CN110435875B - 一种仿生柔性变形机翼 - Google Patents
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Classifications
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Abstract
一种仿生柔性变形机翼，包括机翼骨架、机翼蒙皮、隔热层、固定装置、温度控制系统以及连接装置，骨架包括横向骨架和纵向骨架。机翼蒙皮整体成型，用胶黏剂黏贴在机翼骨架上。纵向骨架由形状记忆合金制成，横向骨架和纵向骨架相嵌处通过隔热层进行隔热。纵向骨架采用形状记忆合金，每组形状记忆合金训练有不同的形状记忆，能够在电热激励下实现既定赋形后的主动驱动变形。在飞行过程中，温度控制系统调节纵向骨架温度，控制两组参数不同的形状记忆合金分别发生向上变形或向下变形，带动机翼向上变形或者向下变形，达到飞行目的。本发明在无动力装置条件下可实现机翼向上或者向下变形，精简机翼结构，减轻机翼重量，提高飞机的飞行性能。
Description
技术领域
本发明属于可变形无人机结构领域，涉及一种仿生柔性变形机翼。
背景技术
从19世纪80年代，机翼结构的相关研究被全世界的诸多团队广泛开展。从最初的无铰链弯曲的概念已经发展到了飞行器大规模变形的研究。机翼的主要作用是产生升力，以支持飞机在空中飞行，它还起一定的稳定和操纵作用。传统固定翼飞机依靠机翼前缘和后缘的活动控制机翼升力或阻力的分布，以达到增加升力或改变飞机飞行姿态的目的。传统机翼为实现飞机飞行姿态的改变，需要活动翼面有各种前后缘增升装置、副翼、扰流片、减速板、升降副翼等机构，机翼各部件之间依靠传统机械传动方式控制机翼工作状态，结构复杂。同时，传统机翼在超高速飞行过程中会产生较大的振动噪声和较大飞行阻力，降低了飞机的使用寿命。并且机翼功能的增加，不可避免增加了机翼构件数量，增加了飞机重量，从另一方面增大了飞机飞行阻力，造成能源浪费和环境污染，增加飞机的制造成本。在一些小型固定翼无人机上，为减小制造难度，通常把机翼设计为一个固定装置，这样虽然能降低制造飞机的难度，但飞机性能受到限制，无法达到一定的飞行目的。
随着航空事业的发展，人们要求飞机具有更优异的飞行性能和操控性能，传统机翼的性能已经很难实现技术突破，在很大程度上限制了飞机性能的提升。
综观上述无人机机翼的结构特征和作业特性，急需一种噪音小、性能更优的非机械传动方式驱动的无人机柔性机翼。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够优化机翼性能，在无机械动力驱动条件下实现机翼上下摆动的仿生柔性变形机翼。
本发明的结构是受到鸟翼的翅膀结构的启发而发明的。鸟类的飞行主要得益于它灵活有力的翅膀和柔性较好的羽毛，通过翅膀的摆动形成气流，气流的反作用产生向上或者向下的空气动力，实现鸟类向上或者向下飞行。鸟之所以能在大风中飞行，主要是因为他们的翅膀可以随时随地变形以适应各种环境。本发明对鸟类的这种飞行特性进行仿生设计，设计中，模仿鸟类的骨骼制成柔性机翼的骨架，模仿鸟类轻质的羽毛制成柔性机翼的蒙皮。本发明中刚性骨架材料采用形状记忆合金，能够在电热激励下实现既定赋形后的主动驱动变形，采用聚醚醚酮、聚氨酯、环氧树脂及其复合的柔性高分子材料制成机翼蒙皮，其一方面能够满足无人机机翼在飞行条件下承载的力学性能要求，另一方面能够在刚性骨架的变形驱动下完成被动变性的要求。
