CN112550664A - 一种基于形状记忆合金驱动的可变弯度机翼结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于形状记忆合金驱动的可变弯度机翼结构,属于航空装备技术领域。机翼结构主要包括被柔性蒙皮包敷的柔性后缘结构1和前缘刚性段2；所述柔性后缘结构1为多个刚性段4依次铰接的方式构成，其与前缘刚性段2整体形成近似仿恐龙尾骨结构；柔性后缘结构的上下翼面在沿翼型弦向方向上均有合金丝。当柔性后缘结构1上翼面的形状记忆合金丝组被加热时，其长度变短，整个柔性后缘结构1产生向上变形；反之产生向下变形。本设计机翼结构简单，具有功重比较大的特点，可以主动地进行翼型变化，获得最佳气动特性；机翼能够获得不同的气动特性；采用模块化组装设计，大大节省机翼内部空间。

Description

一种基于形状记忆合金驱动的可变弯度机翼结构

所属领域

本发明属于航空装备技术领域，涉及双程形状记忆合金(SMA)驱动的可变形柔性机翼结构。

现有技术

目前，变形机翼已经成为未来先进航空飞行器的重要特征和发展方向。与固定式机翼不同，变形机翼可以根据不同的飞行任务和飞行环境条件改变机翼形状进而获得最优的飞行性能。此前有文献中提出的一种鱼骨式柔性后缘，其特点采用柔性材料作为主承力结构的后缘设计，翼型主体部分具有结构简单，易于加工的特点，后缘靠间隔的支撑肋板的长度过渡来贴合整体机翼的气动外形。但是该翼型由于后缘结构与致动器的配合关系，使得该翼型整体支撑结构往往难以进行设计，因此也难以在保持一定支撑能力的前提下进行柔性蒙皮的集成，并且前缘结构无法抵抗后缘整体梁、另一侧致动器以及蒙皮变形带来的阻力，偏转效果不佳。

因此，本设计拟采用一种多段关节铰接式的多关节机翼后缘结构以满足在变化的飞行环境中能够始终保持良好飞行性能的要求

发明目的

飞行器的飞行环境是连续变化的，气动参数也是连续变化，而传统固定式机翼飞行器只能够在特定环境下达到最佳飞行效率，无法适应多变的环境变化。

变形机翼飞行器能够利用智能材料或其他驱动器，根据飞行环境和飞行任务的变化，相应地改变机翼外形，改善飞机的气动特性和操纵性能，增升减阻，增大航时与航程，减少或消除抖振、颤振及涡流干扰等影响，使飞机能够更高效地完成多种飞行任务。

本设计为了能够满足飞行器在不同飞行环境和飞行任务条件下依然能够具备最佳气动性能，通过使用新型智能材料形状记忆合金(SMA)驱动机翼，使翼型柔顺、平滑、自主地改变来改善其气动特性，具备无缝、体积小、重量轻、响应快等优良特性，能出色地适应不同的飞行条件、更高效地完成各种飞行任务。

发明内容

为了解决传统翼型结构的种种缺陷问题，本发明的主要目的是利用双程形状记忆合金设计一种可变性机翼结构，旨在解决飞行器在不同飞行条件下无法保持最佳气动性能的问题。

为了实现上述目的，本发明设计的双程形状记忆合金驱动的变形机翼结构主要包括被柔性蒙皮包敷的柔性后缘结构1和前缘刚性段2；

所述柔性后缘结构1为多个刚性段4依次铰接的方式构成，其与前缘刚性段2整体形成近似仿恐龙尾骨结构；从前缘刚性段2到柔性后缘结构1的各刚性段4，遵循尺寸依次变小的方式，使得整个机翼形成一光滑翼面；

所述柔性后缘结构1的每个刚性段4结构特征为：其主体为一长方壳体，每个刚性段与上一相邻刚性段相邻的面上向外突出一前端凸块10，其与下一相邻刚性段的一面则缺失，使得刚性段长方壳体内部空腔刚好容纳下一相邻刚性段的前端凸块10；每个刚性段与下一相邻刚性段的前端凸块10之间通过贯通的圆柱销12连接，形成多个刚性段依次铰接的方式；在刚性段壳体的上下两个内壁面上，开有沿翼展方向的多条互相平行的细槽9，每个刚性段4的细槽9尺寸和位置相应，使得所有刚性段4依次铰接后，其细槽9依次连通为贯穿整个柔性后缘结构的多条通槽，相应根数的多条形状记忆合金丝置于所述多条通槽内，合金丝固定于柔性后缘结构沿翼型弦向方向的合金丝固定端5。

