CN115848613A - 一种分布式无缝主动柔性机翼 - Google Patents
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Abstract
本发明设计一种分布式无缝主动柔性机翼。该机翼由多段独立的翼段组成,各翼段可独立分布式地改变弯度,每个独立的变弯度翼段由舵机、分段铰接翼肋、滑动蒙皮组成。且相邻的两个翼段之间由柔性薄膜连接,使得分布式变弯度翼段间的变形连续光滑。相较于传统客机机翼,本发明采用了分布式主动柔性变形的方案,通过各翼段的独立的柔性变形,实现了传统襟翼、副翼的功能,减小了机翼的机构复杂度,减轻了机翼重量;另一方面由于机翼整体无缝隙,在舵面作动时不会产生间隙,避免了由间隙产生的气流分离,提高了气动效率,同时减弱了气动噪声,是未来一种十分有潜力的无缝操纵舵面的方式。
Description
技术领域
本发明属于飞机设计技术领域,具体涉及一种分布式无缝主动柔性后缘机翼。
背景技术
客机的机翼是产生升力的主要部件,其需要满足巡航时的高升阻比需求,起飞时的高升力需求,降落时的高升力、高阻力需求。为满足这些需求,刚性机翼上布置了低速副翼、高速副翼、襟翼、缝翼、减速板等部件。这些部件只在特定工况下工作的,在不同的飞行工况下,总是有些部件不会有作用,故造成了死重。
主动柔性机翼的变形方案主要有展向变形、弦向变形、扭转变形、平面形状变形这四种。展向变形可以改变上反角与翼展,可以改变飞机的稳定性和升阻比;弦向变形改变控制翼剖面上的翼型弯度,仅凭借弦向变形满足飞机飞行时不同工况下的需求;扭转变形改变各翼剖面的扭转角;平面形状变形改变翼面积、后掠角等。
弦向变形是其中一种具备很大潜力的方向。现今大部分的弦向变形柔性机翼存在如下问题:
1、各翼段之间没有过渡,当各翼段变形程度不同则会产生缝隙,造成气流分离使得飞机升阻特性变差。
2、机翼不规则变形增大气动噪声。
因此有必要提出一种弦向变形的分布式无缝主动柔性机翼。
发明内容
根据本发明的一个方面,提供了一种具有分布式无缝后缘的机翼,其特征包括:
翼梁、翼肋、蒙皮、操纵机构、翼段过渡结构。
所述翼梁是机翼的主承力部件,共有两个都由木质层板制成。第一翼梁布置于30%弦长处,第二翼梁布置于50%弦长处。为连接左右两侧的机翼,本发明使用一根矩形碳管穿过左右机翼内侧翼段的翼肋。
所述翼肋分为前后两段,前段为刚性翼肋,设有舵机安装孔;后段为柔性翼肋,柔性翼肋下缘与后翼梁粘接。所述柔性翼肋上下缘之间设有同时与二者铰接的支柱,在不影响柔性翼肋变弯的同时,保证翼肋不会发生塌陷。每个翼段的柔性后缘包含三个所述柔性翼肋。中间柔性翼肋受舵机驱动,带动左右两个柔性翼肋变弯度。这三个柔性翼肋分别在柔性后缘前端和后端开两个圆孔,第一连杆、第二连杆分别穿插在翼肋前端和后端的圆孔中。这样保证了翼段整体的变形协调。
所述蒙皮,用于维持气动外形,由翼肋支撑。每侧机翼的前半部分覆盖了木质蒙板和热缩蒙皮,而后半部分每个翼段分别在柔性后缘机构的表面覆盖一块PET柔性蒙皮,下表面的PET柔性蒙皮粘接于蒙皮支撑装置底部,上表面的PET柔性蒙皮前端固定于蒙皮滑槽内并允许沿弦向发生滑动。
所述操纵机构用于驱动后缘改变弯度。在一些实施例中,所述操纵机构包括舵机和连杆。每个翼段中有一个舵机,舵机用螺栓安装在中间翼肋的舵机安装孔上,舵机的驱动力通过一个连杆被传递给柔性后缘机构的中间连接点,使整个柔性后缘改变弯度。
翼段过渡结构。相邻两个翼段以及翼段和端板之间都由硅胶薄膜连接。硅胶薄膜与PET柔性蒙皮采用硅胶专用胶水粘接。
后缘每个翼段能够独立变形且机翼表面光滑连续的机理如下:
由于每个翼段各安装有一个舵机,该舵机可被单独控制,且硅胶薄膜能承受大幅度变形,故每个翼段可独立变形而不受其他翼段限制。
相邻翼段之间,翼段与端板之间由硅胶薄膜连接。当翼段在上、下极限位置之间变形时,硅胶薄膜产生相应的形变以保持机翼表面光滑连续。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的柔性机翼的内部结构;
图2是根据本发明的一个实施例的柔性机构;
图3是根据本发明的一个实施例的蒙皮布置;
图4是根据本发明的一个实施例的柔性机构的作动范围。
附图说明标记
具体实施方式
以下结合附图详细说明本发明的实施例柔性机翼的内部结构。