本发明包括第一横向骨架、第二横向骨架、第三横向骨架、第四横向骨架、A组纵向骨架、B组纵向骨架、隔热层、机翼蒙皮、连接装置、固定装置、A组温度控制系统、B组温度控制系统；
第一横向骨架1、第二横向骨架、第三横向骨架和第四横向骨架从内至外间隔分布，A组纵向骨架和B组纵向骨架间隔分布，A组纵向骨架和B组纵向骨架均以嵌入的方式穿过第一横向骨架、第二横向骨架、第三横向骨架和第四横向骨架契合在一起，第一横向骨架、第二横向骨架、第三横向骨架、第四横向骨架与A组纵向骨架、B组纵向骨架之间采用隔热层进行隔热，契合处采用隔热层进行隔热，防止纵向骨架之间通过横向骨架进行传热，以能够达到在电热激励下实现既定赋形后的主动驱动向上或者向下变形的目的，隔热层用于避免两组纵向骨架在形状变形过程中温度的相互影响。
A组纵向骨架和B组纵向骨架通过连接装置分别插入到A组温度控制系统和B组温度控制系统中，用固定装置固定。
A组纵向骨架和B组纵向骨架的材质为形状记忆合金，每组A组纵向骨架和B组纵向骨架的形状记忆合金训练有不同的形状记忆，能够在电热激励下实现既定赋形后的主动驱动变形。
A组纵向骨架通过A组温度控制系统进行温度调控，B组纵向骨架通过B组温度控制系统进行温度调控。
A组温度控制系统在控制A组纵向骨架达到温变点后能够实现向上变形，变形过程中的A组纵向骨架所产生的驱动力大于机翼整体的抗弯刚度，带动整个机翼实现向上弯曲变形；
B组温度控制系统在控制B组纵向骨架达到温变点后能够实现向下变形，变形过程中B组纵向骨架的驱动力大于机翼整体的抗弯刚度，带动整个机翼实现向下弯曲变形。
机翼蒙皮整体成型，包覆在整个机翼骨架最外围。
机翼蒙皮的材质为柔性高分子材料，在机翼变形过程中起到从动作用。
所述的A组温度控制系统和B组温度控制系统包括有加热元件和控温装置，加热元件为电加热丝或其它电加热元件，控温装置为现有技术，种类很多，具体结构不再赘述。
所述的固定装置为螺栓。
所述的形状记忆合金为NiTi形状记忆合金，能够在电热激励下实现既定赋形后的主动驱动变形；
机翼蒙皮的柔性高分子材料为聚醚醚酮、聚氨酯、环氧树脂或其中的二种或三种的复合柔性高分子材料，其一方面能够满足无人机机翼在飞行条件下承载的力学性能要求，另一方面能够在刚性骨架的变形驱动下完成被动变形的要求。
机翼蒙皮的材质为具有变形驱动功能的智能响应高分子材料。当机翼需要变形时，可以对机翼蒙皮进行电热激励，致使机翼蒙皮产生形变驱动力，从而在形状记忆合金骨架的低模量态带动整个机翼的变形。
所述的A组纵向骨架和B组纵向骨架能分别产生方向相反的弯曲变形角度，弯曲变形范围0-60°，即机翼向上和向下弯曲变形的角度分别为0-60°。
所述的A组纵向骨架和B组纵向骨架的温变点为40℃。
所述第一横向骨架、第二横向骨架、第三横向骨架和第四横向骨架的材质为不锈钢。
本发明的工作原理：
机翼纵向骨架分为A组和B组，A组纵向骨架和B组纵向骨架分别采用参数不同的形状记忆合金材料，且分别通过A组温度控制系统和B组温度控制系统进行温度调控。A组温度控制系统在控制A组纵向骨架达到温变点(40℃)后能够实现向上变形，变形过程中的A组纵向骨架所产生的驱动力大于机翼整体的抗弯刚度，带动整个机翼实现向上弯曲变形；B组温度控制系统在控制B组纵向骨架达到温变点(40℃)后能够实现向下弯曲变形，变形过程中B组纵向骨架的驱动力大于机翼整体的抗弯刚度，带动整个机翼实现向下弯曲变形。向上弯曲角度和向下弯曲角度变化范围为0°～60°。本发明优化了机翼结构，实现了在无机械动力驱动条件下完成机翼的上下摆动的目的，提高了飞机性能。
本发明的有益效果：
