CN108995792B - 复合材料结构的空气舵 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种复合材料结构的空气舵，包括舵面(1)、舵轴(2)，所述舵面(1)与舵轴(2)通过紧固件(3)连接；其中，所述舵面(1)包括前缘(4)、舵芯、防热套(8)，所述舵芯包括过渡结构、主体结构(7)，所述过渡结构包括过渡条(5)、中间体(6)；前缘(4)、过渡条(5)、中间体(6)、主体结构(7)依次连接，舵面(1)通过主体结构(7)连接舵轴(2)，其中，中间体(6)、主体结构(7)外部包覆防热套(8)，前缘(4)、过渡条(5)、防热套(8)共同组成空气舵的气动外形。本发明结构合理、采用了多种低密度复合材料，保证了高速大热流飞行条件下空气舵的结构完整性和可靠性。

Description

复合材料结构的空气舵

技术领域

本发明涉及航空航天领域，具体地涉及复合材料结构的空气舵，尤其是高超声速导弹、火箭等飞行器的空气舵技术。

背景技术

空气舵是导弹、火箭等飞行器的重要组成部分，空气舵位于飞行器外部，通过改变空气气流来产生侧向控制力，从而改变飞行器飞行姿态，对导弹、火箭可控飞行控制及其稳定性、精度影响较大。随着飞行器飞行速度的快速提高，面临越来越严重的气动加热，空气舵结构温度快速升高会带来结构强度、刚度下降，并可能引发飞行器热颤振；为此，要求空气舵具有足够的耐高温能力、耐烧蚀性能、热强度和刚度，并具有一定的抗热颤振能力。高速飞行器的空气舵一般由前缘、舵芯、防热套和舵轴等组成，其中前缘和防热套用于空气舵气动防热，保护作为承载结构的舵芯和传递驱动扭矩的舵轴，一般将前缘、舵芯和防热套的组合结构称为舵面。目前，高速导弹、火箭空气舵主要采用钛合金为舵芯，外包覆耐烧蚀复合材料防热套，前缘等高温区为高温合金的结构；但此类空气舵存在着质量较大、质心控制困难、较易发生热颤振以及不同材料界面在高温下分离等问题，在较严酷飞行环境下使用会受到限制。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种复合材料结构的空气舵，尤其是一种复合材料轻质结构的高速飞行器空气舵。

根据本发明提供的一种复合材料结构的空气舵，包括舵面、舵轴，所述舵面与舵轴紧固连接；其中，所述舵面包括前缘、舵芯、防热套，所述舵芯包括过渡结构、主体结构，所述过渡结构包括过渡条、中间体；前缘、过渡条、中间体、主体结构依次连接，舵面通过主体结构连接舵轴，其中中间体、主体结构外部包覆防热套；前缘、过渡条、防热套共同组成空气舵的气动外形。

优选地，所述前缘采用碳纤维增强碳基或陶瓷基复合材料制成，外表面设有耐高温氧化涂层。

优选地，所述过渡条采用铌合金制成，外表面设有抗热氧化涂层。

优选地，所述中间体采用钛合金制成；过渡条、中间体采用热喷涂或焊接连接形成过渡结构。

优选地，所述主体结构采用碳纤维或碳化硅增强铝基复合材料材料板状结构制成，外表面设有氧化锆陶瓷隔热涂层。

优选地，所述防热套采用纤维增强酚醛树脂基复合材料，并且树脂基体中添加陶瓷空心微珠低密度无机材料。

优选地，所述舵轴采用耐热钢或钛合金，外表设有氧化锆陶瓷隔热涂层。

优选地，所述前缘与过渡条之间采用活性钎料高温钎焊连接。

优选地，所述中间体与主体结构之间采用低温钎焊或扩散焊焊接连接。

优选地，所述防热套与主体结构之间设有高温橡胶界面层。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明采用多种低密度复合材料，同尺寸、同体积结构质量低于现有空气舵的0.6倍，大幅减小结构质量。

2、本发明采用多种低密度复合材料，使空气舵具有高的比刚度，在高速飞行条件下颤振概率接近于零。

3、本发明舵面前部采用铌合金、钛合金等较高密度的过渡结构，使轻质空气舵质心偏前且可控。

4、本发明采用梯度过渡的不同材料界面设计，使不同物理特性的复合材料之间的界面通过弹性或塑性过渡层连接，消除了界面热应力、热变形，保证了高速大热流飞行条件下空气舵的结构完整性和可靠性。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的外形示意图。

图2为本发明舵面与舵轴装配连接过程的剖面示意图。

图3为本发明的横向剖面示意图。

图中示出：

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

根据本发明提供的一种复合材料结构的空气舵，尤其是一种复合材料轻质结构的高速飞行器空气舵，如图1所示，包括舵面1和舵轴2，舵面1与舵轴2之间紧固连接，优选地，采用如图2所示的耐热钢或钛合金铆钉3连接，或者采用低温钎焊或扩散焊焊接连接。

