CN101734369B - 基于形状记忆聚合物的充气可展开机翼及其制作方法 - Google Patents

基于形状记忆聚合物的充气可展开机翼及其制作方法 Download PDF

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基于形状记忆聚合物的充气可展开机翼及其制作方法，它涉及一种可展开机翼及其制作方法。解决现有充气可展开机翼无法满足飞机飞行所需要的强度与刚度，冲压太大时，机翼易于破损漏气的问题。机翼骨架由形状记忆聚合物制成。方法一：制作机翼骨架的步骤为：设计模具、制作形成未固化的纤维增强形状记忆聚合物毛坯、加热温度为70～80℃且加热时间为16～24小时、将加热后固化的纤维增强形状记忆聚合物毛坯脱模即可得到相应的翼肋或翼梁并将其连接固定即得到机翼骨架。方法二：在75℃条件下保持60分钟，再提高到100℃条件下保温30分钟，然后在75℃条件下保持24小时。能满足飞机飞行所需要的强度与刚度，机翼的密封性好，机翼的制作方法具有工艺操作简单的优点。

Description

基于形状记忆聚合物的充气可展开机翼及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种充气可展开机翼及其制作方法。
背景技术
美国于上世纪五十年代最先开始研究可充气飞机。目前，已经出现了充气滑翔机、充气无人侦察机、后缘充气增升机等新式结构的飞机。充气飞机可用作单兵侦察系统，如榴弹发射的无人侦察机。也可用于军用运输机大量投放的侦察机。充气飞机是一种极具特点，用途广泛的新型飞行器，对充气飞机进行相关的研究与探索具有一定的意义。相比与传统飞机，可充气飞机具有以下四大优点：体积小，重量小；发射方便；隐身性能好；防弹性能好。最近几年来，由于复合材料的广泛应用，所设计的新型充气飞机结构和性能的不断完善，使可展开飞机在未来的战场和火星探索中大显身手。然而，现有的可展开机翼仍然具有诸多缺陷，其最主要的不足主要集中于材料的选择与结构的设计。可充气机翼的设计中两个基本要求是保持翼型和承受一定的载荷。充气机翼的强度和刚度由所使用材料的类型、机翼的横截面设计和内部充气压力决定。在保证足够的强度和刚度的条件下，希望尽可能低地降低充气压力，以减小机翼破损的风险，降低充气系统和结构的重量及气体的泄漏速率。然而，过分的降低气压又会减小机翼的刚度，增大飞行过程中的风载变形，降低飞行稳定性。
发明内容
本发明为了解决现有充气可展开机翼无法满足飞机飞行所需要的强度与刚度，而且冲压太大时，机翼易于破损漏气的问题，进而提供了一种基于形状记忆聚合物的充气可展开机翼及其制作方法。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
本发明所述的基于形状记忆聚合物的充气可展开机翼由机翼骨架、封闭充气气囊和柔性蒙皮构成，封闭充气气囊设置在骨架内，柔性蒙皮包覆在骨架的外表面上，所述机翼骨架由形状记忆聚合物制成；所述机翼骨架由多个翼肋和多个翼梁构成，多个翼肋是由几何形状由小逐渐变大的一组翼肋构成的，翼肋是NACA翼形系列中的任意一种形状，多个翼梁和多个翼肋纵横交织固接在一起构成轮廓呈筒形的网状骨架。
上述充气可展开机翼按照如下步骤实现：
步骤A、制作机翼骨架：
步骤A1、设计模具：按机翼骨架上的翼肋的数量和形状大小以及翼梁的数量和形状制作一组模具；
步骤A2、将高分子聚合物和固化剂按质量比28∶(1～5)的比例均匀混合配制成形状记忆聚合物材料(液态且呈黏稠状)；将形状记忆聚合物材料和纤维增强材料均匀混合制成纤维增强形状记忆聚合物，纤维增强形状记忆聚合物的密度小于2g/cm2，形状记忆聚合物占纤维增强形状记忆聚合物质量的40～99％；将纤维增强形状记忆聚合物置于相应模具内，再用形状记忆聚合物材料将模具内的空隙灌满，即形成未固化的纤维增强形状记忆聚合物毛坯；
