智能结构——21世纪武器装备的新技术

美 国 麻 省 理 工 学 院 正 在 研 制 的 增 强型 主 动 降 噪 潜 艇 壳 体 模 型。

　　开 发 工 作 广 受 重 视 

　　智 能 结 构 最 初 受 到 关 注 是 在 70年 代 末 期 ， 美 国 将 光导 纤 维 埋 置 在 复 合 材 料 内 部 ， 使 结 构 功 能 产 生 了 显 著 改善 ， 自 此 ， 智 能 结 构 技 术 得 到 广 泛 承 认 ， 发 达 国 家 纷 纷进 行 研 究 开 发 。 近 年 来 ， 它 更 是 受 到 高 度 重 视 。 特 别 是美 国 ， 军 方 和 一 些 政 府 机 构 直 接 参 与 了 开 发 工 作 。 1995年， 白 宫 科 技 政 策 办 公 室 和 国 家 关 键 技 术 评 审 组 将 智 能 材料 与 结 构 技 术 列 入 “ 国 家 关 键 技 术 报 告 ” 中 。 1997年 ， 智能 结 构 被 列 为 “ 基 础 研 究 计 划 ” 的 六 项 战 略 研 究 任 务 之一 。 美 国 各 军 种 、 弹 道 导 弹 防 御 局 (BMDO)和 美 国 航 空 航 天局 (NASA)以 及 波 音 、 麦 道 、 TRW和 联 合 机 身 等 大 公 司 都 分 别制 定 了 研 究 与 发 展 计 划 ， 如 弹 道 导 弹 防 御 局 的 “ 自 适 应结 构 计 划 ” ， 陆 军 研 究 局 的 “ 智 能 材 料 与 结 构 计 划 ” ，空 、 海 军 共 同 实 施 的 “ 智 能 金 属 结 构 计 划 ” ， 空 军 航 天实 验 室 的 “ 智 能 结 构 蒙 皮 计 划 ” 。 

　　欧 洲 智 能 结 构 的 研 究 以 德 、 英 、 法 、 意 为 主 。 1989～ 1991年 ， 英 、 法 、 意 三 国 的 7家 公 司 在 欧 共 体 的 支 持 下 完成 了 欧 洲 在 此 领 域 的 第 一 个 合 作 研 究 计 划 “ 复 合 材 料 光学 传 感 计 划 ” ， 对 植 入 光 纤 在 复 合 材 料 中 测 量 应 变 、 温度 与 固 化 监 控 进 行 了 实 验 验 证 。 90年 代 初 英 国 成 立 了 欧洲 这 一 领 域 的 首 家 专 门 研 究 机 构 “ 斯 特 拉 斯 立 德 大 学 智能 材 料 与 结 构 研 究 所 ” 。 德 国 宇 航 研 究 院 是 欧 洲 从 事 这一 研 究 的 主 要 机 构 ， 目 前 德 国 正 在 研 究 将 植 入 光 纤 的 自诊 断 智 能 结 构 用 于 可 重 复 使 用 运 载 器 的 损 伤 探 测 和 评 估， 以 及 用 于 “ 未 来 欧 洲 航 天 运 输 系 统 计 划 ” 。 意 大 利 则对 飞 机 发 动 机 进 行 主 动 振 动 控 制 和 降 低 噪 声 制 定 了 专 门研 究 计 划 。 目 前 欧 洲 对 飞 机 的 健 康 监 测 、 直 升 机 主 动 减振 、 空 间 结 构 的 自 适 应 形 状 控 制 和 阻 尼 减 振 、 汽 车 的 自适 应 消 声 和 减 振 等 方 面 都 开 展 了 研 究 。 

　　日 本 自 1984年 即 着 手 空 间 应 用 的 智 能 结 构 研 究 ， 日本 航 空 宇 宙 研 究 所 、 东 京 工 业 大 学 以 及 一 些 大 公 司 都 参与 了 这 项 工 作 。 主 要 研 究 内 容 包 括 采 用 智 能 结 构 实 现 主动 振 动 控 制 、 自 适 应 静 态 形 状 的 精 确 控 制 、 自 适 应 可 变形 桁 架 等 。 

