CN109533279B - 一种变体飞机柔性机翼及其变刚度蒙皮结构和制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变体飞机柔性机翼及其变刚度蒙皮结构和制备方法，包括：变刚度蒙皮单元；所述变刚度蒙皮单元包括：两层介电弹性体材料单层膜、两层纤维单元和抽气管；每层介电弹性体材料单层膜的上表面和下表面均涂抹有柔性电极；纤维单元均封装于两层介电弹性体材料单层膜之间；介电弹性体材料单层膜通电变形时，纤维单元之间能够发生相对滑动；抽气管封装于两层介电弹性体材料单层膜之间，抽气管的进气口设置于各纤维单元之间，抽气管的出气口通出变刚度蒙皮单元。本发明具有轻型、高效和响应快的特点。

Description

一种变体飞机柔性机翼及其变刚度蒙皮结构和制备方法

技术领域

本发明属于变体飞行器机翼结构设计技术领域以及智能材料技术领域，特别涉及一种变体飞机柔性机翼及其变刚度蒙皮结构和制备方法。

背景技术

介电弹性体材料(Dielectric Elastomer，DE)是一种高弹性的高分子聚合物，由芯层的聚合物薄膜和上下柔性电极组成。聚合物薄膜受到电场的作用产生面积扩张变形，而柔性电极将外界的电压信号输送到薄膜表面，起到导电介质的作用。在外加电场作用下，介电弹性体可以产生大变形，具有高弹性能密度、短反应时间、高效率、柔性轻质等特点。在航天航空、仿生机械、生物医学等多个领域极具有应用前景。

变形机翼在飞行中的变形过程需要蒙皮结构、变形驱动器及变形机构这几项关键技术的支持。蒙皮结构由于与飞行环境直接接触，是变形效果的终端输出，因此蒙皮结构的变形效果直接关系到变体飞机的飞行性能。蒙皮结构中集成了智能材料、作动器、传感器等功能器件，通过柔顺、平滑、自主地改变飞机的局部或整体外形来改变机翼的气动特性，以适应不同的飞行条件，大大提高了变体飞机的自适应性。除此之外，蒙皮结构还承受并传递气动载荷，需要保证表面光滑，使机翼具有良好的气密性；变形驱动器为变形机翼变形时提供足够的变形动力；变形机构直接影响机翼蒙皮构型与气动外形，进而影响飞机的效率与性能。现有的变体飞机柔性机翼中的蒙皮结构及其驱动单元具有反应时间较长、效率较低以及质量较重的缺陷。

综上，亟需一种新型的变体飞机柔性机翼骨架结构以及变刚度蒙皮单元。

发明内容

本发明的目的在于提供一种变体飞机柔性机翼及其变刚度蒙皮结构和制备方法，以解决上述存在的技术问题。本发明的变刚度蒙皮结构反应时间较短，效率较高；本发明能够使变体飞机机翼实现弯曲变形并保持飞行姿态，进而可适应不同飞行环境。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种变体飞机柔性机翼的变刚度蒙皮结构，包括：变刚度蒙皮单元；所述变刚度蒙皮单元包括：两层介电弹性体材料单层膜、两层以上的纤维单元和抽气管；每层介电弹性体材料单层膜的上表面和下表面均涂抹有柔性电极；各层纤维单元均封装于两层介电弹性体材料单层膜之间；介电弹性体材料单层膜通电变形时，纤维单元之间能够发生相对滑动；抽气管封装于两层介电弹性体材料单层膜之间，抽气管的进气口设置于所述变刚度蒙皮单元内，抽气管的出气口通出变刚度蒙皮单元。

进一步地，纤维单元的层数为两层；纤维单元设置于介电弹性体材料单层膜涂抹有柔性电极的位置；纤维单元的材料为涤纶纤维、腈纶纤维、尼龙纤维、氯纶纤维、动物毛发。

进一步地，介电弹性体材料为聚丙烯酸酯或硅橡胶。

进一步地，柔性电极材料为导电碳膏、碳膏与硅橡胶混合电极材料、碳粉与硅橡胶混合电极材料或导电水凝胶。

一种变体飞机柔性机翼，包括：内翼、外翼和本发明所述的变刚度蒙皮单元；内翼的外端与外翼的内端铰接，铰接处固定设置有所述的变刚度蒙皮单元。

进一步地，铰接处的上下两侧均固定设置有所述的变刚度蒙皮单元。

一种变体飞机柔性机翼的变刚度蒙皮结构的制备方法，包括以下步骤：

(1)通过步骤1至步骤3制备两层介电弹性体材料单层膜；

步骤1，拉伸介电弹性体材料薄膜至预设预拉伸倍数；

步骤2，固定步骤1处理过的介电弹性体材料薄膜，使其保持住预拉伸倍数；

步骤3，根据预设加电区域形状在步骤2处理后的介电弹性体材料薄膜上涂抹柔性电极，在电极引脚引出电极，加热后获得一层介电弹性体材料单层膜；

(2)将两纤维单元相对交错布置，一纤维单元的一端固定在第一层介电弹性体材料单层膜表面电极区域下端，另一纤维单元固定于第一层介电弹性体材料单层膜表面电极区域上端，使得各纤维单元在介电弹性体材料单层膜发生变形时能够发生相对滑动；将抽气管固定在第一层介电弹性体材料单层膜表面，抽气管的出气口从变刚度蒙皮结构伸出与真空泵相连通；

