CN110450939B - 一种变截面空气舵 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种变截面空气舵，包括舵轴、根弦、下壳、上壳、前缘、梢弦、后缘和芯轴，所述的前缘、后缘、根弦和梢弦围合成空气舵的框架，所述的上壳和下壳覆盖在空气舵的上下表面；所述的芯轴与空气舵的舵轴同轴安装，穿过空气舵的根弦伸入空气舵内，芯轴伸入空气舵的部分为偏心凸轮结构，转动时撬动上壳或下壳，改变空气舵截面外形。本发明可以使空气舵在不改变后略角方面和面积时，因空气舵截面外形的改变而改变升力，升力的大小和方向由凸轮转角控制，使空气舵的控制能力更强。

Description

一种变截面空气舵

技术领域

本发明属于航空航天技术领域，是一种在控制运动下能为飞行器提供附加空气舵动力和控制力矩的空气舵。

背景技术

当前，民用和军事领域都对飞行器提出了更高的要求。外形固定的空气舵在执行多种任务及在变化很大的飞行环境下工作时，难以始终保持良好性能。因此，结构可控变形技术得到了发展。

对于空气舵之类的舵翼结构而言，现有研究集中在改变舵翼的面积和后略角方面。通常改变空气舵的面积和后略角是改变空气舵性能最直接和最有效的方法。通过“长出/展开”或“收进”舵翼实现在超声速弹道飞行时低阻力，在机动变轨或亚声速飞行时高机动性，能够有效地提高飞行器的飞行速度和射程，可以实现跨声速平滑转换和大机动变轨，进而提高飞行器的生存能力和效率。其实现方式主要通过可变形结构材料来完成，主要包括磁致伸缩材料、形状记忆合金、压电陶瓷、高分子聚合物和电磁流变材料等。

目前变结构空气舵没有变截面方式的应用，通常认为改变面积和后略角更为直接和有效。但是不同的产品有不同层次的需求，在舵面积和后略角不变的情况，改变截面是改变空气舵性能的一种有效方式。改变空气舵截面的外形，不仅可以改变空气舵升力和阻力的比值，还可以改变升力的方向。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种变截面空气舵，通过变截面方式改善飞行器的空气动力特性，以及适应多种任务。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种变截面空气舵，包括舵轴、根弦、下壳、上壳、前缘、梢弦、后缘和芯轴。

所述的前缘、后缘、根弦和梢弦围合成空气舵的框架，所述的上壳和下壳覆盖在空气舵的上下表面；所述的芯轴与空气舵的舵轴同轴安装，穿过空气舵的根弦伸入空气舵内，芯轴伸入空气舵的部分为偏心凸轮结构，转动时撬动上壳或下壳，改变空气舵截面外形。

所述前缘的材料为高温合金GH3044；所述上壳、下壳、根弦、梢弦及后缘的材料选择低碳奥氏体不锈钢00Cr18Ni10N；所述舵轴及芯轴的材料选择马氏体沉淀硬化不锈钢05Cr15Ni5Cu4Nb。

所述的上壳和下壳与空气舵的框架的连接处均为长圆孔结构，框架上的销子穿过长圆孔，上壳和下壳在芯轴的撬动下相对框架移动。

所述的芯轴与舵轴通过一对滑动轴承连接。

所述滑动轴承的材料为具有化学镀镍磷层的低合金钢30CrMnSi。

所述的前缘、后缘为楔形壳体，大端朝向芯轴，且分别在大端通过加装前腹板或后腹板增强结构稳定性。

所述前后腹板的材料选择马氏体沉淀硬化不锈钢05Cr15Ni5Cu4Nb。

所述的上壳和下壳均布置有若干加强筋，并在靠近芯轴处减弱。

所述加强筋的材料选择马氏体沉淀硬化不锈钢05Cr15Ni5Cu4Nb。

所述的偏心凸轮处于初始位置时，所述的上壳和下壳形状对称，不产生升力。

本发明的有益效果是：可以使空气舵在不改变后略角方面和面积时，因空气舵截面外形的改变，改变升力。因截面外形改变而产生的升力的大小和方向由凸轮转角控制，使空气舵的控制能力更强。

普通空气舵转动时，因为稳定性的要求，压心通常在轴线后数十毫米，当飞行器高速飞行时，法向气动力很大，导致扭转力矩也很大。而采用变截面的方法，扭转力臂只是凸轮的偏心距，通常只有普通空气舵扭矩的1/6～1/10。