图1是根据本发明的一个实施例的柔性机翼的内部结构。前翼梁(11)、后翼梁(12)是机翼主要承受弯矩的部件,用2mm椴木层板制作。翼盒(3)是机翼主要承受扭矩的部件。
碳方管(21)***两侧机翼内侧翼段的外侧刚性翼肋方孔(4111)、中间刚性翼肋方孔(4121)、侧刚性翼肋方孔(4131)内,用第一螺栓(22)和第二螺栓(23)锁紧。
使用胶水将外侧翼肋连接区域(4011)、中间翼肋连接区域(4021)、内侧翼肋连接区域(4031)与后翼梁(12)粘接。
每个翼段有三个柔性翼肋,外侧柔性翼肋(401),中间柔性翼肋(402),内侧柔性翼肋(403);三个刚性翼肋,外侧刚性翼肋(411),中间刚性翼肋(412),内侧刚性翼肋(413)。三个柔性翼肋安装有前连杆(51),维持柔性翼肋前部的协调变形;同样的安装有后连杆(52),维持柔性翼肋后部的协调变形。
图2是根据本发明的一个实施例的柔性机构。第一支柱(711)、第二支柱(712)、第三支柱(713)分别用插销铰接于柔性翼肋的第一对耳片(701)、第二对耳片(702)、第三对耳片(703)。中间刚性翼肋(412)设有舵机安装孔(4122),舵机(61)安装在舵机安装孔(4122)上。驱动拉杆(63)连接在舵臂(62)和驱动拉杆连接孔(64)上。
PET蒙皮(42)覆盖于柔性后缘机构的表面。上下表面的PET蒙皮(42)分别粘接于外侧柔性翼肋(401)、中间柔性翼肋(402)、内侧柔性翼肋(403)、第二翼梁(12)的顶部、底部。上表面未粘接的PET蒙皮(42)放置于蒙皮滑槽(43)内,可以沿弦向发生滑动。当中间柔性翼肋(402)在驱动连杆(63)的带动下发生变形时,外侧柔性翼肋(401)、内侧柔性翼肋(403)跟随中间柔性翼肋(402)一起变形。机翼下表面的PET蒙皮跟随柔性翼肋共同变弯,机翼上表面的PET蒙皮(42)在变弯的同时沿着蒙皮滑槽(43)滑动。每个翼段的变形由一个独立控制的舵机来决定。
图3是根据本发明的一个实施例的蒙皮布置。每侧机翼有三个翼段分别为,外侧翼段(81)、中间翼段(82)、内侧翼段(83)。翼尖端板(91)、翼根端板(92)由碳板切割而成。
PET蒙皮由0.2mm厚度PET薄膜裁剪而成,用白乳胶粘接在柔性翼肋和后翼梁上(12)。热缩蒙皮覆盖在翼盒(3)上。
0.1mm厚度的硅胶蒙皮用硅胶专用胶水粘接在相邻翼段、翼段与端板之间。因为硅胶蒙皮具有很好的弹性。实验中只要舵机偏角在±30°范围内,整个机翼都可以协调地变形。
图4是根据本发明的一个实施例的柔性机构的作动范围。在舵机(61)偏角为0°时,每个翼段的翼型都是NACA4412。当舵机(61)偏角为上极限角度时,柔性后缘弯度上弯到最大程度即上极限位置;当舵机偏角(61)为下极限角度时,柔性后缘弯度下弯到最大程度即下极限位置。
后缘每个翼段能够独立变形且机翼表面光滑连续的机理如下:
由于每个翼段各安装有一个舵机,该舵机可被单独控制,且硅胶薄膜能承受大幅度变形,故每个翼段可独立变形而不受其他翼段限制。
相邻翼段之间,翼段与端板之间由硅胶薄膜连接。当翼段在上、下极限位置之间变形时,硅胶薄膜产生相应的形变,始终保持机翼表面光滑连续。
本发明的有益效果主要体现在:
相较于主流的刚性机翼,本发明的柔性机翼没有副翼、襟翼等机构,故有着更小的机构复杂度。
每个翼段在变形过程中保持表面光滑连续,相邻翼段、翼段与端板之间的硅胶蒙皮同样保持光滑连续。相较于主流的刚性机翼,本发明的柔性机翼更不易发生气流分离,有着更小的气动噪声。
通过调整各翼段柔性后缘的弯度可以达到在不同飞行速度、高度下的最大升阻比,故本发明的柔性机翼可以使飞机的飞行包线范围更大。
Claims (3)
1.一种具有分布式无缝柔性后缘的机翼,其主要特征包括:
前翼梁(11)、后翼梁(12)、是机翼的主要承受弯矩的部件,用2mm椴木层板制作。前缘翼盒(3)是机翼主要承受扭矩的部件。
碳方管(21)***两侧机翼内侧翼段的外侧刚性翼肋方孔(4111)、中间刚性翼肋方孔(4121)、侧刚性翼肋方孔(4131)内,用第一螺栓(22)和第二螺栓(23)锁紧。
使用胶水将外侧翼肋连接区域(4011)、中间翼肋连接区域(4021)、内侧翼肋连接区域(4031)与后翼梁(12)粘接。
