CN101879941A

CN101879941A - 一种变刚度机翼蒙皮

Info

Publication number: CN101879941A
Application number: CN 201010237279
Authority: CN
Inventors: 冷劲松; 陈以金
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2010-07-27
Filing date: 2010-07-27
Publication date: 2010-11-10

Abstract

一种变刚度机翼蒙皮，属于航空航天技术领域，具体涉及一种变刚度机翼蒙皮。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。本发明变刚度增强管的复合材料外套管包裹在内衬管的外表面，多根变刚度增强管矩阵排列并镶嵌在硅橡胶蒙皮基体内，其轴线方向与蒙皮基体长度方向平行，变刚度增强管控制阀设置在蒙皮基体的外表面且与相应的两端封闭的变刚度增强管的内腔连通，每个芯管控制阀设置在蒙皮基体的外表面且与相应的变刚度增强管中的芯管的内腔连通。本发明适用于各种飞行器的机翼及航天、兵器、舰船、潜艇结构等军用武器装备的变形结构中。

Description

一种变刚度机翼蒙皮

技术领域

本发明属于航空航天技术领域，具体涉及一种变刚度机翼蒙皮。

背景技术

机翼是飞行器在飞行中可重新构型的主要部件之一，在飞行过程中有目的地改变机翼外形可以有效地提高机翼的飞行性能。传统的飞机通过机械装置采用改变机翼外形（如前缘缝翼、后缘襟翼、变后掠角、变翼型弯度或变展长）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。由于机翼上采用的机械装置和刚性结构复杂笨重，使其功能受限、效率较低，难以适应较广范围飞行条件的变化。

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机翼蒙皮的设计。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。可见，可变形飞行器的蒙皮既要具有承受和传递气动载荷的能力，又要满足大变形的要求。

近年来，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。目前，变形机翼研究中最为主要的一种蒙皮采用了柔性和弹性比较大的橡胶类材料，这种蒙皮虽然满足了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，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蒙皮承受气动载荷的能力差，机翼的整体承载能力低的问题，进而提供了一种变刚度机翼蒙皮。

本发明的技术方案是：本发明包括硅橡胶蒙皮基体、多根变刚度增强管和多个变刚度增强管控制阀，所述每根变刚度增强管由内衬管和复合材料外套管组成，复合材料外套管包裹在内衬管的外表面上，它还包括多个芯管控制阀，所述多根变刚度增强管矩阵排列并镶嵌在硅橡胶蒙皮基体内，每根变刚度增强管的轴线方向均与硅橡胶蒙皮基体的长度方向平行，每个变刚度增强管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的内腔连通，每根变刚度增强管的两端均为封闭的，每个芯管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中的芯管的内腔连通。

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变化的劣势，改善了单纯以橡胶为蒙皮材料带来的机翼整体承载能力低的缺点，本发明的蒙皮承受气动载荷能力强，机翼整体承载能力提高10倍以上，且满足了蒙皮结构大变形的要求。本发明蒙皮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。本发明可根据外界载荷的变化，蒙皮结构局部或整体地改变其本身的刚度，使机翼快速有效地达到最佳飞行状态。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；图2是本发明的整体外观示意图；图3是本发明的变刚度增强管的结构示意图；图4是本发明变刚度增强管的复合材料外套管的结构示意图；图5是本发明中具有硅橡胶空心球链的复合材料外套管的外观示意图；图6是本发明中的硅橡胶空心球链的结构示意图；图7是本发明中具有次变刚度增强管的复合材料外套管的外观示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图7说明本实施方式的一种变刚度机翼蒙皮，本实施方式包括硅橡胶蒙皮基体1、多根变刚度增强管2和多个变刚度增强管控制阀3，所述每根变刚度增强管2由内衬管6和复合材料外套管7组成，复合材料外套管7包裹在内衬管6的外表面上，它还包括多个芯管控制阀4，所述多根变刚度增强管2矩阵排列并镶嵌在硅橡胶蒙皮基体1内，每根变刚度增强管2的轴线方向均与硅橡胶蒙皮基体1的长度方向平行，每个变刚度增强管控制阀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的内腔连通，每根变刚度增强管2的两端均为封闭的，每个芯管控制阀4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中的芯管的内腔连通。本发明的矩阵排列的多根变刚度增强管2可以根据外界载荷的变化局部或者整体地改变其本身的刚度，使机翼快速有效地达到最佳飞行状态，灵活性得以提高。

