孟軍輝 ( 中國農(nóng)業(yè)大學工學院） ， 呂明云（北京航空航天大學航空科學與工程學院）

高空太陽能無人機大多采用大展弦比機翼，機翼柔性變形和振動問題隨之而來，對結(jié)構(gòu)振動控制技術提出了更高的要求。與其他振動控制技術相比，主動約束層阻尼技術對于結(jié)構(gòu)振動的控制更為有效，隨著研究的深入和發(fā)展，未來將逐漸應用到工程實際中。

高空長航時飛機機翼大多具有柔性、展弦比大的特點，大展弦比機翼的大跨度、輕質(zhì)量、低剛度的結(jié)構(gòu)特點，導致其具有低頻率、弱阻尼、模態(tài)密集的動力學特性。發(fā)動機推力和控制力以及復雜的大氣環(huán)境干擾，都可能引發(fā)大展弦比機翼的振動。大展弦比機翼由于其自身大柔性的特點，在飛行載荷作用下，會產(chǎn)生大的柔性變形，進而對其動力學特性產(chǎn)生影響，使得針對該結(jié)構(gòu)的振動控制技術更加復雜，對結(jié)構(gòu)的振動控制技術也提出了更高的要求。

針對這種要求，結(jié)合以往的振動控制技術（被動阻尼減振結(jié)構(gòu)和主動控制減振結(jié)構(gòu)），提出了主動約束層阻尼（Active Constrained Layer Damping，ACLD）結(jié)構(gòu)。主動約束層阻尼是以可控的壓電材料代替被動約束層阻尼結(jié)構(gòu)中不可控的約束層，通過可控的約束層主動地控制黏彈性材料的剪切變量，進而達到控制振動能量的耗散的主動約束形式。它是一種典型的主、被動一體化的振動控制方法，充分結(jié)合了主動控制與被動阻尼作用各自的優(yōu)勢，在結(jié)構(gòu)振動控制方面展示了極其廣闊的應用前景。

臨近空間太陽能無人機發(fā)展

近年來，隨著臨近空間的利用價值不斷體現(xiàn)，各國加快了開發(fā)臨近空間的步伐，紛紛開展了高空長航時無人機的技術和應用研究。以巡航高度為20～100km、巡航時間為數(shù)天/月/年，作為當前臨近空間飛行器研究的主要飛行指標，這樣的高空長航時（High-Altitude Long-Endurance，HALE）飛行器相比以往的航空航天飛行器具有極大優(yōu)勢。HALE飛行器可以替代衛(wèi)星，以更少的成本、更靈活的方式，不間斷執(zhí)行許多重要軍用和民用任務，包括軍用領域的情報/偵察/監(jiān)視、實時目標捕捉、自然災害快速響應、國土邊防監(jiān)控、空間監(jiān)視、空中指揮以及空中打擊等，以及民用領域的氣象科學研究、通信、大氣環(huán)境監(jiān)測等。而且相比于衛(wèi)星，HALE飛行器更可控和可維護；相比于現(xiàn)有航空器，在同溫層飛行的HALE飛行器，更易于執(zhí)行全天候任務。

臨近空間超長航時飛行器有空氣動力型和空氣靜力型兩大類。其中，高空氣球因技術難度小成為首先進入實際應用的臨近空間飛行器，但因其對一些氣象因素尤其是大氣的劇烈運動比較敏感，容易失去控制，因此軍事應用價值有限；臨近空間飛艇類似地球同步衛(wèi)星，作為一種重要的定點平臺，有較高的軍事應用前景，但進入實際應用之前仍需進行關鍵技術突破；隨著技術進步，高空長航時無人機的飛行高度有望進一步提高，留空時間有望進一步延長，從而成為軍事先進國家近期及未來利用臨近空間的重要工具。