步骤A3、将未固化的纤维增强形状记忆聚合物毛坯放置在加热箱内加热，加热温度为70～80℃，加热时间为16～24小时；
步骤A4、将加热后固化的纤维增强形状记忆聚合物毛坯脱模即可得到相应的翼肋或翼梁；
步骤A5、将制作好的多个翼肋和多个翼梁进行连接固定即可得到机翼骨架；
步骤B、将封闭充气气囊放在机翼骨架中的内腔中并固定，气囊大小形状与二维翼型形状相称，并将气囊与充气结构相连；
步骤C、将蒙皮覆盖在机翼上下表面上并固定，即制成基于形状记忆聚合物的充气可展开机翼。
上述充气可展开机翼也可按照如下步骤实现：
步骤A、制作机翼骨架：
步骤A1、设计模具：按机翼骨架上的翼肋的数量和形状大小以及翼梁的数量和形状制作一组模具；
步骤A2、将高分子聚合物和固化剂按质量比28∶(1～5)的比例均匀混合配制成形状记忆聚合物材料(液态且呈黏稠状)；将形状记忆聚合物材料和纤维增强材料均匀混合制成纤维增强形状记忆聚合物，纤维增强形状记忆聚合物的密度小于2g/cm2，形状记忆聚合物占纤维增强形状记忆聚合物质量的40～99％；将纤维增强形状记忆聚合物置于相应模具内，再用形状记忆聚合物材料将模具内的空隙灌满，即形成未固化的纤维增强形状记忆聚合物毛坯；
步骤A3、将未固化的纤维增强形状记忆聚合物毛坯进行固化：先在75℃条件下保持60分钟，再提高到100℃条件下保温30分钟，然后在75℃条件下保持24小时；
步骤A4、将加热后固化的纤维增强形状记忆聚合物毛坯脱模即可得到相应的翼肋或翼梁；
步骤A5、将制作好的多个翼肋和多个翼梁进行连接固定即可得到机翼骨架；
步骤B、将封闭充气气囊放在机翼骨架中的内腔中并固定，气囊大小形状与二维翼型形状相称，并将气囊与充气结构相连；
步骤C、将蒙皮覆盖在机翼上下表面上并固定，即制成基于形状记忆聚合物的充气可展开机翼。
本发明具有以下有益效果：
本发明利用形状记忆聚合物的独特性能“当对其加热至材料相变温度时，形状记忆聚合物模量大幅度下降，并开始展现形状记忆效应”解决了充气可展开机翼在结构设计上所遇到困难：即机翼内部冲压太小，不能满足飞机飞行所需要的强度与刚度，冲压太大，机翼易于破损与漏气。采用由形状记忆聚合物制成的机翼骨架解决了上述矛盾，使充气可展开机翼满足飞机飞行所需要的技术指标。
本发明采用形状记忆聚合物(或形状记忆聚合物复合材料)作为充气机翼的骨架材料，可在充气操作前后控制机翼骨架自身的弹性模量。机翼充气变形前，机翼骨架弹性模量降低，利于机翼的充气可展开变形。变形之后，机翼骨架自身弹性模量上升，机翼的强度与刚度增大，辅助机翼承受飞行中产生的气动载荷。提高飞行的稳定性与可靠性。本发明所述的基于形状记忆聚合物的充气可展开机翼具有比强度高、比模量高、材料重量轻、展开过程平缓、对飞机无冲击、展开控制能力强、结构简单、展开可靠性高、减小了飞机飞行的质量的负担、提高了飞行效果的优点。本发明机翼的制作方法具有工艺操作简单的优点。
附图说明
图1是本发明的机翼骨架的结构示意图，图2是本发明所述的充气可展开机翼的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：如图1和2所示，本实施方式所述的基于形状记忆聚合物的充气可展开机翼由机翼骨架1、封闭充气气囊2和柔性蒙皮3构成，封闭充气气囊2设置在骨架1内，柔性蒙皮3包覆在骨架1的外表面上，所述机翼骨架1由形状记忆聚合物制成。