具体实施方式二：结合图4、图5和图7说明本实施方式的一种变刚度机翼蒙皮，本实施方式的复合材料外套管7由纤维增强层8和多根芯管组成，多根芯管沿轴向均布并镶嵌在呈管状的纤维增强层8内。本实施方式的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4、图5和图7说明本实施方式的一种变刚度机翼蒙皮，本实施方式的纤维增强层8由增强相纤维材料和基体相材料制成，增强相纤维材料的纤维缠绕角α为0°～90°，增强相纤维材料占纤维增强层8总体积的20%～60%。此体积比使变刚度增强管2的刚度和气密性更好，所述纤维增强层8由增强相纤维和基体相材料溶液通过湿法绕制缠绕而成。本实施方式的其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式的一种变刚度机翼蒙皮，所述增强相纤维材料的纤维缠绕角α为10°～40°。此夹角优选值可使变刚度增强管2的刚度更好。本实施方式的其它组成及连接关系与具体实施方式一、二或三相同。

具体实施方式五：本实施方式的一种变刚度机翼蒙皮，所述增强相纤维材料为碳纤维、玻璃纤维、Kevlar纤维、硼纤维、石墨纤维或碳化硅纤维其中的一种。本实施方式的其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。

具体实施方式六：结合图3至图6说明本实施方式的一种变刚度机翼蒙皮，所述芯管为硅橡胶空心球链9，所述硅橡胶空心球链9由N个硅橡胶空心球9-1和N＋1个硅橡胶空心圆管9-2沿轴线交错连接并相通，每两个硅橡胶空心圆管9-2之间设有一个硅橡胶空心球9-1，每条硅橡胶空心球链9的两端均封闭，所述N为自然数，2≤N≤20，所述纤维增强层8的基体相材料和内衬管6的材料为硅橡胶或者乳胶。当芯管控制阀4打开的时候，硅橡胶空心球链9刚度较小，在承受外力的时候容易变形，当芯管控制阀4关闭的时候，硅橡胶空心球链9刚度有较大提高，承受外力的时候不容易变形。本实施方式的其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三、四或五相同。

具体实施方式七：结合图3和图7说明本实施方式的一种变刚度机翼蒙皮，所述芯管为次变刚度增强管10，次变刚度增强管10由内衬管一10-1和复合材料外套管一10-2组成，复合材料外套管一10-2包裹在内衬管一10-1的外表面上，所述纤维增强层8的基体相材料为形状记忆聚合物，复合材料外套管一10-2、内衬管一10-1和内衬管6由形状记忆聚合物材料制成。内衬管一10-1和内衬管6选用SMP材料的优点是在其承受变形的基础上极好地保证了其内部流体的气密性，达到了改变刚度的目的。形状记忆聚合物（SMP）材料具有一种特殊的记忆功能，当温度高于形状记忆聚合物玻璃化转变温度（Tg）时，形状记忆聚合物刚度较低，对形状记忆聚合物施加外力，可以较容易地改变其形状；在保持外力约束条件下，当温度降低至Tg以下20℃时，形状记忆聚合物刚度升高，其形状固定；当温度再次升高至Tg以上时，形状记忆聚合物自动恢复到最原始的形状，这也就是它的“记忆”功能。本发明所采用的SMP材料具有应变量大（最大应变量能达到200%）、回复应力较大（回复应力能达到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材料和增强相材料的纤维增强层8是具有各向异性的新型复合材料，当温度较高时，较低的弹性模量使变刚度增强管2在承受外载的时候更加容易变形；当温度较低时，较高的弹性模量可以限制变刚度增强管2的变形，使其能够保持固定形状。本实施方式的其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五或六相同。

具体实施方式八：本实施方式的形状记忆聚合物材料为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。本实施方式的其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六或七相同。

具体实施方式九：本实施方式的工作流体为弹性模量介于100MPa～10000MPa之间的液体。内衬管一10-1和内衬管6内充满工作流体，使变刚度增强管2的刚度更好。本实施方式的其它组成及连接关系与具体实施方式一至八任一相同。