臨近空間超長航時飛行器的分類。

當前，在太陽能無人機領域，美國仍然處于領先地位，其在細分領域的研究、開發(fā)更為明晰，不論是政府支持，如美國宇航局（NASA）支持的“太陽神”（Helios），國防部預研局（DARPA）支持的“太陽鷹”（由波音公司負責研發(fā)），還是私營公司自身研發(fā)，如谷歌（Google）資助泰坦航宇公司（Titan Aerospace）研發(fā)，臉書（Facebook）研發(fā)的“天鷹座”（Aquila）。這些太陽能無人機有的已經(jīng)試飛成功，有的試飛失敗，有的項目已經(jīng)下馬，命運不一。近日，中國航天科技集團公司第十一研究院自主研發(fā)的新型“彩虹”太陽能無人機在西北某地完成臨近空間飛行試驗，試驗取得圓滿成功。這是我國首次成功研制的大型長航時臨近空間太陽能無人機，尺度和重量均為全球領先，填補了我國在這一領域的技術空白，核心關鍵技術和設備全部實現(xiàn)國產(chǎn)化，是支撐我國臨近空間開發(fā)利用的重要基礎手段，標志著我國已成為繼美、英之后第三個掌握臨近空間太陽能無人機技術的國家，是中國制造的又一經(jīng)典之作，使得我國邁入了全球太陽能無人機發(fā)展第一梯隊。

高空長航時無人機雖然具有極其重要的應用價值和發(fā)展?jié)摿?，但是目前的太陽能無人機產(chǎn)品大多受限于種種因素，續(xù)航能力有限，與全天候、長航時的發(fā)展要求仍有較大差距。從結(jié)構(gòu)設計和動力學的角度來說，為獲得低重量和高升阻比，高空長航時無人機普遍使用復合材料等輕質(zhì)材料，且采用大展弦比設計，結(jié)構(gòu)細長，導致結(jié)構(gòu)的柔性較大。同時，結(jié)構(gòu)的柔性變形與全機的剛體運動耦合，產(chǎn)生剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)問題，結(jié)構(gòu)柔性變形與氣動力耦合，產(chǎn)生非線性氣動彈性問題。此外，結(jié)構(gòu)大變形還可能導致飛機表面局部流動分離，發(fā)生氣動失速。

我國自行研制的臨近空間大型長航時太陽能無人機。

大展弦比輕質(zhì)機翼的動力學問題

由于高空長航時無人機要求低飛行速度、高升力、低阻力，使得這種無人機的機翼展弦比特別大。大展弦比機翼一般全部采用復合材料，具有大翼展、大展弦比、翼面積大、翼型相對厚度小和重量輕等特點，基頻很低，是一種柔性很強的結(jié)構(gòu)。機翼基頻很低時，為結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的測量和有限元計算帶來了極大的挑戰(zhàn)。對于大展弦比輕質(zhì)機翼結(jié)構(gòu)的模態(tài)試驗而言，需要解決的主要問題有重力場的克服、空氣阻力的影響、支撐系統(tǒng)的選擇、傳感器的附加質(zhì)量問題、激勵力的施加方式、非線性因素的處理等幾個方面。對于大展弦比輕質(zhì)機翼結(jié)構(gòu)的有限元計算而言，需要解決的主要問題是機翼結(jié)構(gòu)的簡化與等效、機翼附加系統(tǒng)的簡化與等效、外掛的處理、接頭間隙、摩擦等非線性因素的影響。

飛行器所處的動環(huán)境是復雜而惡劣的。一方面表現(xiàn)在激勵源多而復雜，主要的激勵源有發(fā)動機推力、附面層噪聲、控制力、突風、飛行階段的轉(zhuǎn)換等。這些激勵有些是規(guī)律性的，有些是隨機性的。另一方面是由于實際環(huán)境中往往幾種激勵同時作用在飛行器上，因此，為了保證飛行器結(jié)構(gòu)安全可靠，應該對飛行器承受動載荷比較嚴重的一些情況加以研究，分析這些外激勵的性質(zhì)、大小和變化規(guī)律，以確定設計時所必需的動載荷，作為結(jié)構(gòu)設計的重要依據(jù)之一。

