摘要

在《Aerospace》雜志上發(fā)表的一篇文章中，研究人員通過光纖傳感系統(tǒng)（FOSS）實現(xiàn)了對聯(lián)翼飛機的應變和結構位移的實時監(jiān)測（應用光纖傳感系統(tǒng)預測聯(lián)翼飛機的結構位移）。 聯(lián)翼布局給飛行器的設計帶來了很大影響，并為推進器選擇、航空彈性、飛行動力學、航空彈性空氣動力學和其他領域提供了新的設計思路。在此背景下，實時的結構形變測量在結構健康監(jiān)測（SHM）、設計方案論驗證、安全評估和結構控制中至關重要。

1光纖傳感器（FOS）在航空領域的應用

光纖傳感器已經(jīng)成為航空領域中結構健康監(jiān)測（SHM）的首要選擇，它有許多優(yōu)勢，包括抗電磁干擾、多路復用能力、體積小和重量輕。此外，光纖傳感具有持續(xù)和動態(tài)跟蹤形狀的能力，為目前依賴激光掃描儀、傾斜儀、照相機、加速度計和電應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變傳感技術中具有廣泛的應用。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，如可靠性高、應變傳感精度好、成本低廉等。相對于基于瑞利或布里淵散射過度分散的傳感，F(xiàn)BG傳感器在工程應用中仍是首選。

2前人對聯(lián)翼飛機的研究

聯(lián)翼飛機還沒有在形狀感應問題上進行廣泛的研究。與標準布局中的單一主翼相比，聯(lián)翼飛機通常有相連的前翼和后翼，這使得形變測量更具挑戰(zhàn)性。此外，在早期的研究中，經(jīng)常會固定一些邊界限制，然而在實際飛行過程中，飛機可能會遇到各種復雜的極限條件，要改變模態(tài)形式來應對復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)來直觀計算結構位移是很有必要的。

3研究是如何開展的

這項研究擴展了傳統(tǒng)的模態(tài)技術，通過加入額外的約束來適應一系列的邊界條件。一個FBG傳感器被用來檢測應變，整合在光纖傳感系統(tǒng)（包括軟件和硬件）中，來監(jiān)測一個連翼結構。連翼飛機的構造：制造一架帶有菱形機翼的連翼飛機。該飛機的機身長度約為25米，跨度長度約為60米。前翼、后翼和外翼組成了主翼。兩個與后翼相連的短艙將前翼與外側翼連接起來。該飛機的主要框架由復合材料構成。光纖傳感系統(tǒng)：使用FOSS收集機翼支柱的應變數(shù)據(jù)，并利用它來預測整個機翼的三維變形。整個系統(tǒng)包括硬件和軟件。 硬件系統(tǒng)被分成兩個獨立的系統(tǒng)，好分別收集和存儲來自左翼和右翼的傳感器數(shù)據(jù)。每個系統(tǒng)包括一個存儲模塊、一個GPS、一個機載計算機和一個FBG解調(diào)模塊。軟件系統(tǒng)的目的是在將預處理過的傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為結構形變后呈現(xiàn)出結果。實驗：這篇文章采用新的監(jiān)測方法在中間支撐的一個懸臂梁上進行了測試。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。梁一端傳遞了一個合力0.1N帶有垂直分量的力。實驗也在MSC NASTRAN中模擬（FEM），梁是用50個離散化的元素進行解析的。機翼大部分的結構都采用復合材料，包括機翼的支柱和表皮。

4研究的重要成果

此研究提出了一個基于光纖傳感的聯(lián)翼飛機結構位移預測的方案。方案中的聯(lián)翼飛機配備了包括硬件和軟件組成的FOSS，然后通過地面測試來確認該系統(tǒng)效果。在實際應用中，典型的做法是修改傳統(tǒng)的模態(tài)方法以適應不同的邊界條件。研究還對懸臂梁模型和聯(lián)翼飛機進行了數(shù)值分析，來確認改進的應變-位移轉(zhuǎn)換SDT方法。 根據(jù)數(shù)值和實驗數(shù)據(jù)，這篇文章的SDT方法可以正確預測飛機的整體構型或特定點的變形。在地面試驗中，支撐點的位移相對誤差為6.6%。雖然不到7%的誤差仍不夠精確（通常相對誤差平均為2.62%），但仍可看出FOSS的潛力和進一步進行飛行測試的可能性。

審核編輯 ：李倩