具体实施方式十：本实施方式的工作流体为水或者乙醇。可降低成本。本实施方式的其它组成及连接关系与具体实施方式一至九任一相同。

本发明的工作原理：（参见图1～图7）本发明的工作流体填充在内衬管一10-1和内衬管6内，利用变刚度增强管2的高度各向异性和工作流体的高体积模量，通过变刚度增强管控制阀3对进出变刚度增强管2的工作流体进行控制，实现变刚度增强管2刚度的改变。当温度高于形状记忆聚合物玻璃化转变温度（Tg），且变刚度增强管控制阀3打开时，变刚度增强管2具有较低的刚度和较大的延展性，承受外力的时候，可以实现变刚度增强管2随硅橡胶蒙皮基体1的变形而改变形状；当温度低于形状记忆聚合物玻璃化转变温度（Tg），且当变刚度增强管控制阀3关闭的时候，由于复合材料外套管7的变形引起工作流体对体积变化的抵抗，使得变刚度增强管2的刚度能够得到极大的增强，另一方面通过芯管控制阀4对进出硅橡胶空心球链9或次变刚度增强管10的工作流体进行控制，实现刚度的改变。当芯管控制阀4打开的时候，硅橡胶空心球链9或次变刚度增强管10刚度较低，受外力时变形量较大，当芯管控制阀4关闭的时候，硅橡胶空心球链9或次变刚度增强管10刚度变大，承受外力时，在一定程度上可以减小其变形量。本发明通过变刚度增强管控制阀3和芯管控制阀4以及温度的共同作用，合理布置变刚度增强管2在硅橡胶蒙皮基体1中的位置，达到变形机翼蒙皮局部或者整体刚度增强的目的。

Claims

1.一种变刚度机翼蒙皮，它包括硅橡胶蒙皮基体（1）、多根变刚度增强管（2）和多个变刚度增强管控制阀（3），所述每根变刚度增强管（2）由内衬管（6）和复合材料外套管（7）组成，复合材料外套管（7）包裹在内衬管（6）的外表面上，其特征在于：它还包括多个芯管控制阀（4），所述多根变刚度增强管（2）矩阵排列并镶嵌在硅橡胶蒙皮基体（1）内，每根变刚度增强管（2）的轴线方向均与硅橡胶蒙皮基体（1）的长度方向平行，每个变刚度增强管控制阀（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）的内腔连通，每根变刚度增强管（2）的两端均为封闭的，每个芯管控制阀（4）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）中的芯管的内腔连通。

2.根据权利要求1所述的一种变刚度机翼蒙皮，其特征在于：所述复合材料外套管（7）由纤维增强层（8）和多根芯管组成，多根芯管沿轴向均布并镶嵌在呈管状的纤维增强层（8）内。

3.根据权利要求2所述的一种变刚度机翼蒙皮，其特征在于：所述纤维增强层（8）由增强相纤维材料和基体相材料制成，增强相纤维材料的纤维缠绕角（α）为0°～90°，增强相纤维材料占纤维增强层（8）总体积的20%～60%。

4.根据权利要求3所述的一种变刚度机翼蒙皮，其特征在于：所述增强相纤维材料的纤维缠绕角（α）为10°～40°。

5.根据权利要求3或4所述的一种变刚度机翼蒙皮，其特征在于：所述增强相纤维材料为碳纤维、玻璃纤维、Kevlar纤维、硼纤维、石墨纤维或碳化硅纤维其中的一种。

6.根据权利要求1、2、3或4所述的一种变刚度机翼蒙皮，其特征在于：所述芯管为硅橡胶空心球链（9），所述硅橡胶空心球链（9）由N个硅橡胶空心球（9-1）和N＋1个硅橡胶空心圆管（9-2）沿轴线交错连接并相通，每两个硅橡胶空心圆管（9-2）之间设有一个硅橡胶空心球（9-1），每条硅橡胶空心球链（9）的两端均封闭，所述N为自然数，2≤N≤20，所述纤维增强层（8）的基体相材料和内衬管（6）的材料为硅橡胶或者乳胶。

7.根据权利要求1、2、3或4所述的一种变刚度机翼蒙皮，其特征在于：所述芯管为次变刚度增强管（10），次变刚度增强管（10）由内衬管一（10-1）和复合材料外套管一（10-2）组成，复合材料外套管一（10-2）包裹在内衬管一（10-1）的外表面上，所述纤维增强层（8）的基体相材料为形状记忆聚合物，复合材料外套管一（10-2）、内衬管一（10-1）和内衬管（6）由形状记忆聚合物材料制成。

8.根据权利要求7所述的一种变刚度机翼蒙皮，其特征在于：所述形状记忆聚合物材料为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。