　　军 事 应 用 前 景 广 阔 

　　智 能 结 构 给 结 构 技 术 的 发 展 注 入 创 新 性 的 活 力 ， 它所 具 有 的 卓 越 性 能 将 对 21世 纪 的 武 器 装 备 产 生 重 大 影 响。 预 计 未 来 的 主 要 军 事 应 用 是 ： 

　　智 能 蒙 皮 

　　在 武 器 平 台 的 蒙 皮 中 植 入 智 能 结 构 ， 包 括 探 测 元 件、 微 处 理 控 制 系 统 和 驱 动 元 件 ， 就 成 为 智 能 蒙 皮 ， 可 用于 监 视 、 预 警 、 隐 身 和 通 信 等 。 

　　美 国 弹 道 导 弹 防 御 局 目 前 正 在 为 其 未 来 的 弹 道 导 弹监 视 和 预 警 卫 星 研 究 在 复 合 材 料 蒙 皮 中 植 入 核 爆 光 纤 传感 器 、 X射 线 光 纤 探 测 器 、 激 光 传 感 器 、 射 频 天 线 等 多 种传 感 器 的 智 能 蒙 皮 ， 可 安 装 在 天 基 防 御 系 统 空 间 平 台 的表 面 ， 对 来 自 敌 方 的 多 种 威 胁 进 行 实 时 监 视 和 预 警 ， 预计 在 2010年 左 右 获 得 初 步 应 用 。 美 空 军 莱 特 实 验 室 正 在 把一 个 承 载 天 线 结 合 到 表 层 结 构 中 ， 这 种 一 体 化 结 构 的 天线 与 传 统 外 部 嵌 置 的 天 线 相 比 ， 能 够 有 效 提 高 飞 行 器 的空 气 动 力 性 能 、 减 轻 飞 行 器 结 构 重 量 和 体 积 、 提 高 天 线性 能 、 降 低 生 产 成 本 和 维 修 费 用 。 该 计 划 将 于 2013年 进 行模 型 样 机 的 试 飞 。 美 海 军 则 重 点 研 究 军 用 舰 船 智 能 表 层的 电 磁 隐 身 问 题 。 美 国 家 航 空 航 天 局 军 用 飞 机 部 也 在 从事 智 能 蒙 皮 原 理 、 结 构 、 材 料 等 方 面 的 研 究 。 

　　结 构 健 康 监 测 和 寿 命 预 测 

　　自 诊 断 智 能 结 构 可 在 武 器 的 全 寿 命 期 内 ， 实 时 测 量结 构 内 的 应 变 、 温 度 、 裂 纹 、 形 变 等 参 数 ， 探 测 疲 劳 损伤 和 攻 击 损 伤 。 例 如 ， 采 用 光 纤 传 感 器 阵 列 和 聚 偏 氟 乙烯 传 感 器 可 对 机 翼 、 机 架 以 及 可 重 复 使 用 的 航 天 运 载 器进 行 全 寿 命 期 的 实 时 监 测 、 损 伤 评 估 和 寿 命 预 测 。 未 来的 天 基 平 台 将 利 用 自 诊 断 智 能 结 构 对 环 境 威 胁 (如 陨 石 、空 间 老 化 )和 攻 击 损 伤 (如 激 光 武 器 )进 行 自 诊 断 和 损 伤 评估 。 空 间 站 或 大 型 空 间 在 轨 观 测 系 统 利 用 光 纤 智 能 结 构可 实 时 探 测 由 于 交 会 对 接 的 碰 撞 、 陨 石 撞 击 或 其 他 因 素引 起 的 损 伤 ， 并 对 损 伤 进 行 评 估 ， 以 解 决 在 轨 空 间 系 统长 期 实 时 监 测 和 维 护 问 题 。 此 外 对 于 固 体 导 弹 发 动 机 、运 载 火 箭 助 推 器 复 合 材 料 壳 体 同 样 可 以 进 行 实 时 健 康 监测 。 

