CN110053760B - 一种柔性变形机翼 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种柔性变形机翼，包括多个翼盒模块、柔性铰链、蒙皮以及驱动模块，相互连接的多个翼盒模块形成预制机翼形状结构体，蒙皮包覆在预制机翼形状结构体的外缘，驱动模块用于控制多个翼盒模块展向弯度与掠角大小；翼盒模块包括两个肋板与两个翼梁，两个肋板对向设置在预制机翼形状结构体的长度方向，两个翼梁对向设置在预制机翼形状结构体的宽度方向，两个翼梁通过两个肋板互相连接形成翼盒；柔性铰链具有相互垂直的弯度回转轴线与掠角回转轴线，驱动模块控制多个翼盒模块围绕弯度回转轴线与转动掠角回转轴线而分别改变展向弯度和掠角。本发明可以实现连续光滑的改变机翼的展向弯度和掠角，同时还具有结构强度高、质量轻等优点。

Description

一种柔性变形机翼

技术领域

本发明属于航空航天设备技术领域，具体涉及一种展向弯度与掠角大小可调的柔性变形机翼。

背景技术

近年来，随着军事侦察打击、远程运输和医疗救灾等对飞行器性能的要求不断提高和技术的发展，先进飞行器向着智能化、高效能化和侦察/打击一体化多任务方向发展。在这种情况下，传统的固定式机翼已经无法满足应用需求，能够适应多种飞行任务和不同环境条件并达到最优飞行性能的变形机翼日益受到关注和研究。柔性变形机翼是指能够柔顺连续性地多自由度、大尺度、快速变形并实时感知各类载荷和飞行姿态，以适应不同环境和不同飞行要求的自适应可变形机翼。目前已有的研究证明可变形机翼能够实现连续变形，机翼表面光滑平整，能够有效提高升阻比，在实现轻量化、高灵活性以及降低颤振方面尤为突出，在民用以及军用方面均有很大的发展空间。

例如中国专利申请2013800330221公布了一种用于飞机的变形机翼，变形机翼包括顶部表面、底部表面、前缘、后缘、尖端和根部。多个结构肋被设置在根部与尖端之间，以使得多个结构肋在顶部表面与底部表面之间延伸并且与其横向轴线相交。至少一个主动构件沿横向轴线或以与横向轴线所成的第一角度连接在两个相邻结构肋之间。主动构件可以主动方式调整。至少一个被动构件沿横向轴线或以与横向轴线所成的第二角度连接在两个相邻结构肋之间。被动构件可以被动方式调整。至少一个主动构件的调整将相邻结构肋相对于彼此移动，由此将机翼从第一构造变形为第二构造。

再例如中国专利申请2018113159118公开了一种可变弦长和弯度的变形机翼，包括机翼前缘段，机翼中段和机翼后缘段，机翼前缘段和机翼中段通过翼梁连接，机翼中段和机翼后缘段通过纵墙连接，翼梁将机翼固定在机身上；机翼中段包含多组平行布置的变形单元，每组变形单元的纵向中心面与机翼前缘段所包含的前肋片以及机翼后缘段所包含的后肋片的纵向中心面处于同一面内，共同组成一个可变形翼肋，飞机控制系统能够控制各个翼肋的形状同时产生变化，从而使机翼产生连续变形，使机翼弦长和弯度发生改变。

然而，上述变形机翼存在结构强度低、质量大等缺点，无法实现连续光滑的改变机翼的展向弯度和掠角。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种柔性变形机翼，其可以实现连续光滑的改变机翼的展向弯度和掠角。

为了实现上述目的，本发明提供了一种柔性变形机翼，包括多个翼盒模块、分别连接至相邻的翼盒模块的柔性铰链、蒙皮以及驱动模块，其中，相互连接的多个翼盒模块形成预制机翼形状结构体，蒙皮包覆在预制机翼形状结构体的外缘，驱动模块用于控制多个翼盒模块展向弯度与掠角大小；

其中，翼盒模块包括：两个肋板与两个翼梁，两个肋板对向设置在预制机翼形状结构体的长度方向上，两个翼梁对向设置在预制机翼形状结构体的宽度方向上，两个翼梁通过两个肋板互相连接而形成翼盒；

柔性铰链具有相互垂直的弯度回转轴线与掠角回转轴线，驱动模块同步或异步控制多个翼盒模块围绕弯度回转轴线转动而改变展向弯度，驱动模块同步或异步控制多个翼盒模块围绕掠角回转轴线转动而改变展向掠角。

本发明的上述技术方案中，在柔性铰链的作用下，相邻的翼盒模块之间可以实现连续光滑的改变机翼的展向弯度和掠角，其中，机翼展向弯度的改变与机翼展向掠角的改变优选采用不同的动力源进行协同控制。

