CN101708772A - 一种变体机翼蒙皮及其驱动方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种变体机翼蒙皮，由纤维增强型复合材料(1)制得，其特征在于：在两层纤维增强型复合材料(1)之间设置有形状记忆合金驱动器(2)，上层纤维增强复合材料波谷内填充硅基橡胶(3)，用于满足机翼表面光滑、连续和整体气密性要求，所述纤维增强型复合材料(1)与所述形状记忆合金驱动器(2)在室温时一起被压成波纹构型；所述形状记忆合金驱动器(2)高温记忆直线状，所述硅基橡胶(3)可常温固化。本发明还提供这种变体机翼蒙皮的驱动方法。本发明变体机翼蒙皮采用波纹构型，在变形方向柔度高，变形量大，变形响应速度快，在垂直变形方向承载能力强，且结构简单，质量轻，性能可靠。
Description
技术领域
本发明涉及一种变体机翼蒙皮，本发明还涉及这种变体机翼蒙皮的驱动方式。
背景技术
变体飞行器是当前飞行器设计领域里热门的课题，它打破了传统飞机设计理念，能解决当前飞行器设计中所存在的技术难题。机翼对飞机的升阻比、极限速度、机动性、操控及稳定性、经济以及安全性等有极其重要的影响。传统机翼根据飞行任务要求，在设计时便被固定下来，飞机依靠液压机械系统等驱动气动舵面，实现飞行控制。虽然这种形式的机翼便于实现，但是系统较为复杂重量大，而且气动效率不高。因此传统的飞机的任务范围以及适应大气流场变化能力都受到限制。为了追求更高效能的机翼，基于智能结构的自适应机翼(也称“Morphing Wing”，变体机翼)技术成为当前国内外航空科学技术发展的前沿。变体机翼能够在不同飞行状态下达到理想的气动特性，从而显著助提高飞行器综合性能，成为未来先进飞行器的发展方向之一。当大变形发生时，对变体机翼的蒙皮特性要求较高，不但在变形方向需具有较大变形能力，而且在垂直于变形方向上也需要有较强的承载能力。而传统蒙皮的作用主要是保持机翼气动外形，承受和传递飞行气动载荷，显然无法满足变体机翼的要求。
目前，变体机翼技术研究中，蒙皮主要采用两种形式：一是采用柔性较大的橡胶类材料制作的蒙皮，这种蒙皮虽满足机翼变形和气密性要求，但是，为了提高承载能力，使得机翼内部结构、驱动方式和变形控制很复杂，而且机翼的整体承载能力不高；另一种采用了分片式可移动的传统硬蒙皮，这种蒙皮虽满足机翼承载和变体需求，却无法满足机翼表面光滑、连续和整体气密性要求，使变体机翼气动效率打了折扣。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有主动变形能力，在变形方向上柔度高、变形量大，在垂直变形方向上承载能力强的变体机翼蒙皮。
本发明的另一目的在于提供这种变体机翼蒙皮的驱动方法。
本发明的目的是这样实现的：一种变体机翼蒙皮，由纤维增强型复合材料制得，在两层纤维增强型复合材料之间设置有形状记忆合金驱动器，所述纤维增强型复合材料与所述形状记忆合金驱动器在室温时，通常为10～40℃，一起被压成波纹构型；所述形状记忆合金驱动器高温记忆直线状，高温定型温度为450～550℃，所述纤维增强型复合材料为采用预浸料或纤维(如玻璃纤维、碳纤维或芳纶纤维)与树脂基体按常规方法制得。
为了满足机翼表面光滑、连续和整体气密性要求，上层纤维增强复合材料波谷内填充硅基橡胶，所述硅基橡胶常温可固化。
本发明所述形状记忆合金驱动器可以选用单程形状记忆合金，也可以选择双程形状记忆合金。
本发明形状记忆合金(SMA)驱动器中，SMA是智能结构中最先应用的一种驱动元件。它的特点是具有形状记忆效应(SME)，即将这种材料在高温下定型后，冷却到低温(或室温)，并施加变形，使它存在残余变形。如果从变形温度稍许加热，就可以使原先存在的残余变形消失，并回复到高温下所固有的形状，然后再进行冷却或加热，形状将保持不变。上述过程可以周而复始，仿佛合金记住了高温形态所赋予的形状一样，称为单程形状记忆。如果对材料进行特殊的时效处理，在随后的加热和冷却循环中，能够重复地记住高温状态和低温状态的两种形状，则称为双程形状记忆。
