CN107985633A - 一种可折展柔性拱形机翼 - Google Patents
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Abstract
一种可折展柔性拱形机翼，它涉及一种拱形机翼。本发明为了解决现有的悬臂梁结构存在比强度和比刚度较低、质量重和可靠性差的问题。本发明包括拱形机翼(1)、张线(3)和两个载荷舱(4)，拱形机翼(1)为开口朝上的拱形机翼，张线(3)固结于拱形机翼(1)的两端并限制机翼两端的最大间距，两个载荷舱(4)分别固结于拱形机翼(1)两端。本发明采用独创性的设计，发挥超静定拱结构的特点实现了展开前具备高柔性，展开后具备高比刚度的机翼结构。为低翼载荷、可展开的固定翼飞行器提供了技术方案。本发明用于可展开飞行器。
Description
技术领域
本发明涉及一种可折展飞行器的机翼，具体涉及一种轻质可折展柔性拱形机翼。
背景技术
航天领域通常需要可展开的固定翼飞行器。如用于科学探测的火星无人飞行器能够弥补火星车活动范围小、速度慢、易沉陷的缺点，与火星车配合共同完成全方位、大范围的勘探；金星探测飞行器能够避开高温高压的金星表面，对金星大气进行较全面的探测分析。但固定翼无人飞行器的高效飞行需要较低的翼载荷和较大的翼展，而将其发射至遥远星体表面又需要其轻质且能被运载火箭狭小的载荷空间所容纳，因此其设计具有前所未有的挑战性。
目前问世的方案有三种：1、作为小型的二次有效载荷发射，但小型平台不能承载复杂的科学设备；2、在飞行器结构中布置铰链，以便将飞行器折叠、装入载荷空间中，在到达目标星球上空后展开；3、与方案2类似，但采用充气气囊构建所有主要结构以实现折叠和展开。同时，机翼是固定翼飞机最为关键也最笨重的部件，但在已发表的各方案中，可展开飞行器的机翼均为传统的悬臂梁结构，该类结构自身的比刚度和比强度较低，并且在承载气动载荷时产生弯矩。2、3两个方案均能实现大尺寸飞行器的展开，但在结构质量和可靠性方面面临挑战。如方案2中的机翼铰链需要展开驱动机构、锁紧机构等，并需要承受较大的弯矩，其结构质量大、可靠性差。方案3中的机翼气囊由于需要在弯矩下保持稳定的外形，因此需要较高的充气气压、较厚的机翼以及较大的充气量，使系统的质量和可靠性受到影响。
综上所述，现有的悬臂梁结构存在比强度和比刚度较低、质量重和可靠性差的问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的悬臂梁结构存在比强度和比刚度较低、质量重和可靠性差的问题。进而提供一种可折展柔性拱形机翼。
本发明的技术方案是：一种可折展柔性拱形机翼，它包括拱形机翼、张线和两个载荷舱，拱形机翼为开口朝上的拱形机翼，张线固结于拱形机翼的两端并限制机翼两端的最大间距，两个载荷舱分别固结于拱形机翼两端。
进一步地，拱形机翼由充气的囊体结构构成。
进一步地，拱形机翼由闭空隙发泡材料制成。
进一步地，它还包括N个铰链，拱形机翼分为N+1个翼段，相邻两个翼段之间通过一个铰链连接，且铰链位于拱形机翼的机翼平面下方，N+1个翼段之间向上弯曲过程中相互约束并形成弧形，N+1个翼段向下通过铰链进行转动并折叠。
进一步地，铰链的转轴垂直于拱形机翼的翼展。
进一步地，拱形机翼的初始形状为平直的柱体，在所述张线的作用下拱形机翼向上弯曲成圆心角为50-70度的弧形。
进一步地，拱形机翼的初始形状为平直的柱体，在所述张线的作用下拱形机翼向上弯曲成圆心角为60度的弧形。
本发明与现有技术相比具有以下效果：
1、本发明从根本上改变了机翼的受力方式与边界条件，利用了超静定拱结构的边界条件而非传统的悬臂梁边界条件。与传统的悬臂梁机翼相比，拱形机翼内的受力主要为较均匀的展向压应力，因此最大等效应力能够降低至10％数量级，即能使机翼的比强度和比刚度上升一个数量级，有利于实现结构的轻量化。