进一步的，蒙皮优选为高弹性的柔性橡胶材料，安装在由预制机翼形状结构体形成的柔性变形机翼外围，并采用例如航空螺丝进行固定。

本发明中设置的柔性铰链可以采用例如柔性十字铰链，其主要作用是在连接相邻两个翼盒模块的同时，实现两个翼盒模块之间的连接是展向弯度和掠角是可变的、能够根据外部驱动力控制改变量大小的、变化过程是连续的、变化过程是平稳的连接结构。

本发明中的翼盒模块具有质量轻、可实现模块化拼接等优点，具体的，本发明中优选设置了2－6个翼盒模块，例如3个，通过翼盒模块—柔性铰链—翼盒模块的方式快速实现组装。

根据本发明的另一种具体实施方式，驱动模块包括四条形状记忆合金支链、分别控制四条形状记忆合金支链通电状态的控制器，肋板上具有上下设置的两组槽和/或孔、以及前后设置的两组槽和/或孔，其中两条形状记忆合金支链分别贯穿或者固定至两个肋板上下设置的两组槽和/或孔，另外两条形状记忆合金支链分别贯穿和/或固定至两个肋板前后设置的两组槽和/或孔。

例如，四条形状记忆合金支链分别为第一支链、第二支链、第三支链、第四支链，当需要完成机翼在翼展方向上向上弯曲时，驱动模块控制第一支链通电，驱动位于机翼远端(远离机身的端部)的翼盒模块围绕弯度回转轴线向上完成向上弯曲的主要动作，此时，第二支链、第三支链、第四支链只进行协同动作，而不作为驱动源进行使用；其中，在机翼在翼展方向上向上弯曲的过程中，位于机翼远端多个翼盒模块均同步或异步进行向上弯曲。

同理，当需要完成机翼在翼展方向上向下弯曲时，驱动模块控制第二支链通电，驱动位于机翼远端的翼盒模块围绕弯度回转轴线向下完成向下弯曲的主要动作，此时，第一支链、第三支链、第四支链只进行协同动作，而不作为驱动源进行使用。

同理亦可完成机翼在掠向上向前弯曲或者向后弯曲，这里不再重复赘述。

进一步的，每一条形状记忆合金支链具有多条形状记忆合金丝，形状记忆合金支链中的多条形状记忆合金丝沿弯度回转轴线或掠角回转轴线方向间隔设置，四条形状记忆合金支链中的若干条形状记忆合金丝呈围合形成四面体结构。

根据本发明的另一种具体实施方式，柔性铰链包括左连接端、右连接端、以及设在左连接端与右连接端之间的柔性四面体，其中左连接端、右连接端优选为对称设置；柔性四面体包括适应于两个翼梁之间间距的两个水平面、与适应于翼梁高度的竖直面，在两个水平面上靠近左连接端均设有水平开口，并使得水平面与左连接端之间不连接，在两个竖直面上靠近右连接端设有竖直开口，并使得竖直面与右连接端之间不连接。

优选的，两个水平面与两个竖直面围合形成正四方体。

再优选的，柔性四面体还设有水平通孔与竖直通孔，水平通孔贯穿柔性四面体并垂直于两个水平面穿出，竖直通孔贯穿柔性四面体并垂直于两个竖直面穿出。

其中，设置有两个水平通孔，两个水平通孔分别连通于两个竖直开口；设置有两个竖直通孔，两个竖直通孔分别连通于两个水平开口。

根据本发明的另一种具体实施方式，柔性四面体的内部中央还设有连接左连接端、右连接端的连接铰链。

根据本发明的另一种具体实施方式，柔性铰链为一体成型结构。

本发明具备以下有益效果：

本发明的柔性变形机翼，在飞行过程中，能够根据不同的飞行条件连续光滑的改变机翼的展向弯度和掠角，可以达到全航程最优的气动性能。与现有的刚性变形机翼相比，本发明通过对机翼本体合理的刚性和柔性结构布局，提高机翼的升力以及高机动性。

本发明的柔性变形机翼具有质量轻、可实现模块化拼接、驱动控制方式简单以及可以实现机翼的柔性连续变形的优点，能够满足柔性变形机翼的展向变弯度和变掠角、飞行多任务并且质量轻的需求。