(3)用第二层介电弹性体材料单层膜覆盖纤维单元和抽气管，将两层介电弹性体材料单层膜叠加在一起，完成封装获得变刚度蒙皮结构。

进一步地，还包括步骤(4)；(4)将剪切条固定在变刚度蒙皮结构的加电电极区域上方；将预设的加电部分薄膜裁剪下来，完成机翼蒙皮制备。

进一步地，步骤1，用等双轴拉伸器拉伸介电弹性体材料薄膜，预拉伸倍数的取值范围为2*2至5*5倍；

步骤2，用金属框粘结固定等双轴拉伸器拉过的介电弹性体材料薄膜，使其保持住预拉伸倍数；

步骤3，按照预设加电区域的形状裁剪离型纸，把裁剪后的离型纸光面贴在介电弹性体材料薄膜上，然后涂抹柔性电极；揭掉离型纸，在电极引脚区域贴上金属导电胶带，引出电极，在流延机70℃～80℃环境下加热0.5h～1h，完成一层介电弹性体材料单层膜的制备。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的变刚度柔性可变飞机机翼蒙皮结构采用了介电弹性体材料制备变刚度蒙皮单元，并采用铰链结构对机翼骨架进行设计。介电弹性体具有高弹性能密度、响应时间短、柔性轻质的特点，可以将介电弹性体制备的变刚度蒙皮单元与机翼骨架组装，将驱动器与机翼蒙皮一体化，即具有蒙皮的结构功能也具有驱动变形的功能，克服了变体飞机变形慢、变形结构复杂、结构质量重等缺点；本发明适用于轻型变体飞行器，具有轻质、高效和响应快的特点。

附图说明

图1是本发明的一种变刚度变体飞机柔性机翼蒙皮结构的整体结构示意图；

图2是本发明的一种变刚度变体飞机柔性机翼蒙皮结构的横向剖面结构示意图；

图3是本发明的一种变刚度变体飞机柔性机翼蒙皮结构中的变刚度蒙皮单元的内部结构示意图；

图1至图3中，1-内翼、2-固定销、3-第一圆柱铰链、4-第二圆柱铰链、5-连接转轴、6-变刚度蒙皮单元、7-外翼、8-介电弹性体材料单层膜、9-纤维单元、10-抽气管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

请参阅图1至图3，本发明的一种变体飞机柔性机翼，包括：机翼骨架和变刚度蒙皮单元6。机翼骨架由内翼1、第一圆柱铰链3、第二圆柱铰链4、外翼7通过连接转轴5连接而成，变刚度蒙皮单元6通过固定销2固定在机翼骨架的两侧与机翼骨架组装成一个完整的蒙皮结构。具体连接关系如下：內翼1通过连接转轴5与第一圆柱铰链3相连在一起，第一圆柱铰链3通过连接转轴5与第二圆柱铰链4相连在一起，第二圆柱铰链4通过连接转轴5与外翼7相连在一起，变刚度蒙皮单元6通过固定销2定位在机翼骨架两侧并通过强力胶将其固定。

请参阅图3，本发明的一种变体飞机柔性机翼的变刚度蒙皮结构，包括：变刚度蒙皮单元6；所述变刚度蒙皮单元6包括：抽气管10、两层介电弹性体材料单层膜8和两层以上的纤维单元9；每层介电弹性体材料单层膜8的上表面和下表面均涂抹有柔性电极；纤维单元9均封装于两层介电弹性体材料单层膜8之间；介电弹性体材料单层膜8通电变形时，纤维单元9之间能够发生相对滑动；抽气管10封装于两层介电弹性体材料单层膜8之间，抽气管10的进气口设置于各纤维单元9之间，抽气管的出气口通出变刚度蒙皮单元6与真空泵相连通。例如，纤维单元9的层数可以为两层；纤维单元9设置于介电弹性体材料单层膜8涂抹有柔性电极的位置；纤维单元9的材料为涤纶纤维、腈纶纤维、尼龙纤维、氯纶纤维或动物毛发。介电弹性体材料为聚丙烯酸酯或硅橡胶。柔性电极材料为导电碳膏、碳膏与硅橡胶混合电极材料、碳粉与硅橡胶混合电极材料或导电水凝胶。