每个翼段有三个柔性翼肋,外侧柔性翼肋(401),中间柔性翼肋(402),内侧柔性翼肋(403);三个刚性翼肋,外侧刚性翼肋(411),中间刚性翼肋(412),内侧刚性翼肋(413)。三个柔性翼肋安装有前连杆(51),维持柔性翼肋前部的协调变形;同样的安装有后连杆(52),维持柔性翼肋后部的协调变形。
第一支柱(711)、第二支柱(712)、第三支柱(713)分别用插销铰接于柔性翼肋的第一对耳片(701)、第二对耳片(702)、第三对耳片(703)。中间刚性翼肋(412)设有舵机安装孔(4122),舵机(61)安装其上。驱动拉杆(63)连接在舵臂(62)和驱动拉杆连接孔(64)上。
PET蒙皮(42)覆盖于柔性后缘机构的表面。上下表面的PET蒙皮(42)分别粘接于外侧柔性翼肋(401)、中间柔性翼肋(402)、内侧柔性翼肋(403)、第二翼梁(12)的顶部、底部。上表面未粘接的PET蒙皮(42)放置于蒙皮滑槽(43)内,其可以沿弦向发生滑动。当中间柔性翼肋(402)在驱动连杆(63)的带动下发生变形时,外侧柔性翼肋(401)、内侧柔性翼肋(403)跟随中间柔性翼肋(402)一起变形。机翼下表面的PET蒙皮跟随柔性翼肋共同变弯,机翼上表面的PET蒙皮(42)在变弯的同时沿着蒙皮滑槽(43)滑动。每个翼段的变形由一个独立控制的舵机来决定,这给控制器提供了六个自由度。
每侧机翼有三个翼段分别为,外侧翼段(81)、中间翼段(82)、内侧翼段(83)。翼尖端板(91)、翼根端板(92)由碳板切割而成。
PET蒙皮由0.2mm厚度PET薄膜裁剪而成。其,用白乳胶粘接在柔性翼肋和后翼梁上(12)。热缩蒙皮覆盖在翼盒(3)上。
硅胶蒙皮用硅胶专用胶水粘接在相邻翼段、翼段与端板之间。因为硅胶蒙皮具有很好的弹性。实验中只要舵机偏角在±30°范围内,整个机翼都可以协调地变形。
2.根据权利要求1所述的机翼,其特征在于:
每个翼段变形时不受其他翼段的变形限制,变形范围见图4。每个翼段中有三个柔性翼肋,舵机驱动中间的柔性翼肋。为实现三个柔性翼肋的相同变形,用两根碳圆管连接三个柔性翼肋。
机翼半展长933mm,外端板与外侧翼段、内端板与内侧翼段之间的硅胶蒙皮宽度48.5mm,翼段之间的硅胶蒙皮宽度93mm,翼段后缘PET蒙皮宽度216mm。PET蒙皮厚0.2mm,硅胶蒙皮厚0.1mm。经试验,如此布置硅胶蒙皮和PET蒙皮恰好可以使得各种变形情况下的机翼都可以保持表面光滑,并且硅胶蒙皮面积占比最小。
用硅胶专用胶水实现硅胶蒙皮和PET蒙皮柔性粘接,并且在粘接时对硅胶蒙皮施加适当的预紧力。如此提高了硅胶蒙皮的面外刚度,并保持硅胶蒙皮表面平整。
3.根据权利要求1所述的机翼,其特征在于:
气动扭转:通过改变机翼弯度分配不同翼段上的升力,近似得到椭圆升力分布,减小诱导阻力。
扩展飞行包线:在一定飞行高度、速度下选择合适的弯度以提高升阻比。
对增升装置的替代:在起降时,增大各个翼段弯度做到增升的作用。其中内侧翼段的弯度较外侧翼段的更大,这样减小了翼根弯矩。
对高速副翼和低速副翼的替代:在高速飞行时,飞机依赖内侧翼段的变形调整滚转角;而在低速飞行时,则依赖外侧的翼段的变形调整滚转角。
实现这些功能的方法:预先设定起飞、降落、巡航、机动等工况下与之匹配的,飞行中根据飞行工况切换。
(a为副翼舵量,v为空速,为滚转角,为舵机偏角)。
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CN202210402950.1A CN115848613A (zh) | 2022-04-18 | 2022-04-18 | 一种分布式无缝主动柔性机翼 |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN117864381A (zh) * | 2024-02-18 | 2024-04-12 | 中国航空研究院 | 一种气动和噪声综合寻优的柔性连续变弯混合增升装置 |
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2022
- 2022-04-18 CN CN202210402950.1A patent/CN115848613A/zh active Pending
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