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

附图说明

图1是本发明柔性变形机翼的状态示意图；

图2是本发明柔性变形机翼的结构示意图；

图3是本发明柔性变形机翼多个翼盒模块的连接示意图；

图4是本发明柔性变形机翼单个翼盒模块的结构示意图；

图5是本发明柔性变形机翼中，驱动模块中多条形状记忆合金支链的结构示意图；

图6是本发明柔性变形机翼一种柔性支链的结构示意图；

图7是图6的剖面结构示意图。

具体实施方式

如图1－7所示，一种柔性变形机翼，包括N个翼盒模块1、N－1个柔性铰链2、蒙皮3和驱动模块。

其中，柔性铰链2设置在相邻两个翼盒模块1之间并连接两个翼盒模块1，相互连接的N个翼盒模块1形成预制机翼形状结构体，蒙皮3包覆在预制机翼形状结构体的外缘，驱动模块用于协同控制多个翼盒模块1展向弯度与掠角大小。

进一步的，蒙皮3优选为高弹性的柔性橡胶材料，安装在由预制机翼形状结构体而形成的柔性变形机翼外围，并采用例如航空螺丝的方式进行固定。

如图4所示，翼盒模块1包括：左肋板11、右肋板12、前翼梁13、后翼梁14，左肋板11与右肋板12对向设置在预制机翼形状结构体的长度方向上，前翼梁13与后翼梁14对向设置在预制机翼形状结构体的宽度方向上；左肋板11、右肋板12分别与前翼梁13、后翼梁14之间例如通过航空螺丝的方式固定连接而形成翼盒。

本发明中前翼梁13、后翼梁14优选采用2mm左右厚度的碳纤维板材制成，并经过切割加工后而形成板状碳纤维材质镂空梁体结构；左肋板11、右肋板12优选为采用高性能尼龙PA12经过快速成型工艺制成；其中，翼梁、肋板的结构可以根据设计需求进行适应性结构变化，以适应航空航天的不同种类翼型参数的要求。

柔性铰链2具有弯度回转轴线R1与掠角回转轴线R2，通过驱动模块同步或异步控制多个翼盒模块1围绕弯度回转轴线R1转动而改变展向弯度，驱动模块同步或异步控制多个翼盒模块1围绕掠角回转轴线R2转动而改变展向掠角。

本发明中的驱动模块优选包括四条形状记忆合金支链4以及控制器，其中控制器可以分别控制四条形状记忆合金支链4的通电状态，或者说是协同控制四条形状记忆合金支链4的通电状态，以达到四条形状记忆合金支链4协同动作。

其中，在左肋板11、右肋板12上的上下前后四个方向上均设置有槽孔结构5，四条形状记忆合金支链4分别贯穿和/或固定在左肋板11与右肋板12同一位置的前述槽孔结构5，以形成稳固连接。

进一步的，在左肋板11以及右肋板12上还可以设置例如固定连接块6的方式，实现形状记忆合金支链4的安装。

例如，四条形状记忆合金支链4分别为第一支链、第二支链、第三支链、第四支链，当需要完成机翼在翼展方向上向上弯曲时，驱动模块控制第一支链通电，驱动位于机翼远端(远离机身的端部)的翼盒模块1围绕弯度回转轴线R1完成向上弯曲的主要动作，此时，第二支链、第三支链、第四支链只进行协同动作，而不作为驱动源进行使用；

同理，当需要完成机翼在翼展方向上向下弯曲时，驱动模块控制第二支链通电，驱动位于机翼远端的翼盒模块1围绕弯度回转轴线R1完成向下弯曲的主要动作，此时，第一支链、第三支链、第四支链只进行协同动作，而不作为驱动源进行使用；

同理，当需要完成机翼在掠向上向前弯曲时，驱动模块控制第三支链通电，驱动位于机翼远端的翼盒模块1围绕掠角回转轴线R2完成向前弯曲的主要动作，此时，第一支链、第二支链、第四支链只进行协同动作，而不作为驱动源进行使用；

同理，当需要完成机翼在掠向上向后弯曲时，驱动模块控制第四支链通电，驱动位于机翼远端的翼盒模块1围绕掠角回转轴线R2完成向后弯曲的主要动作，此时，第一支链、第二支链、第三支链只进行协同动作，而不作为驱动源进行使用。

本发明中的每一条形状记忆合金支链4优选具有多条形状记忆合金丝41，如图5所示，形状记忆合金支链4中的多条形状记忆合金丝41沿弯度回转轴线R1或掠角回转轴线R2方向间隔设置，四条形状记忆合金支链4中的若干条形状记忆合金丝41呈围合形成四面体结构。

本发明中的优选柔性铰链2如图6－7所示，柔性铰链2包括两个对称的左连接端21、右连接端22、以及设在左连接端21与右连接端22之间的柔性四面体23，柔性四面体23具有两个水平面231、两个竖直面232；在两个水平面231上靠近左连接端21均设有水平开口2311，并使得水平面231与左连接端21之间不连接，在两个竖直面232上靠近右连接端22设有竖直开口2321，并使得竖直面232与右连接端22之间不连接。

