CN109533280B - 可扭转的充气机翼结构及其设计方法 - Google Patents

可扭转的充气机翼结构及其设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种可扭转的充气机翼结构及其设计方法，使用复合纤维，将其铺设在充气气囊表面，由于纤维是沿一定角度铺设，有一定的约束作用，导致充气之后机翼沿纤维方向和垂直于纤维方向的变形又不同，这样就使机翼产生扭转，从而实现对飞行器的滚转控制。

Description

可扭转的充气机翼结构及其设计方法
技术领域
本发明涉及飞行器结构设计领域，具体是一种可扭转的充气机翼结构及其设计方法。
背景技术
充气机翼是一种具有良好发展前景的新型柔性机翼，其结构十分简单，制造方便，运输储藏比较方便，在不使用的时候可以将机翼折叠起来，而在使用的时候又可以快速的充气展开成所需的形状，达到设计的气动外形，为飞机提供升力。
由于可充气伸展机翼本身结构特殊，难以在上面布置襟翼、副翼、扰流片等操纵部件，难以根据飞行时的飞行条件改变机翼的特征, 因此，为了提高充气机翼的飞行器滚转控制效率，还需要通过其他的手段产生滚转力矩。
现在大多数使用的充气机翼是整体充气的,不存在副翼,因此使用充气机翼的飞行器需要通过其他的手段产生滚转力矩,目前的研究集中于使非刚化的充气机翼产生变形,以提供滚转控制。
发明内容
本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种可扭转的充气机翼结构及其设计方法,通过在腔体结构中铺设纤维和纤维角度的设计，实现充气机翼的整体扭转形状控制，提高飞机滚转机动效率。这样就可以使具用充气机翼的飞行器能够根据不同飞行状况改变机翼形状，使飞行器的气动效率得到优化。
本发明提供了一种可扭转的充气机翼结构，包括由柔性高强度涂胶布加工而成的气囊，在该气囊的内部设置有若干条拉筋，拉筋将充气机翼分割成一个个相互连通的腔室。该拉筋结构一方面有利于张紧翼面形成所需的要的翼型，另一方面还能增加机翼结构强度和刚度。同时要注意，拉筋从机翼根部一直布置到接近翼梢的地方就断开,使整个机翼在翼梢部位能相互联通,形成一个整体气囊，这样的结构可以使整个机翼的承载情况更为均匀。
机翼与翼身相连一端设有机翼充压气孔和机翼减压排气气孔，机翼上布置若干扭转角传感器和气囊内部压力传感器，控制系统通过传感器获得扭转角数据和气囊内部压力数据，通过机翼充压气孔和机翼减压排气气孔对充气机翼内部气压进行调节，两个气孔的位置可以根据具体情况进行改动。然后通过控制系统调节充气机翼内部气压。
气囊囊布表面铺设扭转控制层，由纤维和热塑性树脂组成，从而保证充气机翼为柔性；将该扭转控制层主方向沿45°角紧紧贴合在充气机翼气囊囊布表面。而在扭转控制层的内部，如果厚度允许，纤维复合材料铺设可以按照0°，45°，0°，-45°的方式，主方向设为0°；如果气囊囊布比较薄，就沿主方向布置纤维；也可以根据具体需要选择铺层方式，但是要注意扭转控制层的刚度要与囊布刚度匹配。为了保证机翼的柔性，纤维铺设厚度不易过大。同时要注意铺设纤维时，要在气囊囊布表面张紧状态下，这样就可以实现在一定压力范围内，充气压力较小时，仅由蒙皮囊布材料本身承受拉力，纤维受力非常小，机翼不会产生较大扭转的变形，这个压力范围可以通过实验测得；当超过这个压力范围时，随着充气压力的不断增大，扭转控制层的纤维开始受力，对囊布变形产生约束，使机翼产生扭转角，但是不能超过纤维的承受极限，而这个极限也可以根据强度校核计算得到。
本发明还提供了一种可扭转的充气机翼结构的设计方法，包括以下步骤：
1）由标准翼型NACA0018通过内切圆逼近方法得机翼翼型，记机翼的展长为L，弦长为l，蒙皮厚度d，展弦比AR，需要满足:
Figure 828033DEST_PATH_IMAGE001
；
Figure 36161DEST_PATH_IMAGE002
；
选用的内切圆越多模拟翼型越逼近标准翼型，考虑到在成型表面的实际加工中机翼的可操作性，方便性和重量等因素，有必要根据待加工的翼型及其具体要求来选择适当尺寸和数量的内切圆；之后对多余的内切圆进行筛选，裁剪两圆的公共弦和多余的圆弧，剩余部分就是设计的逼近充气机翼。同时，气囊内部布置若干条拉筋，用于控制翼型形状，由于拉筋仅受拉力，因此要注意只要保证抗拉强度满足要求即可，无需考虑其他强度要求。
2）在气囊表面张紧的状态下，将纤维沿一定角度铺设在充气机翼气囊的整个凸面，设主方向为0°，纤维按照与主方向夹角0°，45°，0°，-45°的方式进行铺设；
3）在机翼与翼身相连一端布置机翼充压气孔和机翼减压排气气孔，在机翼上布置若干扭转角传感器和气囊内部压力传感器；
4）通过实验测出充气机翼充分展开而不扭转时的内压
Figure 926625DEST_PATH_IMAGE003
，同时，把充气机翼设计的最大充气内压设为
Figure 19346DEST_PATH_IMAGE004
，使用的时候，充气机翼快速展开，当内压小于
