飞行器流场特性感知在结构外形优化、气动载荷和升阻力测量、飞行状态预测和结构健康监测等方面有极其重要的作用，并广泛应用于大型风洞测量、无人预警机、变体飞行器、航天飞行器等航空航天系统的感知与检测中。你能想象为飞行器穿上一层轻薄的“智能皮肤”吗？既能为飞行器提供丰富的表面流场信息，又能监测自身结构的健康状况。而问题的关键在于，要在飞行器复杂曲面上集成各种不同功能的大规模传感器，开发多通道、多参量的数据采集和处理系统，为飞行器收集并提供丰富的信息，实现气动载荷大数据分析、多物理场测量和自主意识生成。
图1 传统测量方式和飞行器柔性智能蒙皮测量方式的对比
近日，华中科技大学机械学院黄永安教授团队针对飞行器柔性智能蒙皮测量技术的关键难题进行攻关，取得突破性进展，首创了大面积柔性智能蒙皮传感/测量系统、大规模多元数据采集系统、大数据分析与显示系统，相关成果在期刊《Nano Energy》上发表了题为”Bio-Inspired, Intelligent Flexible Sensing Skin for Multifunctional Flying Perception”的研究论文（论文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106550）。飞行器柔性智能蒙皮可以直接贴附在结构表面，可实现大规模和多功能传感器的集成，避免了传统测量方式需要打孔、破坏了结构的整体性、引线和管道复杂等不足，并显著降低了测量系统的负载。
生物体皮肤中分布着各种各样的感受器和神经末梢，丰富了我们对外界环境的感受性，同时也监测着我们身体的健康状况。本文受鸟类感知功能的启发，开发了一种多功能的飞行器电子皮肤（柔性智能蒙皮，iFlexSense），集成了近百个传感器，既能感知外部流场环境（表面风压、气流脉动、壁面剪应力和温度等），同时又能监测内部结构的健康状况（应变、撞击等）。通过原位集成的ADC电路和开发的多物理量（电压、电容和电阻）、多通道采集系统，能够稳定且高速地将传感信号传输到计算机，结合人工智能的算法实现结构撞击的定位，流动现象的监测（气流分离）和飞行状态的预测（失速、颤振）。不同类型的传感器从不同的方面反映了流场的变化，采用多传感器数据融合的方法，各种传感器之间互相验证、互相补充，提高了气动载荷判断与预测的准确性和鲁棒性。该柔性智能蒙皮能够赋予物体气动感知、自主意识和自诊断的能力，有望应用在飞行器、高铁和水下潜航器等领域。
图2 飞行器柔性智能蒙皮：集成有表面风压、压电、壁面剪应力、温度和应变传感器，能够感知外部多种流场变化，并监测内部结构健康状况，实现像鸟一样的“Fly-by-Feel”飞行。
一系列的风洞试验（共561组风速和攻角条件）表明，该飞行器柔性智能蒙皮具有较高的灵敏度和测量精度，能够清楚地识别机翼1°的攻角变化，并且与商用传感器的测量结果非常一致。随着攻角的增大，通过分析表面风压和壁面剪应力的信号幅值和波动，都清楚且一致地捕捉到了气流的分离过程和失速。
图3 飞行器柔性智能蒙皮用于气流感知。（a）贴附在机翼上感知在一系列变化攻角和风速条件下的气流变化。（b）（c）表面风压的实时变化，并与商用传感器对比。（d）表面风压和壁面剪应力从不同方面反映气流分离现象。（e）i）失速分析示意图。ii）~v）不同攻角和风速下测量的压力分布云图。（f）失速攻角分析。
在流场环境中，压电传感器的信号来源于两部分：（1）压力的脉动；（2）气流诱导的结构颤振。在70m/s风速下，随着攻角的逐渐增大，压电传感器的信号来源逐渐从压力脉动占主导，过渡为结构颤振占主导。这说明在12°攻角后，气流的分离导致机翼明显的颤振，直到17°达到最大。在22°之后发生完全失速，颤振慢慢减缓。通过频谱分析，解耦了这两部分的信号，PSD 分析也很好地解释了上述过程。
图4 集成的压电传感器在70m/s风速下的气流感知。（a）压电传感器在流场中的两部分信号来源。（b）时域分析。（c）（d）频域分析。
除了感知外部的流场，监测自身结构的健康状况也是非常重要的。飞行器柔性智能蒙皮上集成了压电传感网络，用于监测并定位机翼上的冲击碰撞。由于压电传感器的信号来源广泛，因此结合柔性智能蒙皮上其他传感器对冲击碰撞的反应综合判断碰撞的发生。引入机器学习算法，通过提取在不同区域碰撞下的压电传感单元的响应特征，训练后能够成功预测机翼上的冲击碰撞位置。
图5 飞行柔性智能蒙皮用于机翼的结构健康监测。（a）通过压电传感阵列进行冲击定位的工作示意图。（b）结合其他传感器判断冲击的发生。（c）气流和冲击诱导的压电信号输出频谱对比。（d）基于机器学习算法的冲击碰撞定位方法的工作原理和结果。
为了加快飞行器柔性智能蒙皮走向航空航天的实际应用，黄永安团队开发了飞行器柔性智能蒙皮系统（iFlexSense），包括多功能集成的柔性智能蒙皮传感/测量系统、大规模多元数据采集系统、大数据分析与显示系统，如图6、7所示。iFlexSense智能蒙皮系统已经用于某大型飞机的风洞测试实验和无人机飞行过程气动载荷测量（如图8、9所示），取得了非常丰富和精确的测量结果。
图6 团队成员展示iFlexSense柔性智能蒙皮
图7 iFlexSense柔性智能蒙皮系统（传感-采集-分析一体化）
图8 iFlexSense柔性智能蒙皮用于某大型飞机风洞试验
图9 iFlexSense柔性智能蒙皮用于无人机气动载荷监测
华中科技大学的博士生熊文楠和朱臣为本文的共同第一作者，黄永安教授为本文的通讯作者。参与该论文的还有南京航空航天大学邱雷教授，华中科技大学杨华教授、厉侃教授、博士生郭栋梁、侯超、徐章宇和硕士生杨朝熙。非常欢迎与大家开展相关领域的研究，共同促进柔性电子技术在航空航天领域的重大应用。
延伸阅读：
《印刷和柔性传感器技术及市场-2020版》
《电子皮肤贴片技术及市场-2021版》