本发明形状记忆合金驱动器采用单程形状记忆合金时，其具体的驱动方法为：
将变体机翼蒙皮安装在驱动导轨上，变体机翼蒙皮的两侧通过加固片分别安装一个弹簧式形状记忆合金驱动器，用于提供回复力，加快回复速率；
将蒙皮内部形状记忆合金驱动器与恒流源连接，利用材料本身的电阻对形状记忆合金驱动器加热，使变体机翼蒙皮伸长；同时通过激光位移传感装置及应变测量系统测量变体机翼蒙皮的伸长量和应变，确保蒙皮不被破坏；当达到应变极限或伸长极限时，恒流源线路被切断；
恒流源切断后，与弹簧式形状记忆合金驱动器连接的稳压电源线路接通，弹簧式形状记忆合金驱动器高温条件下变形，对变体机翼蒙皮施加回复力，蒙皮在自身弹力及弹簧形状记忆合金驱动力下开始回复。
为了加快变体机翼蒙皮的散热速度，采用热电片冷面与形状记忆合金驱动器的外部粘结，利用上述稳压电源同时与电热片连接，对蒙皮内形状记忆合金驱动器进行制冷。
本发明形状记忆合金驱动器采用双程形状记忆合金时，其具体的驱动方法为：
将变体机翼蒙皮安装在驱动导轨上，将蒙皮内形状记忆合金驱动器与恒流源连接，利用材料本身的电阻对形状记忆合金驱动器加热，使变体机翼蒙皮伸长；同时通过激光位移传感装置及应变测量系统测量变体机翼蒙皮的伸长量和应变，确保蒙皮不被破坏；当达到应变极限或伸长极限时，恒流源线路被切断；
恒流源切断后，蒙皮在自身弹力及双程记忆合金的驱动力下开始回复。
为了加快变体机翼蒙皮的散热速度，采用热电片冷面与形状记忆合金驱动器的外部粘结，通过稳压电源与电热片连接，对形状记忆合金驱动器进行制冷。由于形状记忆合金丝高温记忆直线状，低温(常温)记忆波纹状，与波纹蒙皮精密定位粘合后，可驱动蒙皮伸缩变形。
本发明的有益效果为：
1、本发明变体机翼蒙皮采用波纹构型，在变形方向柔度高，变形量大，变形响应速度快，在垂直变形方向承载能力强，且结构简单，质量轻，性能可靠；
2、本发明变体机翼蒙皮表面波谷内填充硅基橡胶，可以满足机翼表面光滑、连续和整体气密性要求，提高气动特性；
3、本发明变体机翼蒙皮具有主动变形能力，驱动能力强，控制简单，可大大减少机翼变形机构对蒙皮的驱动力；
4、本发明变体机翼蒙皮利用形状记忆合金的形状记忆效应，用恒流源进行电加热形状记忆合金驱动器，使其往高温形状变形，并产生驱动力，使蒙皮变形，回复时，利用蒙皮自身弹性回复力的同时，既可以利用双程形状记忆合金驱动，又可与弹簧形状记忆合金驱动器组成差动结构，加快其回复速度；
5、本发明变体机翼蒙皮变形时，有激光位移传感器和应变测试系统测试蒙皮的位移及应变情况，当变形到一定程度，恒流源供电停止，蒙皮进入回复阶段；由于蒙皮具有自主变形能力，可大大降低机翼变形机构的驱动力，在变体机翼领域应用前景广阔。
附图说明
图1为本发明变体机翼蒙皮的结构示意图。
图2为本发明变体机翼蒙皮的驱动流程图。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例的方式，对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
实施例1
如图1、图2所示，一种变体机翼蒙皮，由纤维增强型复合材料1制得，所述纤维增强型复合材料采用玻璃纤维、碳纤维或芳纶纤维预浸料制得，在两层纤维增强型复合材料1之间设置有形状记忆合金驱动器2，所述纤维增强型复合材料1与所述形状记忆合金驱动器2在10℃时一起被压成波纹构型；上层纤维增强复合材料的波谷内填充硅基橡胶3；所述形状记忆合金驱动器2高温记忆直线状；所述形状记忆合金驱动器2采用单程形状记忆合金。
本实施例中变体机翼蒙皮的驱动方法为：
将变体机翼蒙皮安装在驱动导轨上，变体机翼蒙皮的两侧通过加固片分别安装一个弹簧式形状记忆合金驱动器，用于提供回复力，加快回复速率；
将蒙皮内部形状记忆合金驱动器与恒流源连接，利用材料本身的电阻对形状记忆合金驱动器加热，使变体机翼蒙皮伸长；同时通过激光位移传感装置及应变测量系统测量变体机翼蒙皮的伸长量和应变，确保蒙皮不被破坏；当达到应变极限或伸长极限时，恒流源线路被切断；
