CN101513932B - 一种可改变刚度的变形机翼蒙皮 - Google Patents
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Abstract
一种可改变刚度的变形机翼蒙皮，它涉及一种变形机翼蒙皮。本发明解决了现有的橡胶类材料的蒙皮受气动载荷的能力差，机翼的整体承载能力低的问题。本发明的多根变刚度增强管(2)平行镶嵌在硅橡胶蒙皮基体(1)内，每个控制阀(3)设置在硅橡胶蒙皮基体(1)的外表面上且与相应的变刚度增强管(2)连通，每根变刚度增强管(2)的两端均为封闭的，所述每个变刚度增强管(2)由复合材料外层(4)和内衬管(5)组成，所述复合材料外层(4)包裹在内衬管(5)的外表面上，所述工作流体(6)填充在内衬管(5)内。本发明的蒙皮受气动载荷的能力强，机翼的整体承载能力高，满足了变形蒙皮大变形的要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种变形机翼蒙皮，属于航空航天技术领域。
背景技术
无论是飞行动物还是人造飞行器，为了执行不同任务(如巡航、盘旋、攻击或逃生等)，或为了满足飞行环境(如高度、速度和气候等)的不同要求，往往需要相应的调整形态，以达到高效能、安全以及任务要求等目的。传统的飞机通过机械装置采用改变机翼外形的办法以适应起降、巡航和高度飞行等不同的飞行状态，力求获得比较理想的性能，改变机翼外形的办法如采用前缘缝翼、后缘襟翼、变后掠角、变翼型弯度或变展长等方法。但传统的飞机的机械装置机构复杂、功能受限、效率较低，难以适应较广范围飞行条件的变化。
近些年来，随着智能材料和复合材料的出现和迅猛发展，为可变形飞行器的发展提供了良好的材料基础。同时，国防现代化对高新武器的需求也对智能变形飞行器的研究起了推动作用。美国国防部高级研究计划局(DARPA)于2003年启动了“可变形飞行器结构(MAS)”计划，该计划明确指出，可变形飞行器要实现机翼面积变化50％以上，机翼后掠角要变化30度以上。相关人士也指出新概念可变形飞行器应该从根本上改变机翼的平面形状，如机翼面积可变化100％。
可变形飞行器可以根据外界的飞行环境来改变自身的气动布局，达到飞行性能最优的目的。可变形飞行器设计中最为重要的是蒙皮的设计。机翼要实现其弦长、展长、后掠角和面积等的大幅度变化，蒙皮必须能够承受足够大的变形，且在变形过程中要有足够的刚度来维持机翼的气动外形，同时在变形过程中蒙皮材料的剪切模量要尽可能的小以减少驱动器对能量的要求。目前，变形机翼研究中最为主要的一种蒙皮采用了橡胶类材料。这种蒙皮虽然满足机翼变形和气密性要求，但承载和变形驱动则完全由机翼内部机构实现。例如Northrop Grumman Corporation的可变后缘采用了蜂窝复合材料结构和硅橡胶蒙皮相结合形式。但由于橡胶类材料的蒙皮承受气动载荷的能力差，所以机翼的整体承载能力低。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的橡胶类材料的蒙皮受气动载荷的能力差，机翼的整体承载能力低的问题，进而提供一种可改变刚度的变形机翼蒙皮。
本发明的技术方案是：一种可改变刚度的变形机翼蒙皮由硅橡胶蒙皮基体、多根变刚度增强管、工作流体和多个控制阀组成，所述多根变刚度增强管平行镶嵌在硅橡胶蒙皮基体内，每个控制阀设置在硅橡胶蒙皮基体的外表面上且与相应的变刚度增强管连通，每根变刚度增强管的两端均为封闭的，所述每个变刚度增强管由复合材料外层、内衬管和工作流体组成，所述复合材料外层包裹在内衬管的外表面上，所述工作流体填充在内衬管内。