　　美 国 目 前 正 在 开 发 一 种 可 以 测 量 裂 纹 生 长 “ 声 音 ” 的 传 感 器 - - 传 感 器 在 整 个 结 构 范 围 内 发 射 出 声 音 信 号 ，然 后 测 量 结 构 响 应 信 号 的 变 化 ， 据 此 指 出 远 地 的 裂 纹 产生 或 生 长 。 另 外 正 在 开 发 的 一 种 传 感 器 可 以 检 查 并 测 量复 合 材 料 层 的 分 离 。 英 国 国 防 研 究 局 的 结 构 材 料 中 心 也在 开 展 复 合 材 料 损 伤 自 诊 断 技 术 的 研 究 。 

　　减 振 降 噪 

　　在 航 空 航 天 系 统 中 采 用 智 能 结 构 可 以 降 低 由 不 稳 定外 力 引 发 的 主 结 构 振 荡 以 及 减 弱 声 能 在 结 构 中 的 传 播 ，从 而 减 轻 对 电 子 系 统 的 干 扰 ， 提 高 系 统 的 疲 劳 寿 命 和 稳定 性 。 

　　美 国 正 在 开 发 使 用 压 电 致 动 器 的 主 动 控 制 系 统 。 将致 动 器 连 接 到 飞 机 表 层 和 子 结 构 中 ， 可 以 将 振 动 响 应 降至 最 低 ， 以 及 消 除 音 频 振 动 引 起 的 干 扰 振 动 力 。 在 结 构中 埋 入 形 状 记 忆 合 金 也 可 以 实 现 振 动 和 噪 声 的 主 动 控 制。 主 动 结 构 声 控 的 研 究 取 得 了 显 著 效 益 ， 早 在 1991年 弗 吉尼 亚 工 学 院 就 成 功 研 制 了 压 电 陶 瓷 主 动 结 构 声 控 系 统 ，在 系 统 中 压 电 陶 瓷 可 根 据 应 用 目 的 做 成 各 种 类 型 的 驱 动器 。 美 国 麦 道 公 司 利 用 主 动 结 构 声 控 装 置 采 用 声 误 差 传感 ， 通 过 隔 板 装 置 已 证 明 该 装 置 可 把 110分 贝 声 源 的 声 压水 平 降 低 29分 贝 ， 声 强 和 声 功 率 降 低 7～ 8.5分 贝 。 波 音 公司 正 在 研 制 的 直 升 机 智 能 结 构 旋 翼 叶 片 ， 可 改 善 旋 翼 的空 气 动 力 学 性 能 ， 减 小 振 动 和 噪 音 。 

　　日 本 航 空 航 天 学 会 和 加 拿 大 Aastra公 司 也 在 重 点 研 究空 间 结 构 中 形 状 和 振 动 的 主 动 控 制 问 题 ， 发 展 柔 性 结 构振 动 自 适 应 控 制 技 术 。 

　　此 外 ， 智 能 结 构 用 于 潜 艇 ， 可 抑 制 噪 声 传 播 ， 提 高潜 艇 和 军 舰 的 声 隐 身 性 能 。 用 于 地 面 车 辆 ， 可 以 提 高 军用 车 辆 的 性 能 和 乘 坐 舒 适 度 。 

　　环 境 自 适 应 结 构 

　　固 定 翼 飞 机 在 起 飞 和 降 落 时 需 要 升 降 副 翼 ； 在 遇 有阵 风 等 情 况 时 ， 飞 机 翼 片 的 受 力 分 布 将 发 生 变 化 ， 从 而不 能 始 终 保 持 最 佳 升 力 /阻 力 比 。 这 些 显 而 易 见 的 事 实 都说 明 飞 机 在 不 同 的 飞 行 状 态 和 飞 行 条 件 下 需 要 不 同 的 机型 和 翼 型 。 智 能 结 构 与 空 气 动 力 学 控 制 技 术 相 结 合 制 造出 的 自 适 应 结 构 ， 可 根 据 不 同 的 飞 行 条 件 ， 驱 动 机 翼 弯曲 、 扭 转 ， 从 而 改 变 翼 形 和 攻 角 ， 以 获 得 最 佳 气 动 特 性， 降 低 机 翼 阻 力 系 数 ， 延 长 机 翼 结 构 的 疲 劳 寿 命 。 