工作时，当柔性后缘结构1上翼面的形状记忆合金丝组被加热时，由于温度效应，其长度变短，由于下翼面的形状记忆合金丝组的存在，整个柔性后缘结构1产生向上变形；反之，当柔性后缘结构1下翼面的形状记忆合金丝组被加热时，下翼面合金丝受热收缩，由于下翼面的形状记忆合金丝组的存在，整个柔性后缘结构1会产生向下变形。

为了使所述变形机翼结构更好地模块化装配，可以将多组以上变形机翼结构在翼型展向方向上设置模块化装配结构构成(图5)。

为了使所述变形机翼结构在变形时产生更小阻力，可以在柔性后缘结构1到前缘刚性段2之间增加换向结构(图6)，使得机翼向上或向下变形时，增加下侧或上侧弦长。

本发明的优点在于：

1.本设计可变弯度机翼的结构相对传统机翼结构简单，同时形状记忆合金作为驱动器，具有功重比较大的特点，可以主动地进行翼型变化，获得最佳气动特性。

2.由合金丝驱动的可变弯度机翼是通过对形状记忆合金丝的反馈控制***来实现对机翼形状的定量改变，使机翼能够获得不同的气动特性。

3.采用模块化组装设计，大大节省机翼内部空间。

发明的效果

本设计翼型可在无风载条件下，以翼尖中心线参考可实现偏转15度以上的目标，以第一节轴心固定点作为偏转参考点，则可偏转极限角度约10度。极限偏转时间约为4秒，回复时间约为7秒。

附图说明

图1为实施例中可变弯度机翼结构主动段结构示意图；

图2为实施例中柔性后缘结构示意图；

图3为实施例中后缘单个关节结构示意图；

图4为实施例中柔性蒙皮示意图；

图5为实施例中机翼结构展向主-被-主结构示意图；

图6为实施例中提供的用于双向可变后缘机翼的换向机构结构示意图。

图中，1-柔性后缘结构、2-前缘刚性段、11-柔性蒙皮。

具体实施例

下面结合附图与具体实施方法对本发明进一步说明。

本实施例中的双程形状记忆合金驱动的变形机翼结构主要包括被柔性蒙皮包敷的柔性后缘结构1和前缘刚性段2；

所述柔性后缘结构1包括为8个刚性段4依次铰接的方式构成，其与前缘刚性段2整体形成近似仿恐龙尾骨结构；从前缘刚性段2到柔性后缘结构1的各刚性段，遵循尺寸依次变小的方式，使得整个机翼形成一光滑翼面；

所述柔性后缘结构1的每个刚性段4结构特征为：其主体为一长方壳体，每个刚性段与上一相邻刚性段相邻的面上向外突出一前端凸块10，其与下一相邻刚性段的一面则缺失，使得刚性段长方壳体内部空腔刚好容纳下一相邻刚性段的前端凸块10；每个刚性段与下一相邻刚性段的前端凸块10之间通过贯通的圆柱销12连接，形成多个刚性段依次铰接的方式；在刚性段壳体的上下两个内壁面上，开有沿翼展方向的10条互相平行的细槽9，每个刚性段的细槽尺寸和位置相应，使得所有刚性段依次铰接后，其细槽9依次连通为贯穿整个柔性后缘结构的10条通槽，10条形状记忆合金丝置于所述10条通槽内，它们的两端分别固定于柔性后缘结构1沿翼型弦向方向的合金丝固定槽5。本实施例中采用的形状记忆合金丝直径为0.15mm，根据测试单根丝可提供的拉力约为2N。

为了使所述变形机翼结构更好地模块化装配，本实施例将3组以上变形机翼结构在翼展方向上设置互相匹配的凸块8和凹槽，形成模块化装配。实际使用中，中间的一组变形机翼结构未使用形状记忆合金丝，仅仅是铰接刚性段结构，其两侧的两组变形机翼结构则为提供了形状记忆合金丝驱动的铰接刚性段结构，使得机翼形成主动14、被动13、主动14的模块化连续组装方式。