1、实现了在无机械动力驱动条件下完成机翼上下变形的目标，取消了各个分立机翼后缘的传统机械动作，高效便捷的完成飞行目的，降低了阻力和噪音，同时提高了能量效率，有利于节能。
2、能够适应不同的飞行气流而产生柔性变形，降低对机翼的冲击损伤，空气动力学性能更优。
3、柔性翼在复杂环境下相对刚性翼有更好的抗风能力和延迟失速能力。
4、机翼结构简单，没有复杂的机械传动结构，降低机翼的维护维修难度和成本。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图。
图2为本发明实施例的A组温度控制系统示意图。
图3为本发明实施例的B组温度控制系统示意图。
图4为本发明实施例的隔热层结构示意图。
图5为本发明机翼向下变形过程示意图。
图6为本发明机翼向上变形过程示意图。
其中：1—第一横向骨架；2—第二横向骨架；3—第三横向骨架；4—第四横向骨架；5—A组纵向骨架；6—B组纵向骨架；7—隔热层；8—机翼蒙皮；9—连接装置；10—固定装置；11—A组温度控制系统；12—B组温度控制系统。
具体实施方式
请参阅图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，本发明包括第一横向骨架1、第二横向骨架2、第三横向骨架3、第四横向骨架4、A组纵向骨架5、B组纵向骨架6、隔热层7、机翼蒙皮8、连接装置9、固定装置10、A组温度控制系统11、B组温度控制系统12；
第一横向骨架1、第二横向骨架2、第三横向骨架3和第四横向骨架4从内至外间隔分布，A组纵向骨架5和B组纵向骨架6间隔分布，A组纵向骨架5和B组纵向骨架6均以嵌入的方式穿过第一横向骨架1、第二横向骨架2、第三横向骨架3和第四横向骨架4契合在一起，第一横向骨架1、第二横向骨架2、第三横向骨架3、第四横向骨架4与A组纵向骨架5、B组纵向骨架6之间采用隔热层7进行隔热，契合处采用隔热层7进行隔热，防止纵向骨架之间通过横向骨架进行传热，以能够达到在电热激励下实现既定赋形后的主动驱动向上或者向下变形的目的，隔热层用于避免两组纵向骨架在形状变形过程中温度的相互影响。
A组纵向骨架5和B组纵向骨架6通过连接装置9分别插入到A组温度控制系统11和B组温度控制系统12中，用固定装置10固定。
A组纵向骨架5和B组纵向骨架6的材质为形状记忆合金，每组A组纵向骨架5和B组纵向骨架6的形状记忆合金训练有不同的形状记忆，能够在电热激励下实现既定赋形后的主动驱动变形。
A组纵向骨架5通过A组温度控制系统11进行温度调控，B组纵向骨架6通过B组温度控制系统12进行温度调控。
A组温度控制系统11在控制A组纵向骨架5达到温变点后能够实现向上变形，变形过程中的A组纵向骨架5所产生的驱动力大于机翼整体的抗弯刚度，带动整个机翼实现向上弯曲变形，如图6所示；
B组温度控制系统12在控制B组纵向骨架6达到温变点后能够实现向下变形，变形过程中B组纵向骨架6的驱动力大于机翼整体的抗弯刚度，带动整个机翼实现向下弯曲变形，如图5所示。
机翼蒙皮8整体成型，包覆在整个机翼骨架最外围。
机翼蒙皮8的材质为柔性高分子材料，在机翼变形过程中起到从动作用。
所述的A组温度控制系统11和B组温度控制系统12包括有加热元件和控温装置，加热元件为电加热丝或其它电加热元件，控温装置为现有技术，种类很多，具体结构不再赘述。
所述的固定装置10为螺栓。
所述的形状记忆合金为NiTi形状记忆合金，能够在电热激励下实现既定赋形后的主动驱动变形；
机翼蒙皮8的柔性高分子材料为聚醚醚酮、聚氨酯、环氧树脂或其中的二种或三种的复合柔性高分子材料，其一方面能够满足无人机机翼在飞行条件下承载的力学性能要求，另一方面能够在刚性骨架的变形驱动下完成被动变形的要求。