如图3所示，舵面1包括前缘4、舵芯、防热套8，其中，舵芯包括过渡结构、主体结构7，过渡结构包括过渡条5、中间体6；前缘4、过渡条5、中间体6、主体结构7依次连接，舵面1通过主体结构7连接舵轴2，其中，中间体6、主体结构7外部包覆防热套8，形成大面积防热区稍厚、后部和梢部较薄的变厚度结构；前缘4、过渡条5、防热套8共同组成空气舵的气动外形。

所述前缘4采用碳纤维增强碳基或陶瓷基复合材料制成，外表面设有致密的耐高温氧化涂层，用于承受空气舵前部高温热流和烧蚀，可实现极低烧蚀并保持空气舵前缘外形。所述过渡条5采用铌合金制成，外表面设有抗热氧化涂层；中间体6采用钛合金制成；过渡条5、中间体6采用热喷涂或焊接连接成一体，作为空气舵的过渡结构，利用铌合金、钛合金密度远大于碳纤维增强铝基复合材料、碳纤维增强碳基或陶瓷基复合材料的特点以及过渡结构位于空气舵前部的位置，实现空气舵质心靠前。所述主体结构7采用碳纤维或碳化硅增强铝基复合材料材料板状结构制成，外表面设有氧化锆等陶瓷隔热涂层，用于承受空气舵气动载荷和控制力矩。所述防热套8采用纤维增强酚醛树脂基复合材料，并且树脂基体中添加陶瓷空心微珠等低密度无机材料，承受空气舵大面积的气动热流的防热、隔热，纤维增强体提供防热套的强度和刚度并保持其在高温气流冲刷、烧蚀下的结构稳定性。所述舵轴2采用耐热钢或钛合金，外表设有氧化锆等陶瓷隔热涂层。

所述前缘4与过渡条5之间采用活性钎料高温钎焊连接，优选地，采用Ti-Ni-Nb活性钎料高温钎焊连接，利用Ti的低膨胀特性，减小界面热应力，并利用Ni、Nb的耐高温特性，提高界面高温力学性能。所述中间体6与主体结构7之间采用低温钎焊连接或扩散焊焊接，优选地，采用Al-Si-Sn活性钎料低温钎焊连接，低温钎焊有效降低了界面应力，利用Si、Sn抑制了Ti、Al金属间化合物脆性相的形成，提高界面力学性能。为了防止防热套8高温脱粘，所述防热套8与中间体6、主体结构7之间设有高温橡胶界面层，利用橡胶的弹性补偿防热套8与主体结构7不同复合材料之间的线膨胀系数差异引起的界面热应力和热变形，优选地，高温橡胶界面层的厚度为0.2～0.5mm。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (4)

1.一种复合材料结构的空气舵，其特征在于，包括舵面(1)、舵轴(2)，所述舵面(1)与舵轴(2)紧固连接；其中，所述舵面(1)包括前缘(4)、舵芯、防热套(8)；所述舵芯包括过渡结构、主体结构(7)，所述过渡结构包括过渡条(5)、中间体(6)；前缘(4)、过渡条(5)、中间体(6)、主体结构(7)依次连接，舵面(1)通过主体结构(7)连接舵轴(2)，其中，中间体(6)、主体结构(7)外部包覆防热套(8)；前缘(4)、过渡条(5)、防热套(8)共同组成空气舵的气动外形；

所述前缘(4)采用碳纤维增强碳基或陶瓷基复合材料制成，外表面设有耐高温氧化涂层；

所述过渡条(5)采用铌合金制成，外表面设有抗热氧化涂层；

所述中间体(6)采用钛合金制成；过渡条(5)、中间体(6)采用热喷涂或焊接连接形成过渡结构；

所述主体结构(7)采用碳纤维或碳化硅增强铝基复合材料材料板状结构制成，外表面设有氧化锆陶瓷隔热涂层；

所述防热套(8)采用纤维增强酚醛树脂基复合材料，并且树脂基体中添加陶瓷空心微珠低密度无机材料；

所述舵轴(2)采用耐热钢或钛合金，外表设有氧化锆陶瓷隔热涂层。

2.根据权利要求1所述的复合材料结构的空气舵，其特征在于，所述前缘(4)与过渡条(5)之间采用活性钎料高温钎焊连接。

3.根据权利要求1所述的复合材料结构的空气舵，其特征在于，所述中间体(6)与主体结构(7)之间采用低温钎焊或扩散焊焊接连接。

4.根据权利要求1所述的复合材料结构的空气舵，其特征在于，所述防热套(8)与主体结构(7)之间设有高温橡胶界面层。

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