CN111114752B

CN111114752B - 一种变形机翼

Info

Publication number: CN111114752B
Application number: CN202010015708.XA
Authority: CN
Inventors: 谢长川; 白江波; 冒森; 申伟宏; 杨光昊; 安朝
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2020-01-07
Filing date: 2020-01-07
Publication date: 2021-08-13
Anticipated expiration: 2040-01-07
Also published as: CN111114752A

Abstract

本发明提供了一种面向变弯度机翼的波纹板蒙皮的安装使用方法。本发明解决了现有的波纹板变弯度机翼存在的蒙皮不能较好地维持翼型、蒙皮表面无法保证连续，驱动载荷难以加载等缺点。本发明由变弯度机翼，波纹板结构蒙皮等部分组成，变弯度机翼通过舵机通带动相应的活动翼段转动，以改变机翼的弯度和相对来流的攻角。各个翼段上的竖条形支撑与波纹结构蒙皮连接，防止蒙皮的塌陷或分离等。相对于现有变形机翼蒙皮技术，本方案提供面向变弯度机翼的波纹板蒙皮的安装方法，能够使更好地维持变形机翼光滑气动外形表面并且承载气动力，因而提升机械操纵性、提高气动性能，降低噪声等优点。

Description

一种变形机翼

技术领域

本发明涉及一种变形机翼。

背景技术

飞行器机翼变弯度自适应技术是通过在飞行过程中依据飞行环境和任务的变化实时调整机翼弯度来提高飞行效率，增强机动性，以适应复杂多变的任务环境，被认为是未来实现航空技术新突破的主要研究方向之一。传统的机翼操纵面和增升装置虽然能够实现对机翼气动性能的调节，但由于铰链缝隙的存在无法提供一个光滑连续的气动表面，这种不连续性将导致机翼表面的气流分离，造成机翼气动性能下降，噪声增大。变弯度机翼能够实现机翼弯度的光滑连续变形，延缓气流分离，极大地提高了机翼的气动性能。

20世纪90年代，美国DARPA/AFRL/NASA开展了智能机翼项目，研制了智能变弯度机翼结构并进行相应的风洞试验验证。智能机翼的前缘和后缘都能实现光滑联系的柔性偏转。2004年，美国FlexSys公司研制了一种柔性变弯度机翼，机翼后缘可以实现光滑连续的变形，后缘偏转角度可达±10°，变后缘弯度的同时还可以实现3°的机翼扭转角的变化。2014年7月，FlexSys公司对所研制的柔性变弯度机翼进行全尺寸的飞行试验，试验结果表明无缝变弯度机翼可以节省3-12％的燃油消耗，降低40％的噪声，证实了变弯度机翼在节省能源和降低噪声方面的优势。

从已有的可变弯度自适应机翼的设计可以看出，在机翼自适应机翼变形的实现方式上，从传统的刚性结构到柔顺机构，从常规材料与结构到新型功能材料与结构都有一定的研究。使用柔顺机构、新型功能材料与结构能够实现机翼弯度可变的功能，但由于对功能材料与结构、柔顺机构的研究还在不成熟的阶段，且基于功能材料的驱动系统在实际应用中效率比较低，难以满足现阶段实际工程的需要。利用机械结构带动柔性蒙皮，可以充分利用两种结构优势，具有较高的实用价值和项目实施的可能性。

飞行器蒙皮在飞行器结构中起到保持光滑的气动表面，并传递局部气动载荷的作用。传统的飞行器蒙皮一般由强度和刚度较高的金属材料或复合材料制得，并且在蒙皮的内侧有析条提供支撑，构成飞行器的壁板。可变体飞行器外形可变的特点对其蒙皮提出了新的要求。用于可变体飞行器的蒙皮需要满足的要求包括以下三点:一是较高的弹性极限，即蒙皮可以发生较大的变形而不进入塑性段；二是弹性模量要相对较低，以降低对驱动力的要求；三是要能够传递气动载荷。变体飞机的柔性蒙皮设计是变体飞机发展最大难点之一。

