CN107757860A - 基于气动肌肉的主动变形蜂窝结构蒙皮 - Google Patents

Abstract

基于气动肌肉的主动变形蜂窝结构蒙皮，本发明属于变形飞行器领域，本发明的目的为了解决现有变形蒙皮结构的变形性能不足的问题。该基于气动肌肉的主动变形蜂窝结构蒙皮包括硅橡胶材料、气动肌肉、弹簧和零泊松比蜂窝结构，气动肌肉的外表面套设有弹簧，套设有弹簧的气动肌肉穿设在零泊松比蜂窝结构中，气动肌肉穿过零泊松比蜂窝结构中每个蜂窝单元的肋条件，气动肌肉的两端分别固设在零泊松比蜂窝结构的边界肋条件上，硅橡胶材料附着于零泊松比蜂窝结构的表面作为蒙皮材料。本发明基于气动肌肉的主动变形蜂窝结构蒙皮在垂直方向承载能力强，在变形方向上变形量大，变形量达30％～40％，蜂窝和气动肌肉可协调变形，控制简单。

Description

基于气动肌肉的主动变形蜂窝结构蒙皮

技术领域

本发明属于变形飞行器领域，具体涉及一种用于变形航空器的变形蒙皮结构。

背景技术

蜂窝结构有着优秀的几何力学性能，其具有极佳的抗压、抗弯特性和超轻型结构特征，因此在材料学科用有广泛应用。与同类型的实心材料相比，蜂窝材料其强度重量比和刚性重量比在已知材料中均是最高的。蜂窝结构板材具有许多优越的性能，从力学角度分析，封闭的六角等边蜂窝结构相比其他结构，能以最少的材料获得最大的受力，而蜂窝结构板受垂直于板面的载荷时，它的弯曲刚度与同材料、同厚度的实心板相差无几，甚至更高，但其重量却轻70～90％，而且不易变形，不易开裂和断裂，并具有减震、隔音、隔热和极强的耐候性等优点。

气动肌肉，它用限制变形的支撑材料作为骨架，骨架内部是可膨胀的气囊(或类气囊)结构，通过气囊的膨胀和收缩来执行各种柔顺的动作，这种结构继承了气动元件的基本优点，同时还具备了结构简单、高柔性和良好的仿生特征等其他机械执行机构所无法比拟的特点。硅橡胶材料主要用于飞机的密封、减振、防护、传输等部位，耐热性，耐寒性极其优异，也具有耐候性、耐臭氧性、耐电晕性、耐化学品和耐油性，是实现航空装备各项功能，保障零部件安全及可靠性的关键材料。

传统飞行器起降距离较长，油耗大，巡航距离有限，上升有限；传统机翼变形能力弱，传统材料重量大，结构复杂，维修费用高昂，几何外形在多数情况下都不是最优状态。而变形飞行器可以针对外界环境来自主调节，达到最优的飞行目标，机翼要实现展长、弦长、面积等的大幅度变化，要承受足够大的变形，且需要足够的刚度维持机翼的气动外形。变形飞行器蒙皮领域需要可靠性高，多功能变形蒙皮，使变形飞行器的机翼像鸟的翅膀那样自由地伸展。

发明内容

本发明的目的为了解决现有变形蒙皮结构的变形性能不足的问题，而提出在垂直方向承载能力强，在变形方向上变形量大，柔性强，光滑柔顺变形大，承载能力强、轻质、安全可靠的一种基于气动肌肉的主动变形蜂窝结构蒙皮。

本发明基于气动肌肉的主动变形蜂窝结构蒙皮包括硅橡胶材料、气动肌肉、弹簧和零泊松比蜂窝结构，气动肌肉的外表面套设有弹簧，套设有弹簧的气动肌肉穿设在零泊松比蜂窝结构中，套设有弹簧的气动肌肉穿过零泊松比蜂窝结构中每个蜂窝单元的肋条件，套设有弹簧的气动肌肉的两端分别固设在零泊松比蜂窝结构的边界肋条件上，硅橡胶材料附着于零泊松比蜂窝结构的表面作为蒙皮材料。