從動力學和振動控制的角度，大展弦比輕質(zhì)機翼及外掛附件具有以下明顯的特點：

（1）結(jié)構(gòu)復雜，柔性大展弦比輕質(zhì)機翼帶有剛性附件，建模困難。

（2）系統(tǒng)柔性大，模態(tài)頻率低且密集，模態(tài)耦合程度高。

（3）未被控制時的結(jié)構(gòu)阻尼小。

（4）瞬態(tài)環(huán)境條件（或載荷）及載荷的不確定性需求振動控制的頻帶較寬。

（5）結(jié)構(gòu)彈性和氣動力存在著多種耦合，氣動彈性效應明顯。

（6）要求振動控制系統(tǒng)可靠性高、能耗低且附加質(zhì)量低。

由于大展弦比輕質(zhì)機翼結(jié)構(gòu)存在上述特點，因此，必須要建立較為準確的柔性結(jié)構(gòu)動力學模型，對結(jié)構(gòu)進行精確的參數(shù)辨識，才能正確認識結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)，為結(jié)構(gòu)振動控制提供模型保證。長時間的振動容易造成柔性結(jié)構(gòu)的疲勞破壞，壽命縮短，因此，必須對這類柔性結(jié)構(gòu)進行振動控制。由于被動控制的頻帶比較窄，只能對某一頻段的控制達到比較好的效果，而大型柔性結(jié)構(gòu)是一個連續(xù)系統(tǒng)，需要比較寬的頻帶控制，被動控制不再適用。而且大型柔性結(jié)構(gòu)的固有頻率一般很低，可能需要控制的模態(tài)都集中在0～1Hz頻率范圍內(nèi)，很多被動控制起作用的頻率范圍很難達到如此低的頻率，純被動控制在這里很難滿足實際要求，因此，對這類柔性結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性控制有必要采用主被動混合控制的方法。

主動約束層阻尼結(jié)構(gòu)動力學建模及控制

1994年，Baz和Ro在被動約束層阻尼結(jié)構(gòu)和主動阻尼技術的基礎上，提出了主動約束層阻尼的概念，它的基本思想是用可控的壓電智能材料代替不可控的約束層，通過施加控制電壓使約束層主動控制黏彈性材料的剪切變形，實現(xiàn)主動的結(jié)構(gòu)振動控制。它將主動控制與被動約束完美地結(jié)合，既具有主動控制附加質(zhì)量小、可控頻率寬、響應速度快和低頻控制效果好的優(yōu)點，又具有被動控制安全可靠的特點。

ACLD結(jié)構(gòu)基本類型

由于壓電材料性能穩(wěn)定、能耗低、頻帶寬、剛度大、易于操作、響應快、電場與應變場近似線性，因此，絕大多數(shù)ACLD結(jié)構(gòu)用壓電材料作執(zhí)行器。根據(jù)壓電驅(qū)動器的位置，可將ACLD結(jié)構(gòu)分為三類：

（1）壓電驅(qū)動器直接代替被動約束層。這是一類最基本的ACLD結(jié)構(gòu)，通過控制壓電驅(qū)動器的變形可以增加黏彈性材料的剪切變形，以耗散更多的能量。此類ACLD結(jié)構(gòu)得到了廣泛的研究。盡管壓電驅(qū)動器增加了黏彈性材料的剪切變形，但是卻減少了壓電驅(qū)動器對結(jié)構(gòu)的直接控制力。因此，該類結(jié)構(gòu)能否比主動控制效果更好的關鍵是黏彈性材料耗散的能量是否比直接控制耗散的能量更多。

（2）壓電驅(qū)動器粘貼在被動約束層上。壓電驅(qū)動器通過控制約束層的變形，增加黏彈性材料的剪切變形。由于約束層的彈性模量遠遠大于黏彈層，因此，約束層的變形遠遠小于第一類ACLD中的黏彈性材料的變形。這樣一方面降低了黏彈性材料的剪切變形，另一方面增加了壓電驅(qū)動器對基體結(jié)構(gòu)的直接控制力所做的負功。

（3）壓電驅(qū)動器直接代替約束層，且在黏彈層和基體之間又增加了一層壓電層，增加的壓電層既可以作為壓電傳感器，又可以作為壓電驅(qū)動器。

ACLD結(jié)構(gòu)動力學建模

ACLD結(jié)構(gòu)的動力學建模主要完成約束層、阻尼層、基體結(jié)構(gòu)以及整體結(jié)構(gòu)數(shù)學模型的建立。由于黏彈性阻尼材料的力學本構(gòu)關系受結(jié)構(gòu)振動頻率、振動幅值以及環(huán)境溫度等因素的影響較大，因此，對其建立合理的模型是進行ACLD整體結(jié)構(gòu)建模的關鍵。建立結(jié)構(gòu)的動力學模型是研究結(jié)構(gòu)的動力學特性及對結(jié)構(gòu)進行改進的基礎。對于ACLD整體結(jié)構(gòu)的建模方法可歸納為解析法、數(shù)值法和實驗法等。