　　根 据 美 国 的 研 究 ， 使 用 自 适 应 材 料 可 使 固 定 翼 飞 机在 长 期 疲 劳 状 态 下 ， 降 低 6%的 阻 力 系 数 ， 同 时 保 持 高 效巡 航 性 能 。 预 计 在 战 斗 机 机 翼 上 使 用 由 叫 做 “ Terfenol” 的 最 新 的 智 能 材 料 制 作 的 磁 致 伸 缩 致 动 器 ， 可 使 机 翼 阻力 降 低 85%。 美 国 陆 军 研 究 局 经 过 多 年 的 基 础 性 研 究 ， 于 1998年 3月 开 始 开 发 直 升 机 主 动 控 制 技 术 ， 将 用 于 RAH-66武装 直 升 机 及 未 来 的 联 合 运 输 旋 翼 机 。 美 国 国 防 部 和 航 空航 天 局 也 在 研 究 形 状 自 适 应 结 构 和 空 气 动 力 载 荷 控 制 ，研 究 内 容 包 括 翼 片 弯 曲 、 弯 曲 造 型 /控 制 面 造 型 和 可 变 刚性 结 构 。 这 些 自 适 应 结 构 不 仅 可 使 机 翼 扭 曲 ， 还 可 以 使机 翼 的 前 缘 和 后 缘 变 形 ， 通 过 形 状 记 忆 合 金 致 动 器 提 高飞 行 器 的 机 动 性 和 升 力 。 此 项 技 术 将 会 提 高 飞 机 的 生 存能 力 并 降 低 阻 力 。 

　　此 外 ， 智 能 结 构 在 民 用 航 空 航 天 、 汽 车 、 船 舶 、 土木 工 程 和 医 学 领 域 也 有 广 阔 的 用 途 ， 如 智 能 大 坝 、 智 能高 层 建 筑 、 智 能 桥 梁 等 。 这 些 民 用 建 筑 采 用 智 能 结 构 后， 可 使 其 安 全 性 大 大 提 高 。 

　　未 来 发 展 仍 需 加 强 

　　近 年 来 ， 智 能 结 构 技 术 发 展 较 快 ， 一 些 元 件 已 经 开始 演 示 验 证 ， 预 计 在 21世 纪 初 首 先 在 航 空 航 天 领 域 获 得型 号 上 的 应 用 。 自 诊 断 智 能 结 构 、 主 动 振 动 控 制 智 能 结构 、 可 对 敌 方 威 胁 进 行 监 视 的 智 能 蒙 皮 以 及 自 适 应 机 翼都 将 在 2001～ 2010年 获 得 初 步 应 用 。 

　　但 是 ， 应 当 看 到 智 能 结 构 的 一 些 领 域 尚 未 完 全 弄 清， 今 后 的 主 要 研 究 方 向 包 括 ： ① 研 制 低 能 耗 、 大 应 变 量、 宽 频 带 动 作 、 力 学 性 能 好 、 高 稳 定 和 高 寿 命 的 致 动 器材 料 ； ② 研 制 高 稳 定 、 耐 温 好 、 低 成 本 、 可 单 线 多 路 复用 且 与 基 体 易 于 融 合 的 光 纤 传 感 器 ； ③ 研 制 高 性 能 可 植入 基 体 材 料 中 的 微 型 电 子 器 件 ； ④ 进 行 深 入 结 构 的 控 制方 法 研 究 ； ⑤ 继 续 进 行 集 成 方 法 研 究 ； ⑥ 智 能 材 料 与 结构 的 设 计 、 制 造 、 数 据 库 、 可 靠 性 等 研 究 。 

　　作 为 方 兴 未 艾 的 高 新 技 术 ， 智 能 结 构 的 潜 在 发 展 有着 广 阔 的 天 地 。 随 着 它 即 将 步 入 实 用 化 阶 段 ， 武 器 平 台也 将 在 21世 纪 实 现 全 面 智 能 化 。 

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