本发明所述的零泊松比蜂窝结构是一种由多边(蜂窝)单元阵列形成的网格结构。

本发明中的气动肌肉具备了结构简单、高柔性和良好的仿生特征。零泊松比蜂窝结构具有减震、隔音、隔热和极强的耐候性，高强度，高刚度，且变形能力强；变形飞行器的机翼大的面外承载能力，以使蒙皮在安全可靠的同时能在较高的气动载荷下用较小的变形能就能实现大变形。需要在一个方向尺寸不变的情况下另一方向发生变形，即采用零泊松比蜂窝结构。

为使蒙皮具备良好的气密性，耐候性、耐臭氧性，且表面光滑、连续，采用硅橡胶材料附着于蒙皮表面。柔性硅橡胶材料维持飞行器光滑完整的气动外形，零泊松比蜂窝结构承担气动载荷而产生的面外压力。

本发明基于气动肌肉的主动变形蜂窝结构蒙皮在垂直方向承载能力强，在变形方向上变形量大，柔性强，质量轻，性能可靠；蒙皮表面附着硅橡胶材料，取消了传统的铰链，并且可以实现平滑连续的大变形，能够满足机翼变形和气密要求；此主动变形蜂窝结构蒙皮具有良好的主动变形性能，零泊松比蜂窝结构的变形量加气动肌肉变形量使该主动变形蜂窝结构蒙皮的变形量达30％～40％，这样在蒙皮结构中，蜂窝和气动肌肉可协调变形，控制简单，在变形飞行器的变形蒙皮领域应用前景广阔。

附图说明

图1为零泊松比蜂窝结构的主视图；

图2为基于气动肌肉的主动变形蜂窝结构蒙皮在收缩状态时的结构示意图，其中箭头代表变形方向；

图3为基于气动肌肉的主动变形蜂窝结构蒙皮在伸展状态时的结构示意图；

图4为具体实施方式五所述的多层零泊松比蜂窝结构的侧视示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式基于气动肌肉的主动变形蜂窝结构蒙皮包括硅橡胶材料、气动肌肉2、弹簧3和零泊松比蜂窝结构1，气动肌肉2的外表面套设有弹簧3，套设有弹簧3的气动肌肉2穿设在零泊松比蜂窝结构1中，套设有弹簧3的气动肌肉2穿过零泊松比蜂窝结构1中每个蜂窝单元的肋条件1-1，套设有弹簧3的气动肌肉2的两端分别固设在零泊松比蜂窝结构1的边界肋条件1-2上，硅橡胶材料附着于零泊松比蜂窝结构1的表面作为蒙皮材料。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是所述的零泊松比蜂窝结构1为蛇形零泊松比蜂窝结构、手风琴蜂窝结构或八边形零泊松比蜂窝结构。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是气动肌肉2通过导气管与气压系统相连。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是基于气动肌肉的主动变形蜂窝结构蒙皮由多个零泊松比蜂窝结构叠层而成。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是基于气动肌肉的主动变形蜂窝结构蒙皮由3～5个零泊松比蜂窝结构叠层而成。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是零泊松比蜂窝结构1的材质为热塑性聚氨酯。

实施例：本实施例基于气动肌肉的主动变形蜂窝结构蒙皮包括硅橡胶材料、气动肌肉2、弹簧3和零泊松比蜂窝结构1，气动肌肉2的外表面套设有弹簧3，套设有弹簧3的气动肌肉2穿设在零泊松比蜂窝结构1中，套设有弹簧3的气动肌肉2穿过零泊松比蜂窝结构1中每个蜂窝单元的肋条件1-1，套设有弹簧3的气动肌肉2的两端分别固定在零泊松比蜂窝结构1的边界肋条件1-2上，硅橡胶材料附着于零泊松比蜂窝结构1的表面作为蒙皮材料。

本实施例基于气动肌肉的主动变形蜂窝结构蒙皮应用于变形飞行器机翼，当翼展改变时，变形飞行器机翼蒙皮也相应的发生一维伸缩变形。在不同的飞行速度下，机翼的翼展应发生相应改变。