恒流源切断后，与弹簧式形状记忆合金驱动器连接的稳压电源线路接通，弹簧式形状记忆合金驱动器在加热条件下变形，对变体机翼蒙皮施加回复力，蒙皮在自身弹力及弹簧形状记忆合金驱动力下开始回复。
采用热电片冷面与形状记忆合金驱动器的外部粘结，所述稳压电源同时与电热片连接，对蒙皮内形状记忆合金驱动器进行制冷。
实施例2
如图1、图2所示，一种变体机翼蒙皮，由纤维增强型复合材料1制得，所述纤维增强型复合材料采用纤维，由玻璃纤维、碳纤维或芳纶纤维与树脂基体按常规方法制得，在两层纤维增强型复合材料1之间设置有形状记忆合金驱动器2，所述纤维增强型复合材料1与所述形状记忆合金驱动器2在40℃时一起被压成波纹构型；上层纤维增强复合材料的波谷内填充硅基橡胶3；所述形状记忆合金驱动器2高温记忆直线状；所述形状记忆合金驱动器2采用双程形状记忆合金，高温时记忆直线状，低温时记忆波纹状。
本实施例变体机翼蒙皮的驱动方法为：
将变体机翼蒙皮安装在驱动导轨上，将蒙皮内形状记忆合金驱动器与恒流源连接，利用材料本身的电阻对形状记忆合金驱动器加热，使变体机翼蒙皮伸长；同时通过激光位移传感装置及应变测量系统测量变体机翼蒙皮的伸长量和应变，确保蒙皮不被破坏；当达到应变极限或伸长极限时，恒流源线路被切断；
恒流源切断后，蒙皮在自身弹力及双程记忆合金的驱动力下开始回复。
采用热电片冷面与形状记忆合金驱动器的外部粘结，通过稳压电源与电热片连接，对形状记忆合金驱动器进行制冷。
Claims (8)
1.一种变体机翼蒙皮，由纤维增强型复合材料(1)制得，其特征在于：在两层纤维增强型复合材料(1)之间设置有形状记忆合金驱动器(2)，所述纤维增强型复合材料(1)与所述形状记忆合金驱动器(2)在10～40℃一起被压成波纹构型；所述形状记忆合金驱动器(2)高温记忆直线状。
2.根据权利要求1所述的变体机翼蒙皮，其特征在于：上层纤维增强复合材料的波谷内填充硅基橡胶(3)。
3.根据权利要求1或2所述的变体机翼蒙皮，其特征在于：所述形状记忆合金驱动器(2)采用单程形状记忆合金。
4.根据权利要求1或2所述的变体机翼蒙皮，其特征在于：所述形状记忆合金驱动器(2)采用双程形状记忆合金。
5.根据权利要求3所述的变体机翼蒙皮的驱动方法，其特征在于：
将变体机翼蒙皮安装在驱动导轨上，变体机翼蒙皮的两侧通过加固片分别安装一个弹簧式形状记忆合金驱动器，用于提供回复力，加快回复速率；
将蒙皮内部形状记忆合金驱动器与恒流源连接，利用材料本身的电阻对形状记忆合金驱动器加热，使变体机翼蒙皮伸长；同时通过激光位移传感装置及应变测量系统测量变体机翼蒙皮的伸长量和应变，确保蒙皮不被破坏；当达到应变极限或伸长极限时，恒流源线路被切断；
恒流源切断后，与弹簧式形状记忆合金驱动器连接的稳压电源线路接通，对变体机翼蒙皮施加回复力，蒙皮在自身弹力及弹簧形状记忆合金驱动力下开始回复。
6.根据权利要求5所述的变体机翼蒙皮的驱动方法，其特征在于：采用热电片冷面与形状记忆合金驱动器的外部粘结，所述稳压电源同时与电热片连接，对蒙皮内形状记忆合金驱动器进行制冷。
7.根据权利要求4所述的变体机翼蒙皮的驱动方法，其特征在于：
将变体机翼蒙皮安装在驱动导轨上，将蒙皮内形状记忆合金驱动器与恒流源连接，利用材料本身的电阻对形状记忆合金驱动器加热，使变体机翼蒙皮伸长；同时通过激光位移传感装置及应变测量系统测量变体机翼蒙皮的伸长量和应变，确保蒙皮不被破坏；当达到应变极限或伸长极限时，恒流源线路被切断；
恒流源切断后，蒙皮在自身弹力及双程记忆合金的驱动力下开始回复。
8.根据权利要求7所述的变体机翼蒙皮的驱动方法，其特征在于：
采用热电片冷面与形状记忆合金驱动器的外部粘结，通过稳压电源与电热片连接，对形状记忆合金驱动器进行制冷。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20100519 |