2、本发明由于采用了超静定拱结构边界条件，与传统的悬臂梁机翼相比，结构中的弯矩降低至5％以内，能避免机翼材料中的不连续，如铰链，对结构的力学性能带来的影响，因而有利于实现结构的折叠，能使可展开飞行器的设计取得突破性的进展。为低翼载荷、可展开的固定翼飞行器提供了技术方案。如在稀薄大气中飞行的火星无人飞行器若采用本发明的技术方案，则可以在运载火箭的有限载荷空间内装载更大更轻的机翼，实现高效长时间续航。高空长航时无人机若采用本发明的技术方案，则可以方便地面运输及投放，并降低结构质量以提高任务载荷。
3、本发明应用于充气机翼时，与传统的悬臂梁式充气机翼相比，由于结构中弯矩极低、最大等效应力降低至10％数量级，因此能够显著降低囊体结构所受的最大压应力，因而能够降低对机翼厚度、充气量和气压的要求，从而降低结构质量，并获得改善气动外形、提高气动效率的可能。
附图说明
图1是本发明的拱形机翼1为充气的囊体结构时的结构示意图；图2是本发明的拱形机翼1由闭空隙发泡材料制成的整体结构示意图；图3是图2的主视图；图4是图2折叠后的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式的一种可折展柔性拱形机翼，它包括拱形机翼1、张线3和两个载荷舱4，拱形机翼1为开口朝上的拱形机翼，张线3固结于拱形机翼1的两端并限制机翼两端的最大间距，两个载荷舱4分别固结于拱形机翼1两端。
本发明采用独创性的设计，发挥超静定拱结构的特点实现了展开前具备高柔性，展开后具备高比刚度的机翼结构。为低翼载荷、可展开的固定翼飞行器提供了技术方案。
本实施方式的载荷舱4装载质量相等。
本实施方式在正常飞行过程中，拱形机翼所受的气动升力分布在整个机翼上，而载荷舱的重力作用于机翼两侧，对机翼产生向下的力。由于机翼形状为开口朝上的拱形，且机翼两段的最大间距被张线限制，因此其受力的边界条件与建筑中常见的超静定拱结构相同。同时，由于机翼被铰链分割为若干个不连续的翼段，且机翼本身由柔性材料制成，因此机翼能够折叠。又由于铰链转轴位于机翼平面以下，因此基于超静定拱结构的特点，在正常飞行中翼段之间相互约束，使铰链不会转动、各翼段处于稳定的展开状态。若采用充气囊体构建拱形机翼，则可以省去铰链。
具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式的拱形机翼1由充气的囊体结构构成。如此设置，结构简单，质量轻。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图2至图4说明本实施方式，本实施方式的拱形机翼1由闭空隙发泡材料制成。拱形机翼1由轻质、柔性、抗压的闭孔隙发泡材料制成。如此设置，质量轻，成本低，抗冲击性能好。其它组成和连接关系与具体实施方式二相同。
本实施方式在实际使用过程中，拱形机翼1的材质为发泡聚丙烯、聚氨酯泡沫或聚酰亚胺泡沫。
具体实施方式四：结合图2至图4说明本实施方式，本实施方式还包括N个铰链2，拱形机翼1分为N+1个翼段，相邻两个翼段之间通过一个铰链2连接，且铰链2位于拱形机翼1的机翼平面下方，N+1个翼段之间向上弯曲过程中相互约束并形成弧形，N+1个翼段向下通过铰链2进行转动并折叠。如此设置，通过简单的铰链机构使机翼实现折叠，并在展开状态下自动实现承载而不需要锁紧机构。其它组成和连接关系与具体实施方式三相同。
本实施方式的各翼段之间相互约束，因此所述铰链2不能自由转动，而使所述拱形机翼1保持稳定的弧形。
如图3所示，当N＝4时，拱形机翼1被四个所述铰链2分为五个翼段。