目前，业界在柔性蒙皮领域热点研究的柔性蒙皮主要归纳为三类:基于柔性蜂窝的蒙皮、基于波纹板的蒙皮和基于高分子化合物的蒙皮。其中:柔性蜂窝的蒙皮制造工艺复杂，成本高，而且，由于用橡胶承受面内载荷，导致承载能力低；高分子化合物的蒙皮强度和刚度特性差，它不仅面内承载能力比较小，而且法向刚度也不够大。特别是在蒙皮形状改变过程中蒙皮不能承载外载，极大地限制了它在变体飞机上的应用范围；波纹板的蒙皮具备极端各向异性的结构，表现为横向柔性和纵向刚性。业界已经将波纹板蒙皮主要应用在机翼弯度和弦长变化、翼尖小翼变化和翼展变化等可变形机翼结构上，在低速和小型可变形飞行器上有很好的应用前景。

但是，波纹板运用到变弯度机翼上存在一定技术难点。主要体现在：

1)波纹板蒙皮加载问题。变弯度机翼实现基本变形要求，需要蒙皮要伸长或缩短5％-10％。波纹板结构蒙皮沿着波纹方向，伸长量与拉伸载荷不是线性关系。波纹板拉伸到一定程度，需要显著增加拉伸载荷，才能使波纹板继续伸长。这就对波纹板蒙皮加载方式提出了要求。

2)波纹板蒙皮支撑问题。波纹板蒙皮沿波纹方向弯度刚度小，在气动载荷作用下和机翼主动变形作用下，容易出现上凸和下凹的情况。需要设计随动支撑结构，保证波纹板蒙皮时刻与变形机翼结构贴合。

3)波纹板变形蒙皮的表面不连续问题。典型的波纹结构具有平行分布的凹陷和凸起，无法提供一个光滑的气动表面。波纹表面的凹凸起伏会使其结构表面产生较大的阻力系数，对机翼的气动效率产生不利影响。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种变形机翼，其特征在于包括：

作为固定翼段的第一翼段，用于撑起翼型前缘结构并提升抗扭转刚度，

第一转轴，

作为活动翼段的第二翼段，其通过第一转轴与第一翼段连接，

第一舵机和第二舵机，它们分别对称安装于第二翼段的两端，用于驱动第二翼段作相对于第一翼段的转动，

第二转轴，

作为活动翼段的第三翼段，其通过第二转轴与第二翼段连接，

第三舵机和第四舵机，它们分别对称安装于第三翼段的两端，用于驱动第三翼段作相对于第二翼段的转动，

第三转轴，

作为活动翼段的第四翼段，其通过第三转轴与第三翼段连接，并提供了所述变形机翼的后缘外形结构，

第五舵机和第六舵机，它们分别对称安装于第四翼段的两端，用于驱动第四翼段作相对于第三翼段的转动，

波纹板蒙皮，用于承受气动力载荷带来的弯矩，提升所述变形机翼的抗弯刚度，

橡胶薄膜蒙皮，用于维持机翼最外层的气动外形表面。

附图说明

图1是不包括蒙皮的可变形机翼的整体结构示意图(俯视图)。

图2是不包括蒙皮的可变形机翼的整体结构示意图(轴测图)。

图3是包括蒙皮结构的可变形机翼的整体结构示意图(轴测图)。

图4是可变形机翼第一翼段的示意图。

图5是可变形机翼第二翼段的示意图。

图6是可变形机翼第三翼段的示意图。

图7是可变形机翼第四翼段的示意图。

图8是波纹板结构蒙皮的平面投影示意图。

图9是波纹板结构与竖条形支撑部以铰链形式连接的连接示意图。

附图标记说明

1为第一翼段，2为第二翼段，3为第三翼段，4为第四翼段，5为第一舵机，6为第二舵机，7位第三舵机，8为第四舵机，9为第五舵机，10为第六舵机，11为第一转轴，12为第二转轴，13为第三转轴，14为波纹结构蒙皮，15为橡胶薄膜蒙皮,16为竖条形支撑部与波纹板蒙皮连接的铰链。