所述充气气囊2可由多个独立的单元充气气囊连接而成(即机翼骨架1内部的封闭充气气囊2由若干气囊相互连接，充气后为展开后的机翼提供内压力)，相邻两翼肋之间的空隙形成机翼内部的空腔，用于放置单元充气气囊。此外，机翼上下表面放置蒙皮并固定，机翼外部放置柔性蒙皮，用以提高机翼表面光滑程度，减小不必要的突出结构。当形状记忆聚合物温度高于其相变温度时，材料模量大幅度下降，其显示出的形状记忆效应可以辅助机翼的迅速展开变形。当温度低于相变温度时，材料的模量大幅度上升。与传统充气结构相比，材料在常温下的高模量状态可以增加机翼的刚度，减小风载作用下机翼的变形，提高飞行的稳定性与可靠性。
本实施方式的充气可展开机翼的外轮廓符合国际机翼翼型NACA0020的标准，外形尺寸符合空气动力学要求；充气可展开机翼的二维原始形状为国际标准翼型。
具体实施方式二：如图1和2所示，本实施方式所述机翼骨架1由多个翼肋1-1和多个翼梁1-2构成，多个翼肋1-1是由几何形状由小逐渐变大的一组翼肋构成的，翼肋1-1是NACA翼形系列中的任意一种形状，多个翼梁1-2和多个翼肋1-1纵横交织固接在一起构成轮廓呈筒形的网状骨架。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：如图1和2所示，本实施方式所述多个翼肋1-1的数量为八个，所述多个翼梁1-2的数量为四个。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：本实施方式所述形状记忆聚合物是形状记忆聚氨酯树脂、聚氨酯类形状记忆聚合物、异氰酸酯类形状记忆聚合物、苯乙烯类形状记忆聚合物、环氧类的热塑性形状记忆聚合物或热固性形状记忆聚合物。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式五：本实施方式所述柔性蒙皮3由硅橡胶等柔性材料制成。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式六：本实施方式所述的基于形状记忆聚合物的充气可展开机翼的制作方法是按照如下步骤实现的：
步骤A、制作机翼骨架1：
步骤A1、设计模具：按机翼骨架1上的翼肋1-1的数量和形状大小以及翼梁1-2的数量和形状制作一组模具；
步骤A2、将高分子聚合物和固化剂按质量比28∶(1～5)的比例均匀混合配制成形状记忆聚合物材料(液态且呈黏稠状)；将形状记忆聚合物材料和纤维增强材料均匀混合制成纤维增强形状记忆聚合物，纤维增强形状记忆聚合物的密度小于2g/cm2，形状记忆聚合物占纤维增强形状记忆聚合物质量的40～99％；将纤维增强形状记忆聚合物置于相应模具内，再用形状记忆聚合物材料将模具内的空隙灌满，即形成未固化的纤维增强形状记忆聚合物毛坯；
步骤A3、将未固化的纤维增强形状记忆聚合物毛坯放置在加热箱内加热，加热温度为70～80℃，加热时间为16～24小时；
步骤A4、将加热后固化的纤维增强形状记忆聚合物毛坯脱模即可得到相应的翼肋1-1或翼梁1-2；
步骤A5、将制作好的多个翼肋1-1和多个翼梁1-2进行连接固定即可得到机翼骨架1；
步骤B、将封闭充气气囊2放在机翼骨架1中的内腔中并固定，气囊大小形状与二维翼型形状相称，并将气囊与充气结构相连；
步骤C、将蒙皮覆盖在机翼上下表面上并固定，即制成基于形状记忆聚合物的充气可展开机翼。
具体实施方式所述的固化剂是过氧化苯甲酰溶液。
具体实施方式七：本实施方式在步骤A2中，所述纤维增强材料是石墨纤维、碳纤维、玻璃纤维、硼纤维、炭黑、石墨粉或碳纳米管。其它步骤与具体实施方式六相同。
具体实施方式八：本实施方式在步骤A2中，形状记忆聚合物和固化剂的质量比为28∶3。其它步骤与具体实施方式六相同。