本发明具有以下有益效果：本发明的蒙皮结构改善了传统机翼机构复杂、功能受限、效率较低，难以适应较广范围飞行条件的变化的劣势，改善了单纯以橡胶为蒙皮材料带来的承载能力低的缺点，机翼的整体承载能力低，本发明的蒙皮受气动载荷的能力强，机翼的整体承载能力高，满足了变形蒙皮大变形的要求。本发明变刚度前后保持了蒙皮表层的光滑性和连续性，变刚度过程中对驱动能的要求低；本发明的制作工艺简单易操作且成本低廉。本发明不仅可以改变机翼形状，利用本发明的相关技术还可以用于机器人、半自动装载系统、可变翼巡飞弹和舰船潜艇等民用和军用结构系统中，为实现结构系统的安全化、智能化、自适应化提供有力的基础保障，大大地提高了结构系统在工作时的各种性能。
附图说明
图1是本发明的整体结构轴测图，图2是本发明的变刚度增强管的横截面剖视图，图3是复合材料外层中的增强相材料的纤维与变刚度增强管的径向成度角复合于形状记忆聚合物基体相材料中的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1～图2说明本实施方式，本实施方式的一种可改变刚度的变形机翼蒙皮由硅橡胶蒙皮基体1、多根变刚度增强管2和多个控制阀3组成，所述多根变刚度增强管2平行镶嵌在硅橡胶蒙皮基体1内，每个控制阀3设置在硅橡胶蒙皮基体1的外表面上且与相应的变刚度增强管2连通，每根变刚度增强管2的两端均为封闭的，所述每个变刚度增强管2由复合材料外层4、内衬管5和工作流体6组成，所述复合材料外层4包裹在内衬管5的外表面上，所述工作流体6填充在内衬管5内。
具体实施方式二：结合图2～图3说明本实施方式，本实施方式的复合材料外层4由形状记忆聚合物基体相材料和增强相材料组成；所述增强相材料占复合材料外层4总体积的40％～60％；增强相材料的纤维7与变刚度增强管2的径向成0°～90°角复合于形状记忆聚合物基体相材料中。形状记忆聚合物基体相材料(SMP材料)具有一种特殊的记忆功能，当SMP材料被改变为不同形状布局后，SMP材料分子将会重新组构以恢复其初始形状，SMP材料的初始形态，也就是它的″记忆″形状是一种刚性体即高模量形态，本发明所采用的SMP材料具有应变量大(最大能达到200％)、回复应力较大(能达到10MPa量级)、运动稳定性好、可靠性高、低密度、高刚度、高强度和低成本等优点；选用SMP材料和增强相材料作为变刚度增强管2的复合材料外层4具有以下优点：得到了一个各向异性的新型复合材料，较高的横向弹性模量用于限制变刚度增强管2的横向变形，较低的径向弹性模量用于承受变刚度增强管2的径向变形，使变刚度增强管2在径向更加容易变形。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图3说明本实施方式，本实施方式的增强相材料的纤维7与变刚度增强管2的径向成20°～40°角复合于形状记忆聚合物基体相材料中。如此设置，变刚度增强管2的刚度更好。其它组成及连接关系与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：本实施方式的形状记忆聚合物基体相材料是苯乙烯系形状记忆聚合物、环氧树脂系形状记忆聚合物、氰酸酯系形状记忆聚合物、形状记忆聚氨酯、形状记忆聚酯、形状记忆苯乙烯-丁二烯共聚物、形状记忆反式聚异戊二烯或形状记忆聚降冰片烯其中的一种。如此设置，变刚度增强管2的刚度和气密性更好。其它组成及连接关系与具体实施方式二或三相同。
具体实施方式五：本实施方式的增强相材料是碳纤维、玻璃纤维、硼纤维、石墨纤维或碳化硅纤维中的一种。如此设置，变刚度增强管2的刚度和气密性更好。其它组成及连接关系与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：结合图2说明本实施方式，本实施方式的内衬管5由形状记忆聚合物材料(SMP材料)或硅橡胶材料制成。内衬管5选用SMP材料的优点在于：内衬管5在承受变形的基础上极好的保证了其内部流体的气密性，又达到了改变刚度的目的。其它组成及连接关系与具体实施方式一或三相同。