本发明中的变刚度蒙皮单元为介电弹性体和纤维单元相结合的复合智能材料；蒙皮结构变形并保持通过电气混合方式驱动变形和维持刚度，适用于轻型变体飞行器，具有轻质、高效和响应快的特点。

本发明的工作过程：

在未加电的情况下，由于具有相同预拉伸倍数的变刚度蒙皮单元6被安装在机翼骨架两侧，两侧薄膜张力相同，所以蒙皮机构在中间位置保持稳定状态，当对一侧变刚度蒙皮单元6施加电压后，该侧薄膜发生面内扩张变形，而另一侧变刚度蒙皮单元6由于收缩变形释放一定预拉伸力，借助第一圆柱铰链3和第二圆柱铰链4，该蒙皮机构向未施加电的一侧转动。在真空泵通过抽气管10抽真空条件下，蒙皮之中实现负压状态，使得蒙皮之中的纤维单元9之间摩擦力增大，从而实现变刚度功能。

本发明的一种变体飞机柔性机翼的变刚度蒙皮结构的制备方法，包括以下步骤：

1)用等双轴拉伸器拉伸介电弹性体材料薄膜，预拉伸倍数为4*4倍；

2)用金属框粘结固定等双轴拉伸器拉过的介电弹性体材料薄膜，使其保持住预拉伸倍数；

3)按照预设加电区域的形状裁剪离型纸，并把裁剪后的离型纸光面贴在介电弹性体材料薄膜上，然后涂抹柔性电极；

4)揭掉离型纸，在电极引脚区域贴上金属导电胶带，引出电极，在流延机70℃～80℃环境下加热0.5h～1h，完成一层膜的制备；

5)重复步骤(1)至步骤(4)，完成两个单层膜的制备；

6)把均匀分布排列在一起的两层纤维丝用硅橡胶粘结剂粘在制备好的介电弹性体材料薄膜表面电极区域上方，两层纤维丝相对交错粘接在介电弹性体表面；用硅橡胶粘结剂将抽气管粘接在纤维单元与变形加电区域的边界；

7)用另一张薄膜覆盖相对交错在一起的纤维丝，两层介电弹性体材料单层膜叠加在一起，对纤维丝起到一个封装作用；

8)用硅橡胶粘结剂将有机玻璃棒(剪切条)粘在介电弹性体材料薄膜加电电极区域上方；用剪刀把所需的加电部分的膜裁剪下来，机翼蒙皮制备完成。

现有对蒙皮结构的驱动研究中采用了形状记忆合金(Shape Memory Alloy，SMA)、气动液压，以及压电作动器等方法进行了尝试，并且研制出了一些演示样机。但这些原理样机都存在一定程度的不足之处。SMA驱动中存在响应慢，冷却方式比较复杂的不足，需要依靠额外机构提供能量来维持变形。而气动液压驱动的变形机构往往结构比较复杂，体积较大，在有限空间内难以实现作动器与机翼蒙皮结构的有效集成。压电作动器的变形量较小(微米级)，很难驱动蒙皮结构的宏观变形。本发明的变刚度柔性可变飞机机翼蒙皮结构采用了介电弹性体材料制备变刚度蒙皮单元，并采用铰链结构对机翼骨架进行设计。介电弹性体具有高弹性能密度、响应时间短、柔性轻质的特点，可以将介电弹性体制备的变刚度蒙皮单元与机翼骨架组装，将驱动器与机翼蒙皮一体化，即具有蒙皮的结构功能也具有驱动变形的功能，克服了变体飞机变形慢、变形结构复杂、结构质量重等缺点；适用于轻型变体飞行器，具有轻质、高效和响应快的特点。

综上，本发明提供一种具有智能化，集成化，轻型化的蒙皮结构，可大大提高可变体飞行器的功能水平。本发明公开的新型变刚度柔性可变飞机机翼蒙皮结构，属于变体飞机机翼结构设计技术领域与智能材料领域；具体包括內翼、外翼、圆柱铰链、连接转轴、固定销及新型变刚度蒙皮单元；机翼骨架由內翼、外翼及圆柱铰链通过连接转轴连接而成；变刚度蒙皮单元通过将介电弹性体薄膜拉伸，用外部保持装置保持其预拉伸状态后，涂抹电极加热，然后在电极区域加纤维单元，最后用另一涂抹电极的预拉伸介电弹性体薄膜进行封装；变刚度蒙皮单元通过固定销固定在机翼骨架的两侧与机翼骨架组装成一个完整的蒙皮结构。本发明中，给变刚度蒙皮单元加电，蒙皮结构发生弯曲变形，用真空泵对蒙皮单元进行抽真空，蒙皮结构外侧蒙皮刚度增大。本发明具有完成机翼弯曲变形功能，具有轻型，高效，响应快的特点。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明精神与原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种变体飞机柔性机翼的变刚度蒙皮结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)通过步骤1至步骤3制备两层介电弹性体材料单层膜；