具体实施方式九：本实施方式在步骤A3中，毛坯放置在加热箱内加热，加热温度为75℃，加热时间为20小时。其它步骤与具体实施方式六相同。
具体实施方式十：本实施方式所述的基于形状记忆聚合物的充气可展开机翼的制作方法是按照如下步骤实现的：
步骤A、制作机翼骨架1：
步骤A1、设计模具：按机翼骨架1上的翼肋1-1的数量和形状大小以及翼梁1-2的数量和形状制作一组模具；
步骤A2、将高分子聚合物和固化剂按质量比28∶(1～5)的比例均匀混合配制成形状记忆聚合物材料(液态且呈黏稠状)；将形状记忆聚合物材料和纤维增强材料均匀混合制成纤维增强形状记忆聚合物，纤维增强形状记忆聚合物的密度小于2g/cm2，形状记忆聚合物占纤维增强形状记忆聚合物质量的40～99％；将纤维增强形状记忆聚合物置于相应模具内，再用形状记忆聚合物材料将模具内的空隙灌满，即形成未固化的纤维增强形状记忆聚合物毛坯；
步骤A3、将未固化的纤维增强形状记忆聚合物毛坯进行固化：先在75℃条件下保持60分钟，再提高到100℃条件下保温30分钟，然后在75℃条件下保持24小时；
步骤A4、将加热后固化的纤维增强形状记忆聚合物毛坯脱模即可得到相应的翼肋1-1或翼梁1-2；
步骤A5、将制作好的多个翼肋1-1和多个翼梁1-2进行连接固定即可得到机翼骨架1；
步骤B、将封闭充气气囊2放在机翼骨架1中的内腔中并固定，气囊大小形状与二维翼型形状相称，并将气囊与充气结构相连；
步骤C、将蒙皮覆盖在机翼上下表面上并固定，即制成基于形状记忆聚合物的充气可展开机翼。
本发明所述充气可展开机翼的展开过程为：初始状态机翼在平面内压缩并卷在飞机机身的表面，对机翼骨架结构进行加热，当形状记忆聚合物温度超过相变温度时对内部气囊进行充气。随着内部气压的增大以及形状记忆聚合物材料的形状回复，机翼开始变形，机翼由卷曲形向平直形变形同时机翼的厚度方向也在变形。当对骨架停止加热，温度降至形状记忆聚合物转变温度以下时，机翼保持展开后的形状不变。若要恢复机翼的初始形状只需重新给机翼骨架结构加热，使机翼的温度升高至形状记忆聚合物转变温度以上，同时降低放出气囊内部的气体。靠外力在平面内压缩机翼并将其卷在飞机机身的表面上。停止加热，温度降至形状记忆聚合物转变温度以下时，机翼保持初始状态。对机翼进行加热可采用电阻丝电加热或蒸汽加热。
电阻丝电加热：充气可展开机翼的机翼骨架靠埋入翼肋或翼梁内部的电阻丝电加热。
蒸汽加热：充气可展开机翼的机翼骨架也可靠热蒸汽加热，即在机翼变形时气囊内部通以热蒸汽，靠热蒸汽的温度提高形状记忆聚合物翼肋与翼梁的温度。

Claims (9)

1.一种基于形状记忆聚合物的充气可展开机翼，所述充气可展开机翼由机翼骨架(1)、封闭充气气囊(2)和柔性蒙皮(3)构成，封闭充气气囊(2)设置在骨架(1)内，柔性蒙皮(3)包覆在骨架(1)的外表面上，所述机翼骨架(1)由形状记忆聚合物制成；其特征在于：所述机翼骨架(1)由多个翼肋(1-1)和多个翼梁(1-2)构成，多个翼肋(1-1)是由几何形状由小逐渐变大的一组翼肋构成的，翼肋(1-1)是NACA翼形系列中的任意一种形状，多个翼梁(1-2)和多个翼肋(1-1)纵横交织固接在一起构成轮廓呈筒形的网状骨架。
2.根据权利要求1所述的基于形状记忆聚合物的充气可展开机翼，其特征在于：所述多个翼肋(1-1)的数量为八个，所述多个翼梁(1-2)的数量为四个。
3.根据权利要求1所述的基于形状记忆聚合物的充气可展开机翼，其特征在于：所述形状记忆聚合物是形状记忆聚氨酯树脂、聚氨酯类形状记忆聚合物、异氰酸酯类形状记忆聚合物、苯乙烯类形状记忆聚合物、环氧类的热塑性形状记忆聚合物或热固性形状记忆聚合物。