Figure 637454DEST_PATH_IMAGE003
的时候，继续充气，直至内压达到
Figure 688587DEST_PATH_IMAGE003
，此时充气机翼完全展开，达到设计的气动外形；当飞行器需要滚转时，由控制系统产生指令，开始给机翼充气，复合纤维开始受力，对沿纤维方向的变形产生约束，从而沿纤维方向和垂直于纤维方向的变形不同，使机翼产生扭转，并由传感器将扭转角反馈给控制系统，再根据飞行器的姿态来决定是否继续充压，在这个阶段内，充气机翼内压始终保持在
Figure 879396DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure 556234DEST_PATH_IMAGE004
之间。
进一步改进，所述的最大充气内压
Figure 555414DEST_PATH_IMAGE004
通过纤维的抗拉强度
Figure 793760DEST_PATH_IMAGE005
计算得到，充气机翼径向应力为
Figure 347232DEST_PATH_IMAGE006
，充气机翼环向应力为
Figure 640810DEST_PATH_IMAGE007
,式中
Figure 9344DEST_PATH_IMAGE008
为充气机翼当前内压，分别将
Figure 667858DEST_PATH_IMAGE005
代入
Figure 256096DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 963152DEST_PATH_IMAGE010
，求出对应的
Figure 451771DEST_PATH_IMAGE011
并进行比较，其中较小的那个即为所求的
Figure 15608DEST_PATH_IMAGE004
。
进一步改进，步骤2）所述的气囊表面张紧的状态根据充气机翼充分展开而不扭转时对应的充气机翼径向应力
Figure 668306DEST_PATH_IMAGE012
和充气机翼环向应力
Figure 726523DEST_PATH_IMAGE013
设计，
Figure 289223DEST_PATH_IMAGE012
和
Figure 273228DEST_PATH_IMAGE013
利用
Figure 147643DEST_PATH_IMAGE003
代入步骤5）公式中得到。
本发明有益效果在于：
本发明提出一种由铺设纤维复合材料充气驱动的可扭转的可充气伸展机翼，将复合纤维呈一定角度铺设在充气机翼气囊囊布上，从而使充气机翼在充压增大之后，整体机翼产生扭转，充压减小之后，整体机翼扭转角也会减小，这样的话就可以通过对机翼整体表面上铺设纤维进行设计，从而实现对机翼整体扭转的控制，进而对飞行器的滚转实现控制。同时，本发明的结构简单，一体性强，制造也相对比较方便。
附图说明
图1是本发明的三维结构示意图。
图2是本发明的主剖视结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
本发明是一种由铺设纤维复合材料充气驱动的可扭转的可充气伸展机翼，采用的是整体式蒙皮拉筋结构设计，如图1和图2所示，包括由柔性高强度涂胶布加工而成的气囊1，在该气囊1的内部设置有若干条拉筋3，拉筋3将充气机翼分割成一个个相互连通的腔室。气囊1囊布表面铺设扭转控制层2，由纤维和热塑性树脂组成，从而保证充气机翼为柔性。
本发明的具体设计方法如下：
首先，上述的充气机翼的本体是由柔性高强度涂胶布加工而成的气囊，机翼翼型是由标准翼型NACA0018通过内切圆逼近方法得到，通过profili软件生成NACA0018翼型数据，然后将NACA0018翼型数据导入到Autocad中，在Autocad中创建多个内切圆来逼近标准翼型，考虑到在成型表面的实际加工中机翼的可操作性，方便性和重量等因素，这里选用16个内切圆来逼近NACA0018翼型；之后对多余的内切圆进行筛选，裁剪两圆的公共弦和多余的圆弧，剩余部分就是设计的逼近充气机翼，如图2所示。记机翼的展长为L，弦长为l，蒙皮厚度d，展弦比AR，他们之间应满足如下关系:
Figure 258819DEST_PATH_IMAGE014
，
Figure 223495DEST_PATH_IMAGE015
。
本发明将纤维沿一定角度铺设在充气机翼气囊的整个凸面，在本例中选用热塑性树脂纤维，按照0°——45°——0°——-45°的方式铺层，同时，参考蒙皮厚度d，来确定纤维的铺层厚度，同时要注意到在气囊囊布表面表面铺设纤维时，应在在气囊表面张紧的状态下铺设纤维，这是为了在充气压力较小时，仅由蒙皮材料本身承受拉力，而纤维受力非常小，机翼不会产生较大扭转的变形，随着充气压力的不断增大，扭转控制层的纤维开始受力，对囊布变形产生约束，使机翼产生扭转角，机翼扭转角也会不断增大，这样就可以实现的对机翼的扭转控制。
在机翼与翼身相连一端设有两气孔，一个用于由气源给机翼充压所用，通过软管与高压气源相联通；另一个用于机翼减压排气所用。通过控制系统控制进气出气，两个气孔的位置可以根据具体情况进行改动。通过控制系统可以调节充气机翼内部气压。