步骤1，拉伸介电弹性体材料薄膜至预设预拉伸倍数；

步骤2，固定步骤1处理过的介电弹性体材料薄膜，使其保持住预拉伸倍数；

步骤3，根据预设加电区域形状在步骤2处理后的介电弹性体材料薄膜上涂抹柔性电极，在电极引脚引出电极，加热后获得介电弹性体材料单层膜；

(2)将两纤维单元相对交错布置，一纤维单元的一端固定在第一层介电弹性体材料单层膜表面电极区域下端，另一纤维单元固定于第一层介电弹性体材料单层膜表面电极区域上端，使得两纤维单元在介电弹性体材料单层膜发生变形时能够发生相对滑动；将抽气管固定在第一层介电弹性体材料单层膜表面，抽气管的出气口伸出变刚度蒙皮单元与真空泵相连通；

(3)用第二层介电弹性体材料单层膜覆盖纤维单元和抽气管，将两层介电弹性体材料单层膜叠加在一起，完成封装获得变刚度蒙皮结构。

2.根据权利要求1所述的一种变体飞机柔性机翼的变刚度蒙皮结构的制备方法，其特征在于，还包括步骤(4)；

(4)将剪切条固定在变刚度蒙皮结构的加电电极区域上方；将预设的加电部分薄膜裁剪下来，完成机翼蒙皮制备。

3.根据权利要求1所述的一种变体飞机柔性机翼的变刚度蒙皮结构的制备方法，其特征在于，

步骤1，用等双轴拉伸器拉伸介电弹性体材料薄膜，预拉伸倍数的取值范围为2*2至5*5倍；

步骤2，用金属框粘结固定等双轴拉伸器拉过的介电弹性体材料薄膜，使其保持住预拉伸倍数；

步骤3，按照预设加电区域的形状裁剪离型纸，把裁剪后的离型纸光面贴在介电弹性体材料薄膜上，然后涂抹柔性电极；揭掉离型纸，在电极引脚区域贴上金属导电胶带，引出电极，在流延机70℃～80℃环境下加热0.5h～1h，完成一层介电弹性体材料单层膜的制备。

4.一种变体飞机柔性机翼的变刚度蒙皮结构，其特征在于，采用权利要求1所述的制备方法；包括：变刚度蒙皮单元(6)；

所述变刚度蒙皮单元(6)包括：抽气管(10)、两层介电弹性体材料单层膜(8)和两层以上的纤维单元(9)；

每层介电弹性体材料单层膜(8)的上表面和下表面均涂抹有柔性电极；

各层纤维单元(9)均封装于两层介电弹性体材料单层膜(8)之间；介电弹性体材料单层膜(8)通电变形时，纤维单元(9)之间能够发生相对滑动；

抽气管(10)封装于两层介电弹性体材料单层膜(8)之间，抽气管(10)的进气口设置于所述变刚度蒙皮单元(6)内，抽气管的出气口通出变刚度蒙皮单元(6)。

5.根据权利要求4所述的一种变体飞机柔性机翼的变刚度蒙皮结构，其特征在于，纤维单元(9)的层数为两层；纤维单元(9)设置于介电弹性体材料单层膜(8)涂抹有柔性电极的位置；纤维单元(9)的材料为涤纶纤维、腈纶纤维、尼龙纤维、氯纶纤维或动物毛发。

6.根据权利要求4所述的一种变体飞机柔性机翼的变刚度蒙皮结构，其特征在于，介电弹性体材料为聚丙烯酸酯或硅橡胶。

7.根据权利要求4所述的一种变体飞机柔性机翼的变刚度蒙皮结构，其特征在于，柔性电极材料为导电碳膏、碳膏与硅橡胶混合电极材料、碳粉与硅橡胶混合电极材料或导电水凝胶。

8.一种变体飞机柔性机翼，其特征在于，包括权利要求4至7中任一项所述的变刚度蒙皮结构。

9.一种变体飞机柔性机翼，其特征在于，包括：内翼(1)、外翼(7)和权利要求4所述的变刚度蒙皮单元(6)；

内翼(1)的外端与外翼(7)的内端铰接，铰接处固定设置有所述的变刚度蒙皮单元(6)。

10.根据权利要求9所述的一种变体飞机柔性机翼，其特征在于，铰接处的上下两侧均固定设置有所述的变刚度蒙皮单元(6)。

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