普通空气舵与气流方向平行飞行时，基本没有升力。而采用变截面的方法，可以在上下表面产生压力差，不仅可以产生额外的升力，而且方向可变，能力更强。

普通空气舵在转至投影面积与变截面方式当量厚度相同时，矢量分解后除了产生升力还产生了额外的阻力，约占气动力总值的5％。比值虽不大，当超音速飞行性时仍不可忽视。变截面的方法效率要高约5％。

变截面的方法虽然控制效率高，控制力矩小，但能达到的控制力的最大值比空气舵转动方式小。本空气舵的芯轴套在舵轴之内，与舵轴同心，可相对转动，变截面与整体转动两种方式并用，使空气舵的控制能力更强。

在设计上，为解决气动加热问题和防腐蚀问题，材料多数选择了不锈钢。气动加热最严重的前缘选用了高温合金，不锈钢材料均进行表面钝化处理，滑动轴承表面化学镀镍磷。使空气舵能满足3马赫或更高飞行速度的气动加热，且可在海洋大气环境使用。本发明通过了中性盐雾试验1500小时考核。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是前缘结构示意图(后缘结构与其类似)；

图3是凸轮转动改变空气舵外形的原理示意图，其中(a)是偏心凸轮转动至上方状态，(b)是偏心凸轮转动至初始位置状态，(c)是偏心凸轮转动至下方状态；

图4是本发明的基本结构原理图；

图中，1-舵轴，2-根弦，3-下壳，4-上壳，5-前缘，6-前腹板，7-梢弦，8-后腹板，9-后缘，10-芯轴(偏心凸轮)，11-滑动轴承，12-滑动轴承，13-铆钉。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明通过偏心凸轮结构在舵面积不变的情况下实现空气舵截面的改变，进而改变空气舵的升力。

构成本产品所必需的零部件包括：舵轴、根弦、下壳、上壳、前缘、前腹板、梢弦、后腹板、后缘、芯轴、滑动轴承等。

前缘、后缘、根弦和梢弦，构成了舵四周的梯形框架；上壳和下壳、形成了舵的主要上下表面，见图1。

前缘、后缘带有锥度，是钢板弯成的楔形壳体，前腹板、后腹板分别与前缘、后缘组成截面为近似三角形的结构以维持稳定，见图2。

上壳和下壳与四周梯形框架的连接处开有长圆孔(见图2)，在芯轴的撬动下相对四周框架可进行移动，而气动压力与自身的弹性回复力又可以使其在芯轴转回时恢复外形。上壳和下壳上均布置有加强筋并在芯轴附近减弱，使其既保证了空气舵的刚度，又可以在芯轴转动时实现类似铰链方式的弯曲。

芯轴下部与舵轴同轴，装有一对滑动轴承，可相对舵轴灵活转动。芯轴上部为伸入空气舵内的偏心凸轮结构，转动时可撬动上下壳以改变空气舵截面外形(示意见图3)。空气舵在飞行时，截面外形的改变会在上下表面产生压力差，进而产生因截面外形改变导致的升力。其大小和方向随凸轮的位置而改变。凸轮处于初始位置时，上下表面对称，不产生该部分升力。当凸轮转向上方，上表面相对凸起，流经上表面的气体速度相对较慢，因压力差产生向上的升力。当凸轮转向下方，下表面相对凸起，流经下表面的气体速度相对较慢，因压力差产生向下的压力。当空气舵的有效厚度变化时，阻力也会随厚度有所改变。

前缘材料为耐高温的高温合金GH3044，在高速飞行时可以承受较严重的气动加热。上下壳、根弦、梢弦及后缘的材料选择了塑性、韧性好的低碳奥氏体不锈钢00Cr18Ni10N。前后腹板、上下壳的加强筋、舵轴及芯轴的材料选择了强度高的马氏体沉淀硬化不锈钢05Cr15Ni5Cu4Nb。铆钉/螺钉材料选用了航空业较常用的半奥氏体沉淀硬化不锈钢0Cr12Mn5NiMo3Al。滑动轴承材料为具有化学镀镍磷层的低合金钢30CrMnSi，镍磷镀使其兼具耐磨性及耐蚀性。所有材料的选择均考虑了高速飞行时气动加热的影响，其中多数为不锈钢。气动加热最严重的前缘部分使用了高温合金，外表面选择了低碳奥氏体不锈钢。内部及热沉较大的部位选择了比表面材料使用温度略低但强度更高的材料。不锈钢材料均进行了表面钝化处理。以上材料不仅耐热，还耐腐蚀。滑动轴承选择了低合金钢化学镀镍磷后涂二硫化钼，而没有选择铝青铜或巴氏合金，使其承载能力更大，同时使空气舵整体具备奥氏体不锈钢级别的高耐蚀性和高抗盐雾能力。