有限元方法是建立結(jié)構(gòu)動力學模型的最有效的方法，只有與有限元方法相兼容的黏彈性材料模型才能用于實際工程應用。對于復雜的大型柔性結(jié)構(gòu)等階數(shù)較高的模型進行控制器設計時，控制器的成本和復雜性隨受控對象階數(shù)的增加會大幅提高，因此，有必要對模型進行降階。在保證模型主要特征的前提下，通過模型降階可以使高階復雜模型變成一個低階的模型。在現(xiàn)代控制理論中，從系統(tǒng)的可控性、可觀性出發(fā)，利用一些降階方法將那些不可觀、不可控的模態(tài)剔除，可實現(xiàn)模型的降階。比較成熟的方法有矩量匹配法、Pade逼近法、Rout逼近法、誤差極小化法、攝動法以及集結(jié)法等。在振動主動控制理論中采用的模型降階方法主要有：質(zhì)量凝結(jié)法（Mass Condensation）、平衡降階法（Balanced Reduction）、代價分析法（Cost Analysis）、最優(yōu)投影法（Optimal Projection）。

ACLD的控制策略

主動約束層阻尼技術的基本思想是用可控的壓電材料代替被動約束層阻尼結(jié)構(gòu)中不可控的約束層，通過對約束層施加控制電壓主動地控制黏彈性材料的剪切變形，從而實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)振動的有效控制。因此，如何給約束層提供控制信號以及提供什么樣的約束信號，即控制策略，成為ACLD結(jié)構(gòu)振動控制的重要研究內(nèi)容之一，常用的控制方法有常系數(shù)比例/微分（PD）控制、邊界控制、線性二次最優(yōu)控制、魯棒控制等。

ACLD系統(tǒng)模型的優(yōu)化設計

由于ACLD結(jié)構(gòu)中，黏彈性阻尼層以及約束層的厚度、大小和在基體結(jié)構(gòu)上的位置可以有許多不同的組合形式，每一種組合都會產(chǎn)生不同的作用效果，因此，如何能以最輕的重量、最小的控制代價獲得最優(yōu)的振動控制能量耗散特性則是進行ACLD結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計的主要目標。目前，ACLD結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計主要圍繞著控制增益，ACLD的厚度、長度和在基體結(jié)構(gòu)上的位置進行。工程上從經(jīng)濟適用方面考慮，希望采用盡可能少的作動器。因此，將作動器配置在最優(yōu)位置具有重要的實用價值。國內(nèi)外學者已提出了多種作動器位置優(yōu)化準則，如性能指標期望最小準則、控制能量最小準則、最優(yōu)控制代價最小準則、模態(tài)坐標提取進度準則和輸出可控度準則等。這些優(yōu)化方法多數(shù)是建立在系統(tǒng)狀態(tài)空間方程基礎上。

結(jié)論

ACLD振動控制技術是一種可行的新型阻尼技術和混合控制方案，它將被動約束層阻尼技術的可靠穩(wěn)定性與主動阻尼技術的高效可控充分地結(jié)合在一起，具有更高的能量耗散特性且適用于更寬的頻率和溫度變化范圍。作為當前振動控制研究的重要方向之一，ACLD的結(jié)構(gòu)建模、控制和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究正在不斷深入，并且推動該技術被逐漸應用于實際工程領域當中?？偨Y(jié)已經(jīng)取得的研究成果，ACLD結(jié)構(gòu)的研究和應用還有待完善，仍有許多問題需要進一步的研究探討。

（1）整體建模。結(jié)合在利用有限元方法對ACLD整體結(jié)構(gòu)進行建模時，往往認為約束層、阻尼層以及基體在同一截面任一點的橫向位移相同，忽略阻尼層可能發(fā)生厚度變形。

（2）控制策略。由于ACLD中黏彈阻尼層受環(huán)境影響大，因此需要發(fā)展更合適的控制策略，如魯棒控制、智能控制等，以克服和解決模型建立的不確定性以及外部干擾的影響。

（3）結(jié)構(gòu)優(yōu)化。在ACLD結(jié)構(gòu)中，各層材料的模量、厚度、泊松比以及在基體結(jié)構(gòu)上的位置、尺寸、是否離散等可以有不同的組合形式，而每一種不同的組合都會對應產(chǎn)生不同的作用效果。這是一個多參數(shù)多目標的優(yōu)化問題，需要進一步結(jié)合先進的優(yōu)化方案進行研究。 ■