为了使所述变形机翼结构在变形时产生更小阻力，本实施例在前缘刚性段到柔性后缘结构增加换向结构(图6)，使得机翼向上或向下变形时，增加下侧或上侧弦长。该换向机构主要包括上滑片15、下滑片16、电磁铁安装块17、弹簧预紧过渡块18和弹簧组、限位块19；所述上滑片15和下滑片16平行对应安装，上滑片15和下滑片16的上分别有上卡槽20和下卡槽21；所述电磁铁安装块17内部安装有一种微型自保持式推拉电磁铁，整个电磁铁安装块介于上滑片15和下滑片16之间，微型自保持式推拉电磁铁控制一铁芯卡销在上卡槽20或下卡槽21内转换；

所述与机翼相连的弹簧预紧过渡块和变形段连接处的侧壁上分别开有上下两个槽，当两者对接时候，所述的两个槽分别对接形成上、下通槽22；

换向机构安装好以后，固定于机翼固定段和变形段连接处的壳体内部，且换向机构的上滑片15和下滑片16分别在机翼固定段和变形段形成的上、下通槽22内可自由滑动；换向机构弹簧组包括5根平行对称分布的弹簧，它们的一端固定于上滑片15或下滑片16的端面，另一端通过弹簧预紧过渡块18固定于机翼固定段内部，用来提供一定的预紧力，抵消变形段通过滑片传递到电磁铁锁定销的侧向作用力，从而提高换向机构的稳定性；换向机构限位块19置于机翼变形段前端，其保证上滑片15和下滑片16在翼展方向的滑动限位。

若需要机翼后缘向上偏转，首先通过给控制下侧滑片的电磁铁通电释放电磁铁铁芯卡销，使下侧滑片处于可自由滑动状态，然后对上侧排布的形状记忆合金丝进行加热，此时合金丝会产生形变，提供一定的驱动力来驱动机翼后缘向上偏转，由于下侧机翼弦长相对增加，会带动下侧未锁滑片滑动，从而完成机翼后缘向上偏转的动作；向下偏转时，首先通过给控制上侧滑片的电磁铁通电释放电磁铁铁芯卡销，使上侧滑片处于可自由滑动状态，给控制下侧滑片的电磁铁反向通电弹出铁芯卡销锁死下侧滑片，然后对下侧排布的形状记忆合金丝进行加热，此时合金丝会产生形变，提供一定的驱动力来驱动机翼后缘向下偏转，由于上侧机翼弦长相对增加，会带动上侧未锁滑片滑动，从而完成机翼后缘向下偏转的动作。

Claims (3)

1.双程形状记忆合金驱动的变形机翼结构，主要包括被柔性蒙皮包敷的柔性后缘结构1和前缘刚性段2；其特征在于：

所述柔性后缘结构1为多个刚性段4依次铰接的方式构成，其与前缘刚性段2整体形成近似仿恐龙尾骨结构；从前缘刚性段2到柔性后缘结构1的各刚性段4，遵循尺寸依次变小的方式，使得整个机翼形成一光滑翼面；

所述柔性后缘结构1的每个刚性段4结构特征为：其主体为一长方壳体，每个刚性段与上一相邻刚性段相邻的面上向外突出一前端凸块10，其与下一相邻刚性段的一面则缺失，使得刚性段长方壳体内部空腔刚好容纳下一相邻刚性段的前端凸块10；每个刚性段与下一相邻刚性段的前端凸块10之间通过贯通的圆柱销12连接，形成多个刚性段依次铰接的方式；在刚性段壳体的上下两个内壁面上，开有沿翼展方向的多条互相平行的细槽9，每个刚性段4的细槽9尺寸和位置相应，使得所有刚性段4依次铰接后，其细槽9依次连通为贯穿整个柔性后缘结构的多条通槽，相应根数的多条形状记忆合金丝置于所述多条通槽内，合金丝固定于柔性后缘结构沿翼型弦向方向的合金丝固定端5。

2.一种如权利要求1所述的双程形状记忆合金驱动的变形机翼结构，其特征在于，在所述柔性后缘结构1到前缘刚性段2之间增加换向结构，使得机翼向上或向下变形时，增加下侧或上侧弦长。

3.双程形状记忆合金驱动的变形机翼结构，其特征在于，将多组如权利要求1所述的变形机翼结构在翼型展向方向上设置模块化装配结构构成。

Images