本实例是一个研究性试验空气舵。基本翼型为六边形，翼面投影为直角梯形，厚度自根部至梢部逐渐变薄，根部延伸出舵轴，舵轴中空，内部穿有截面为偏心凸轮形式的变厚度芯轴，见图1。

空气舵可通过在舵轴部位安装一对向心关节轴承固定在导弹尾段上，当舵轴上的孔与舵机连接后，空气舵可由舵机控制转动。舵轴下方芯轴长出舵轴的部位开有通孔，由另一部舵机控制转动，进而使具有偏心凸轮形式截面的芯轴改变空气舵的厚度和截面形式。

芯轴转动改变空气舵的厚度和截面形式的原理示意见图3。本实例具体实现的基本形式见图4。上、下壳上的加强筋在芯轴附近减弱，使其达到类似铰链的效果，既利于随芯轴转动变形，又保证了其刚度和承载能力。上、下壳与相邻结构通过长圆孔和销子连接，类似于导杆滑块结构，保证了结构变化时的协调和连续性。气动压力与自身的弹性回复力又可保证其与芯轴一直贴合，同时长圆孔的长度对运动的极限位置进行了限制，保证了在震动等情况下运动不会失控。上、下壳的加强筋相互错开以保证可根据具体载荷改变尺寸。加强筋在芯轴附近减弱处缺口为圆弧形，以利于芯轴转动时贴合平稳。前、后缘分别与前、后腹板构成截面稳定的三角结构，保证其结构强度和刚度的同时也利于防热。前缘与前腹板结构及长圆孔结构见图2。

芯轴与梢弦通过螺钉销连接。芯轴顶部剖开后装入圆螺母再焊好，圆螺母可相对其转动且不脱出。螺钉销拧在圆螺母上，芯轴可相对螺钉销转动。芯轴与舵轴间装有环形滑动轴承。滑动轴承为低合金钢化学镀镍磷后涂二硫化钼，保证其承载能力和摩擦性能。舵轴与根弦焊在一起。装配时可先安装前、后缘、前、后腹板和上、下壳，用铆钉连接。然后将芯轴、滑动轴承、焊在一起的舵轴和根弦穿在一起装入。再安装梢弦。最后将前、后缘与根弦和梢弦焊接在一起。该空气舵具有良好的耐热性、耐腐蚀性，能实现通过转动芯轴改变厚度和截面形式的功能。

Claims (9)

1.一种变截面空气舵，包括舵轴、根弦、下壳、上壳、前缘、梢弦、后缘和芯轴，其特征在于：所述的前缘、后缘、根弦和梢弦围合成空气舵的框架，所述的上壳和下壳覆盖在空气舵的上下表面；所述的芯轴与空气舵的舵轴同轴安装，穿过空气舵的根弦伸入空气舵内，芯轴伸入空气舵的部分为偏心凸轮结构，转动时撬动上壳或下壳，改变空气舵截面外形；所述的上壳和下壳与空气舵的框架的连接处均为长圆孔结构，框架上的销子穿过长圆孔，上壳和下壳在芯轴的撬动下相对框架移动。

2.根据权利要求1所述的变截面空气舵，其特征在于：所述前缘的材料为高温合金GH3044；所述上壳、下壳、根弦、梢弦及后缘的材料选择低碳奥氏体不锈钢00Cr18Ni10N；所述舵轴及芯轴的材料选择马氏体沉淀硬化不锈钢05Cr15Ni5Cu4Nb。

3.根据权利要求1所述的变截面空气舵，其特征在于：所述的芯轴与舵轴通过一对滑动轴承连接。

4.根据权利要求3所述的变截面空气舵，其特征在于：所述滑动轴承的材料为具有化学镀镍磷层的低合金钢30CrMnSi。

5.根据权利要求1所述的变截面空气舵，其特征在于：所述的前缘、后缘为楔形壳体，大端朝向芯轴，且分别在大端通过加装前腹板或后腹板增强结构稳定性。

6.根据权利要求5所述的变截面空气舵，其特征在于：所述前腹板或后腹板的材料选择马氏体沉淀硬化不锈钢05Cr15Ni5Cu4Nb。

7.根据权利要求1所述的变截面空气舵，其特征在于：所述的上壳和下壳均布置有若干加强筋，并在靠近芯轴处减弱。

8.根据权利要求7所述的变截面空气舵，其特征在于：所述加强筋的材料选择马氏体沉淀硬化不锈钢05Cr15Ni5Cu4Nb。

9.根据权利要求1所述的变截面空气舵，其特征在于：所述的偏心凸轮处于初始位置时，所述的上壳和下壳形状对称，不产生升力。

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