可以在机翼或者机身上布置传感器，用来检测机翼的扭转角或者气囊内压，并将其反馈给控制系统，从而确定是该继续增压还是减压。
在充气机翼安装之前，可以先通过实验测出充气机翼充分展开而不扭转时的内压
Figure 332396DEST_PATH_IMAGE003
，同时，把充气机翼设计的最大充气内压设为
Figure 959687DEST_PATH_IMAGE004
，这样就可以通过压力传感器将内压反馈给控制系统，使用的时候，充气机翼快速展开，当内压小于
Figure 858241DEST_PATH_IMAGE003
的时候，继续充气，直至内压达到
Figure 129954DEST_PATH_IMAGE003
，这时候，充气机翼完全展开，达到设计的气动外形；之后，当飞行器需要滚转时，由控制系统产生指令，开始给机翼充气，复合纤维开始受力，对沿纤维方向的变形产生约束，从而沿纤维方向和垂直于纤维方向的变形不同，使机翼产生扭转，并由传感器将扭转角反馈给控制系统，再根据飞行器的姿态来决定是否继续充压，在这个阶段内，充气机翼内压始终保持在
Figure 799970DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure 337392DEST_PATH_IMAGE004
之间。
其中
Figure 993633DEST_PATH_IMAGE003
可以通过实验测得，而
Figure 244486DEST_PATH_IMAGE004
可以通过纤维的抗拉强度
Figure 210036DEST_PATH_IMAGE005
计算得到，计算方法如下：
充气机翼径向应力为
Figure 484023DEST_PATH_IMAGE006
,
充气机翼环向应力为
Figure 803009DEST_PATH_IMAGE007
,
分别将
Figure 596784DEST_PATH_IMAGE005
代入
Figure 749547DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 494518DEST_PATH_IMAGE010
，求出对应的
Figure 289299DEST_PATH_IMAGE011
并进行比较，其中较小的那个即为所求的。同时，我们也可以通过
Figure 875263DEST_PATH_IMAGE003
求出对应的
Figure 57983DEST_PATH_IMAGE012
和
Figure 40983DEST_PATH_IMAGE013
，这样就可以根据
Figure 888722DEST_PATH_IMAGE012
和
Figure 844039DEST_PATH_IMAGE013
进行加载，并在这种加载下铺设纤维，这也就是在前面所提及的“在充气机翼气囊表面张紧的状态下铺设纤维”的具体措施。
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种可扭转的充气机翼结构的设计方法，其特征在于包括以下步骤：
1)由标准翼型NACA0018通过内切圆逼近方法得机翼翼型，记机翼的展长为L，弦长为l，蒙皮厚度d，展弦比AR，需要满足：
Figure FDA0003250192900000011
L/d≈700；
2)在气囊表面张紧的状态下，将纤维沿一定角度铺设在充气机翼气囊的整个凸面，设主方向为0°，纤维按照与主方向夹角0°，45°，0°，-45°的方式进行铺设；
3)在机翼与翼身相连一端布置机翼充压气孔和机翼减压排气气孔，在机翼上布置若干扭转角传感器和气囊内部压力传感器；
4)通过实验测出充气机翼充分展开而不扭转时的内压P1，同时，把充气机翼设计的最大充气内压设为P2，使用的时候，充气机翼快速展开，当内压小于P1的时候，继续充气，直至内压达到P1，此时充气机翼完全展开，达到设计的气动外形；当飞行器需要滚转时，由控制系统产生指令，开始给机翼充气，纤维开始受力，对沿纤维方向的变形产生约束，从而沿纤维方向和垂直于纤维方向的变形不同，使机翼产生扭转，并由传感器将扭转角反馈给控制系统，再根据飞行器的姿态来决定是否继续充压，在这个阶段内，充气机翼内压始终保持在P1和P2之间；所述的最大充气内压P2通过纤维的抗拉强度σmax计算得到，充气机翼径向应力为σ1＝p·πr2/(2πrt)＝pr/(2t)，充气机翼环向应力为σ2＝pr/t，式中P为充气机翼当前内压，分别将σmax代入σ1和σ2，求出对应的p并进行比较，其中较小的那个即为所求的P2。
2.根据权利要求1所述的可扭转的充气机翼结构的设计方法，其特征在于：步骤2)所述的气囊表面张紧的状态根据充气机翼充分展开而不扭转时对应的充气机翼径向应力σ01和充气机翼环向应力σ02设计，σ01和σ02利用P1代入步骤4)公式中得到。
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