其中，两个水平面231与两个竖直面232优选围合形成正四方体。

进一步的，为了增加柔性四面体23的柔性变形能力，还设有水平通孔2312与竖直通孔2322，水平通孔2312贯穿柔性四面体23并垂直于两个水平面231穿出，竖直通孔2322贯穿柔性四面体23并垂直于两个竖直面232穿出。

具体的，设置有两个水平通孔2312，两个水平通孔2312分别连通于两个竖直开口2321；设置有两个竖直通孔2322，两个竖直通孔2322分别连通于两个水平开口2311。

为了实现左连接端21与右连接端22之间相对位置的稳定性，柔性四面体23的内部中央还设有连接左连接端21、右连接端22的连接铰链24，例如柔性连杆。

本发明中的柔性铰链2为一体成型结构，以便于提高整体结构的稳定性以及柔性变形过程中的平稳性。

本发明的柔性变形机翼，在飞行过程中，能够根据不同的飞行条件连续光滑的改变机翼的展向弯度和掠角，可以达到全航程最优的气动性能，具有较高的机动性。

虽然本发明以较佳实施例揭露如上，但并非用以限定本发明实施的范围。任何本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的发明范围内，当可作些许的改进，即凡是依照本发明所做的同等改进，应为本发明的范围所涵盖。

Claims (6)

1.一种柔性变形机翼，其特征在于，包括：

多个翼盒模块；

柔性铰链，分别连接至相邻的所述翼盒模块；相互连接的多个所述翼盒模块形成预制机翼形状结构体；

蒙皮，包覆在所述预制机翼形状结构体的外缘；以及

用于控制多个所述翼盒模块展向弯度与掠角大小的驱动模块；

其中，所述翼盒模块包括：两个肋板与两个翼梁，两个所述肋板对向设置在所述预制机翼形状结构体的长度方向上，两个所述翼梁对向设置在所述预制机翼形状结构体的宽度方向上，两个所述翼梁通过两个所述肋板互相连接而形成翼盒；

其中，所述柔性铰链包括左连接端、右连接端、以及设在所述左连接端与所述右连接端之间的柔性四面体，所述柔性四面体包括适应于两个所述翼梁之间间距的两个水平面、与适应于所述翼梁高度的竖直面；在两个水平面上靠近所述左连接端均设有水平开口，并使得所述水平面与所述左连接端之间不连接，在两个竖直面上靠近所述右连接端设有竖直开口，并使得所述竖直面与所述右连接端之间不连接；

其中，所述柔性四面体还设有两个水平通孔与两个竖直通孔，所述水平通孔贯穿所述柔性四面体并垂直于两个水平面穿出，所述竖直通孔贯穿所述柔性四面体并垂直于两个竖直面穿出；两个所述水平通孔分别连通于两个所述竖直开口，两个所述竖直通孔分别连通于两个所述水平开口；

所述柔性铰链具有相互垂直的弯度回转轴线与掠角回转轴线，所述驱动模块同步或异步控制多个所述翼盒模块围绕弯度回转轴线转动而改变展向弯度，所述驱动模块同步或异步控制多个所述翼盒模块围绕掠角回转轴线转动而改变展向掠角；

其中所述驱动模块包括：四条形状记忆合金支链、分别控制四条所述形状记忆合金支链通电状态的控制器，所述肋板上具有上下设置的两组槽和/或孔、以及前后设置的两组槽和/或孔，其中两条所述形状记忆合金支链分别贯穿或者固定至两个所述肋板上下设置的两组槽和/或孔，另外两条所述形状记忆合金支链分别贯穿和/或固定至两个所述肋板前后设置的两组槽和/或孔。

2.如权利要求1所述的柔性变形机翼，其特征在于，所述形状记忆合金支链具有多条形状记忆合金丝，所述形状记忆合金支链中的多条所述形状记忆合金丝沿所述弯度回转轴线或所述掠角回转轴线方向间隔设置。

3.如权利要求1所述的柔性变形机翼，其特征在于，两个所述水平面与两个所述竖直面围合形成正四方体。

4.如权利要求1所述的柔性变形机翼，其特征在于，所述柔性四面体的内部中央还设有连接所述左连接端、所述右连接端的连接铰链。

5.如权利要求1所述的柔性变形机翼，其特征在于，所述柔性铰链为一体成型结构。

6.如权利要求1所述的柔性变形机翼，其特征在于，所述翼盒模块的数目为2－6个。

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