應(yīng)對(duì)復(fù)雜的邊界情況是很困難的。因此，使用單一傳感器的模態(tài)數(shù)據(jù)來(lái)直觀計(jì)算結(jié)構(gòu)位移是很有必要的。

3研究是如何開展的

這項(xiàng)研究擴(kuò)展了傳統(tǒng)的模態(tài)技術(shù)，通過(guò)加入額外的約束來(lái)適應(yīng)一系列的邊界條件。一個(gè)FBG傳感器被用來(lái)檢測(cè)應(yīng)變，整合在光纖傳感系統(tǒng)（包括軟件和硬件）中，來(lái)監(jiān)測(cè)一個(gè)連翼結(jié)構(gòu)。連翼飛機(jī)的構(gòu)造：制造一架帶有菱形機(jī)翼的連翼飛機(jī)。該飛機(jī)的機(jī)身長(zhǎng)度約為25米，跨度長(zhǎng)度約為60米。前翼、后翼和外翼組成了主翼。兩個(gè)與后翼相連的短艙將前翼與外側(cè)翼連接起來(lái)。該飛機(jī)的主要框架由復(fù)合材料構(gòu)成。光纖傳感系統(tǒng)：使用FOSS收集機(jī)翼支柱的應(yīng)變數(shù)據(jù)，并利用它來(lái)預(yù)測(cè)整個(gè)機(jī)翼的三維變形。整個(gè)系統(tǒng)包括硬件和軟件。 硬件系統(tǒng)被分成兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，好分別收集和存儲(chǔ)來(lái)自左翼和右翼的傳感器數(shù)據(jù)。每個(gè)系統(tǒng)包括一個(gè)存儲(chǔ)模塊、一個(gè)GPS、一個(gè)機(jī)載計(jì)算機(jī)和一個(gè)FBG解調(diào)模塊。軟件系統(tǒng)的目的是在將預(yù)處理過(guò)的傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)形變后呈現(xiàn)出結(jié)果。實(shí)驗(yàn)：這篇文章采用新的監(jiān)測(cè)方法在中間支撐的一個(gè)懸臂梁上進(jìn)行了測(cè)試。梁的橫截面是矩形的，寬度為0.035米，高度為0.0015米，彈性模量和密度分別為210GPa和7750kg/m3。梁一端傳遞了一個(gè)合力0.1N帶有垂直分量的力。實(shí)驗(yàn)也在MSC NASTRAN中模擬（FEM），梁是用50個(gè)離散化的元素進(jìn)行解析的。機(jī)翼大部分的結(jié)構(gòu)都采用復(fù)合材料，包括機(jī)翼的支柱和表皮。

4研究的重要成果

此研究提出了一個(gè)基于光纖傳感的聯(lián)翼飛機(jī)結(jié)構(gòu)位移預(yù)測(cè)的方案。方案中的聯(lián)翼飛機(jī)配備了包括硬件和軟件組成的FOSS，然后通過(guò)地面測(cè)試來(lái)確認(rèn)該系統(tǒng)效果。在實(shí)際應(yīng)用中，典型的做法是修改傳統(tǒng)的模態(tài)方法以適應(yīng)不同的邊界條件。研究還對(duì)懸臂梁模型和聯(lián)翼飛機(jī)進(jìn)行了數(shù)值分析，來(lái)確認(rèn)改進(jìn)的應(yīng)變-位移轉(zhuǎn)換SDT方法。 根據(jù)數(shù)值和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這篇文章的SDT方法可以正確預(yù)測(cè)飛機(jī)的整體構(gòu)型或特定點(diǎn)的變形。在地面試驗(yàn)中，支撐點(diǎn)的位移相對(duì)誤差為6.6%。雖然不到7%的誤差仍不夠精確（通常相對(duì)誤差平均為2.62%），但仍可看出FOSS的潛力和進(jìn)一步進(jìn)行飛行測(cè)試的可能性。

審核編輯 ：李倩