机翼蒙皮8的材质为具有变形驱动功能的智能响应高分子材料。当机翼需要变形时，可以对机翼蒙皮8进行电热激励，致使机翼蒙皮8产生形变驱动力，从而在形状记忆合金骨架的低模量态带动整个机翼的变形。
所述的A组纵向骨架5和B组纵向骨架6能分别产生方向相反的弯曲变形角度，弯曲变形范围0-60°，即机翼向上和向下弯曲变形的角度分别为0-60°。
所述的A组纵向骨架5和B组纵向骨架6的温变点为40℃。
所述第一横向骨架1、第二横向骨架2、第三横向骨架3和第四横向骨架4的材质为不锈钢。
Claims (7)
1.一种仿生柔性变形机翼，其特征在于：包括第一横向骨架(1)、第二横向骨架(2)、第三横向骨架(3)、第四横向骨架(4)、A组纵向骨架(5)、B组纵向骨架(6)、隔热层(7)、机翼蒙皮(8)、连接装置(9)、固定装置(10)、A组温度控制系统(11)、B组温度控制系统(12)；
第一横向骨架(1)、第二横向骨架(2)、第三横向骨架(3)和第四横向骨架(4)从内至外间隔分布，A组纵向骨架(5)和B组纵向骨架(6)间隔分布，A组纵向骨架(5)和B组纵向骨架(6)均以嵌入的方式穿过第一横向骨架(1)、第二横向骨架(2)、第三横向骨架(3)和第四横向骨架(4)契合在一起，第一横向骨架(1)、第二横向骨架(2)、第三横向骨架(3)、第四横向骨架(4)与A组纵向骨架(5)、B组纵向骨架(6)之间采用隔热层(7)进行隔热；
A组纵向骨架(5)和B组纵向骨架(6)通过连接装置(9)分别插入到A组温度控制系统(11)和B组温度控制系统(12)中，用固定装置(10)固定；
A组纵向骨架(5)和B组纵向骨架(6)的材质为形状记忆合金，A组纵向骨架(5)和B组纵向骨架(6)的形状记忆合金训练有不同的形状记忆；
A组纵向骨架(5)通过A组温度控制系统(11)进行温度调控，B组纵向骨架(6)通过B组温度控制系统(12)进行温度调控；
A组温度控制系统(11)在控制A组纵向骨架(5)达到温变点后能够实现向上变形，变形过程中的A组纵向骨架(5)所产生的驱动力大于机翼整体的抗弯刚度，带动整个机翼实现向上弯曲变形；
B组温度控制系统(12)在控制B组纵向骨架(6)达到温变点后能够实现向下变形，变形过程中B组纵向骨架(6)的驱动力大于机翼整体的抗弯刚度，带动整个机翼实现向下弯曲变形；
机翼蒙皮(8)的材质为柔性高分子材料。
2.根据权利要求1所述的一种仿生柔性变形机翼，其特征在于：所述的形状记忆合金为NiTi形状记忆合金。
3.根据权利要求1所述的一种仿生柔性变形机翼，其特征在于：机翼蒙皮(8)的柔性高分子材料为聚醚醚酮、聚氨酯或环氧树脂；或其中的二种或三种的复合柔性高分子材料。
4.根据权利要求1所述的一种仿生柔性变形机翼，其特征在于：机翼蒙皮(8)的材质为具有变形驱动功能的智能响应高分子材料。
5.根据权利要求1所述的一种仿生柔性变形机翼，其特征在于：所述的A组纵向骨架(5)和B组纵向骨架(6)能分别产生方向相反的弯曲变形角度，弯曲变形范围0-60°。
6.根据权利要求1所述的一种仿生柔性变形机翼，其特征在于：所述的机翼蒙皮(8)整体成型，包覆在整个机翼骨架最外围。
7.根据权利要求1所述的一种仿生柔性变形机翼，其特征在于：所述的A组纵向骨架(5)和B组纵向骨架(6)的温变点为40℃。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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