4.根据权利要求1所述的基于形状记忆聚合物的充气可展开机翼，其特征在于：所述柔性蒙皮(3)由硅橡胶制成。
5.一种权利要求1所述的基于形状记忆聚合物的充气可展开机翼的制作方法：其特征在于：所述方法是按照如下步骤实现的：
步骤A、制作机翼骨架(1)：
步骤A1、设计模具：按机翼骨架(1)上的翼肋(1-1)的数量和形状大小以及翼梁(1-2)的数量和形状制作一组模具；
步骤A2、将高分子聚合物和固化剂按质量比28∶(1～5)的比例均匀混合配制成形状记忆聚合物材料；将形状记忆聚合物材料和纤维增强材料均匀混合制成纤维增强形状记忆聚合物，纤维增强形状记忆聚合物的密度小于2g/cm2，形状记忆聚合物占纤维增强形状记忆聚合物质量的40～99％；将纤维增强形状记忆聚合物置于相应模具内，再用形状记忆聚合物材料将模具内的空隙灌满，即形成未固化的纤维增强形状记忆聚合物毛坯；
步骤A3、固化：将未固化的纤维增强形状记忆聚合物毛坯放置在加热箱 内加热，加热温度为70～80℃，加热时间为16～24小时；
步骤A4、将加热后固化的纤维增强形状记忆聚合物毛坯脱模即可得到相应的翼肋(1-1)或翼梁(1-2)；
步骤A5、将制作好的多个翼肋(1-1)和多个翼梁(1-2)进行连接固定即可得到机翼骨架(1)；
步骤B、将封闭充气气囊(2)放在机翼骨架(1)中的内腔中并固定，气囊大小形状与二维翼型形状相称，并将气囊与充气结构相连；
步骤C、将蒙皮覆盖在机翼上下表面上并固定，即制成基于形状记忆聚合物的充气可展开机翼。
6.根据权利要求5所述的基于形状记忆聚合物的充气可展开机翼的制作方法，其特征在于：在步骤A2中，所述纤维增强材料是石墨纤维、碳纤维、玻璃纤维、硼纤维、炭黑、石墨粉或碳纳米管。
7.根据权利要求5所述的基于形状记忆聚合物的充气可展开机翼的制作方法，其特征在于：在步骤A2中，形状记忆聚合物和固化剂的质量比为28∶3。
8.根据权利要求5所述的基于形状记忆聚合物的充气可展开机翼的制作方法，其特征在于：在步骤A3中，毛坯放置在加热箱内加热，加热温度为75℃，加热时间为20小时。
9.一种权利要求1所述的基于形状记忆聚合物的充气可展开机翼的制作方法：其特征在于：所述方法是按照如下步骤实现的：
步骤A、制作机翼骨架(1)：
步骤A1、设计模具：按机翼骨架(1)上的翼肋(1-1)的数量和形状大小以及翼梁(1-2)的数量和形状制作一组模具；
步骤A2、将高分子聚合物和固化剂按质量比28∶(1～5)的比例均匀混合配制成形状记忆聚合物材料；将形状记忆聚合物材料和纤维增强材料均匀混合制成纤维增强形状记忆聚合物，纤维增强形状记忆聚合物的密度小于2g/cm2，形状记忆聚合物占纤维增强形状记忆聚合物质量的40～99％；将纤维增强形状记忆聚合物置于相应模具内，再用形状记忆聚合物材料将模具内的空隙灌满，即形成未固化的纤维增强形状记忆聚合物毛坯；
步骤A3、固化：将未固化的纤维增强形状记忆聚合物毛坯进行固化：先 在75℃条件下保持60分钟，再提高到100℃条件下保温30分钟，然后在75℃条件下保持24小时；
步骤A4、将加热后固化的纤维增强形状记忆聚合物毛坯脱模即可得到相应的翼肋(1-1)或翼梁(1-2)；
步骤A5、将制作好的多个翼肋(1-1)和多个翼梁(1-2)进行连接固定即可得到机翼骨架(1)；
步骤B、将封闭充气气囊(2)放在机翼骨架(1)中的内腔中并固定，气囊大小形状与二维翼型形状相称，并将气囊与充气结构相连；
步骤C、将蒙皮覆盖在机翼上下表面上并固定，即制成基于形状记忆聚合物的充气可展开机翼。 
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