具体实施方式七：结合图2说明本实施方式，本实施方式的内衬管5的形状记忆聚合物是苯乙烯系形状记忆聚合物、环氧树脂系形状记忆聚合物、氰酸酯系形状记忆聚合物、形状记忆聚氨酯、形状记忆聚酯、形状记忆苯乙烯-丁二烯共聚物、形状记忆反式聚异戊二烯或形状记忆聚降冰片烯其中的一种。如此设置，变刚度增强管2的气密性更好。其它组成及连接关系与具体实施方式六相同。
具体实施方式八：结合图2说明本实施方式，本实施方式的工作流体6为弹性模量介于0.1～10Gpa之间的液体。如此设置，变刚度增强管2的刚度更好。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式九：结合图2说明本实施方式，本实施方式的工作流体6为水。如此设置，成本更低。其它组成及连接关系与具体实施方式八相同。
本发明的工作原理：(参见图1和图2)本发明利用变刚度增强管2的高度各向异性和工作流体6的高体积模量，通过控制阀3对进出变刚度增强管2的工作流体6进行控制，实现了变刚度增强管2的刚度的改变。当控制阀3打开的时候，变刚度增强管2具有较低的刚度和良好的径向延展性，实现了变刚度增强管2随硅橡胶蒙皮基体1的变形；当控制阀3关闭的时候，由于复合材料外层4变形引起的工作流体6对体积变化的抵抗，使得变刚度增强管2的刚度能够得到极大的增强，从而达到了变形机翼蒙皮结构刚度增强的目的。
Claims (9)
1.一种可改变刚度的变形机翼蒙皮，它由硅橡胶蒙皮基体(1)、多根变刚度增强管(2)、工作流体(6)和多个控制阀(3)组成，其特征在于：所述多根变刚度增强管(2)平行镶嵌在硅橡胶蒙皮基体(1)内，每个控制阀(3)设置在硅橡胶蒙皮基体(1)的外表面上且与相应的变刚度增强管(2)连通，每根变刚度增强管(2)的两端均为封闭的，所述每个变刚度增强管(2)由复合材料外层(4)和内衬管(5)组成，所述复合材料外层(4)包裹在内衬管(5)的外表面上，所述工作流体(6)填充在内衬管(5)内。
2.根据权利要求1所述一种可改变刚度的变形机翼蒙皮，其特征在于：所述复合材料外层(4)由形状记忆聚合物基体相材料和增强相材料组成；所述增强相材料占复合材料外层(4)总体积的40％～60％；增强相材料的纤维(7)与变刚度增强管(2)的径向成0°～90°角复合于形状记忆聚合物基体相材料中。
3.根据权利要求2所述一种可改变刚度的变形机翼蒙皮，其特征在于：所述增强相材料的纤维(7)与变刚度增强管(2)的径向成20°～40°角复合于形状记忆聚合物基体相材料中。
4.根据权利要求2或3所述一种可改变刚度的变形机翼蒙皮，其特征在于：所述形状记忆聚合物基体相材料是苯乙烯系形状记忆聚合物、环氧树脂系形状记忆聚合物、氰酸酯系形状记忆聚合物、形状记忆聚氨酯、形状记忆聚酯、形状记忆苯乙烯-丁二烯共聚物、形状记忆反式聚异戊二烯或形状记忆聚降冰片烯其中的一种。
5.根据权利要求4所述一种可改变刚度的变形机翼蒙皮，其特征在于：所述增强相材料是碳纤维、玻璃纤维、硼纤维、石墨纤维或碳化硅纤维中的一种。
6.根据权利要求1或3所述一种可改变刚度的变形机翼蒙皮，其特征在于：所述内衬管(5)由形状记忆聚合物材料或硅橡胶材料制成。
7.根据权利要求6所述一种可改变刚度的变形机翼蒙皮，其特征在于：所述内衬管(5)的形状记忆聚合物材料是苯乙烯系形状记忆聚合物、环氧树脂系形状记忆聚合物、氰酸酯系形状记忆聚合物、形状记忆聚氨酯、形状记忆聚酯、形状记忆苯乙烯-丁二烯共聚物、形状记忆反式聚异戊二烯或形状记忆聚降冰片烯其中的一种。
8.根据权利要求1所述一种可改变刚度的变形机翼蒙皮，其特征在于：所述工作流体(6)为弹性模量介于0.1～10Gpa之间的液体。
9.根据权利要求8所述一种可改变刚度的变形机翼蒙皮，其特征在于：所述工作流体(6)为水。
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