在高速飞行时，则较小的翼展会使飞行器拥有更大的优势，可以有效减小空气阻力；对气动肌肉内部柔性管进行气压激励时，柔性管会产生弹性变形而膨胀和伸长，刚度较大的编织网套会限制其发生伸长变形。这样气动肌肉内部的柔性管只会在直径方向上产生较大的变形，由于编织网套在膨胀时收缩的特性，在编织网的编织角变大的同时，气动肌肉在轴向方向收缩，使气动肌肉上的弹簧受外界负载压力收缩，促使零泊松比蜂窝主动变形，产生X方向的轴向收缩，而Y方向不发生变形的效果，起到收缩飞行器机翼翼展和面积的作用。

在低速巡航时，较大的翼展对飞行器来说更为有利，可以获得更大的升力；气动肌肉气压力被释放后，弹性的橡胶材料迫使纤维编织网回复原位，使气动肌肉上的弹簧卸掉外力载荷，产生弹性形变，弹簧恢复原长，促使零泊松比蜂窝主动变形，产生X方向的轴向伸展，而Y方向不发生变形的效果，起到伸展飞行器机翼翼展和面积的作用。

柔性硅橡胶材料维持飞行器光滑完整的气动外形，零泊松比蜂窝结构承担气动载荷而产生的面外压力。

本实施例基于气动肌肉的主动变形蜂窝结构蒙皮展现出良好的变形性能，高刚度，高强度，隔热，减震性能。本发明主动变形蜂窝结构蒙皮在垂直方向承载能力强，在变形方向上变形量大，柔性强，质量轻，性能可靠；蒙皮表面附着硅橡胶材料，取消了传统的铰链，并且可以实现平滑连续的大变形，满足机翼变形和气密要求；舷向在小的驱动力下就能发生柔顺变形；在翼展方向上有足够刚度承受空气载荷以及惯性力；耐磨，耐化学腐蚀；能适应不同的天气条件；有大应变能力；应变恢复能力强；时间的环境适用能力以及允疲劳强度高。此主动变形蜂窝蒙皮具有良好的主动变形性能，控制简单。

Claims (6)

1.基于气动肌肉的主动变形蜂窝结构蒙皮，其特征在于该基于气动肌肉的主动变形蜂窝结构蒙皮包括硅橡胶材料、气动肌肉(2)、弹簧(3)和零泊松比蜂窝结构(1)，气动肌肉(2)的外表面套设有弹簧(3)，套设有弹簧(3)的气动肌肉(2)穿设在零泊松比蜂窝结构(1)中，套设有弹簧(3)的气动肌肉(2)穿过零泊松比蜂窝结构(1)中每个蜂窝单元的肋条件(1-1)，套设有弹簧(3)的气动肌肉(2)的两端分别固设在零泊松比蜂窝结构(1)的边界肋条件(1-2)上，硅橡胶材料附着于零泊松比蜂窝结构(1)的表面作为蒙皮材料。

2.根据权利要求1所述的基于气动肌肉的主动变形蜂窝结构蒙皮，其特征在于所述的零泊松比蜂窝结构(1)为蛇形零泊松比蜂窝结构、手风琴蜂窝结构或八边形零泊松比蜂窝结构。

3.根据权利要求1所述的基于气动肌肉的主动变形蜂窝结构蒙皮，其特征在于气动肌肉(2)通过导气管与气压系统相连。

4.根据权利要求1所述的基于气动肌肉的主动变形蜂窝结构蒙皮，其特征在于基于气动肌肉的主动变形蜂窝结构蒙皮由多个零泊松比蜂窝结构叠层而成。

5.根据权利要求4所述的基于气动肌肉的主动变形蜂窝结构蒙皮，其特征在于基于气动肌肉的主动变形蜂窝结构蒙皮由3～5个零泊松比蜂窝结构叠层而成。

6.根据权利要求1所述的基于气动肌肉的主动变形蜂窝结构蒙皮，其特征在于零泊松比蜂窝结构(1)的材质为热塑性聚氨酯。