具体实施方式五：结合图2至图4说明本实施方式，本实施方式的铰链2的转轴垂直于拱形机翼1的翼展。如此设置，使机翼折叠后各翼段相互对齐、折叠后的体积较小。其它组成和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2至图4说明本实施方式，本实施方式的拱形机翼1的初始形状为平直的柱体，在所述张线3的作用下拱形机翼1向上弯曲成圆心角为50-70度的弧形。如此设置，能实现跨度合理的拱形，在满足机翼结构强度、刚度要求的前提下实现合理的机翼展向升力分布。其它组成和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2至图4说明本实施方式，本实施方式的拱形机翼1的初始形状为平直的柱体，在所述张线3的作用下拱形机翼1向上弯曲成圆心角为60度的弧形。如此设置，能实现跨度合理的拱形，在满足机翼结构强度、刚度要求的前提下实现合理的机翼展向升力分布。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五或六相同。
如图2所示，拱形机翼1形成开口朝上的拱形，张线3固结于拱形机翼1两端并限制机翼两端的最大间距，载荷舱4固结于拱形机翼1两端。所述铰链2为传统的转轴式铰链，其转轴垂直于所述拱形机翼1的翼展，且位于所述拱形机翼1的机翼平面的下方。所述拱形机翼1由轻质、柔性、抗压的闭孔隙发泡材料制成，其材料在所述铰链2处不连续。
如图4所示，本发明能够沿所述铰链2折叠，折叠后结构外尺寸显著降低。
与传统的悬臂梁式机翼相比，所述的轻质柔性拱形机翼结构在展开后具有高比强度和比刚度。同时折叠所用的铰链不需要锁紧装置，因此可布置数量较多的铰链而对结构质量和可靠性的影响较小。
如图1所示，拱形机翼1形成开口朝上的拱形，张线3固结于拱形机翼1两端并限制机翼两端的最大间距，载荷舱4固结于拱形机翼1两端。所述拱形机翼1由可充气的囊体结构构成，囊体充气前可以折叠成并收纳于较小的体积，折叠后能够形成拱形机翼外形并承载载荷。
与传统的悬臂梁式充气机翼相比，所述轻质柔性拱形机翼能够显著降低和简化囊体的受力，因而能够降低对机翼厚度、充气量和气压的要求，从而降低结构质量、提高气动效率。
Claims (7)
1.一种可折展柔性拱形机翼，其特征在于：它包括拱形机翼(1)、张线(3)和两个载荷舱(4)，拱形机翼(1)为开口朝上的拱形机翼，张线(3)固结于拱形机翼(1)的两端并限制机翼两端的最大间距，两个载荷舱(4)分别固结于拱形机翼(1)两端。
2.根据权利要求1所述的一种可折展柔性拱形机翼，其特征在于：拱形机翼(1)由充气的囊体结构构成。
3.根据权利要求1所述的一种可折展柔性拱形机翼，其特征在于：拱形机翼(1)由闭空隙发泡材料制成。
4.根据权利要求3所述的一种可折展柔性拱形机翼，其特征在于：它还包括N个铰链(2)，拱形机翼(1)分为N+1个翼段，相邻两个翼段之间通过一个铰链(2)连接，且铰链(2)位于拱形机翼(1)的机翼平面下方，N+1个翼段之间向上弯曲过程中相互约束并形成弧形，N+1个翼段向下通过铰链(2)进行转动并折叠。
5.根据权利要求4所述的一种可折展柔性拱形机翼，其特征在于：铰链(2)的转轴垂直于拱形机翼(1)的翼展。
6.根据权利要求5所述的一种可折展柔性拱形机翼，其特征在于：拱形机翼(1)的初始形状为平直的柱体，在所述张线(3)的作用下拱形机翼(1)向上弯曲成圆心角为50-70度的弧形。
7.根据权利要求6所述的一种可折展柔性拱形机翼，其特征在于：拱形机翼1的初始形状为平直的柱体，在所述张线(3)的作用下拱形机翼(1)向上弯曲成圆心角为60度的弧形。
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