具体实施方式

为了解决现有技术的上述技术问题，本发明人提供了一种变形机翼装置，其包括4个材料为层板的第一至第四翼段1、2、3、4，第一至第六舵机5、6、7、8、9、10，外径为

的铝制的第一至第三转轴11、12、13，波纹结构蒙皮14，橡胶薄膜蒙皮15，如图1-3所示。

如图4所示，第一翼段1为固定翼段，包括撑起翼型前缘结构并提升抗扭转刚度的D型盒1.1，与八个第一耳片1.2。各第一耳片1.2中均打有

的圆孔。如图5所示，第二翼段2为活动段，包括；第一T型梁结构2.1，用于提高机翼的抗弯曲刚度；十个第二耳片2.2，各第二耳片2.2中均有

的圆孔；5个第一竖条形支撑部2.3，用于连接波纹结构蒙皮，以防止蒙皮的压塌或扯离。第三翼段3与第二翼段2结构相似，为活动翼段，包括(见图6)：第二T型梁结构3.1；九个第三耳片3.2，各第三耳片3.2中均打有

的圆孔；5个第二竖条形支撑部3.3，用于连接波纹结构蒙皮，并同样用于防止蒙皮的压塌或扯离。第四翼段4为活动翼段，包括(见图7)：盒装结构的后缘4.1，用于维持后缘形状；六个中间带有

圆孔的第四耳片4.2；以及，5个第三竖条形支撑部4.3，用于连接波纹结构蒙皮，并同样用于防止蒙皮的压塌或扯离。

第一和第四舵机5、8分别位于机翼左右两端翼段1与翼段2的交汇处，用于同步驱动第一转轴11转动。第一转轴11穿入第一翼段1与第二翼段2中的第二耳片的圆孔中，实现第一翼段1与第二翼段2的连接。第二和第五舵机6、9分别位于机翼左右两端第二翼段2与第三翼段3交汇处，用于同步驱动第二转轴12转动。第二转轴12穿入第二翼段2与第三翼段3中的第三耳片的圆孔中，实现第二翼段2与第三翼段3的连接。第三和第六舵机7、10分别位于机翼左右两端的第三翼段3与第四翼段4交汇处，用于同步驱动第三转轴13转动。第三转轴13穿入第三翼段3与第四翼段4中的第四耳片的圆孔中，实现第三翼段3与第四翼段4的连接。由控制系统输入PPM或PCM信号到各舵机中，各舵机通过相应转轴对相应翼段进行转动驱动，以实现对机翼弯度和攻角的改变。

进一步地，第一翼段1中的D型盒1.1、橡胶薄膜蒙皮15与第四翼段4的后缘4.1共同构成机翼外形，在0输入信号下机翼剖面为NACA0015翼型。而波纹结构蒙皮14埋于橡胶薄膜蒙皮15之下，波纹的棱与弦向垂直而与展向平行，起到对展长方向的弯曲刚度的提升，以限制蒙皮的变形，更好地维持翼型表面。根据本发明的一个实施例的波纹结构蒙皮14的波纹二维投影形状如图8所示，其几何尺寸沿弦向为213.658mm，沿展向为300mm；在波纹板的棱上打孔并以螺丝连接机翼的第一翼段1的D型盒1.1、第二翼段2的第一T型梁结构2.1、第三翼段3的第二T型梁结构3.1与第四翼段4的盒装结构后缘4.1。

进一步地，第二翼段2中的第一竖条形支撑部2.3、第三翼段3中的第二竖条形支撑部3.3、第四翼段4中的第三竖条形支撑部4.3与蒙皮连接的结构均为球铰链结构，如图9所示。竖条形支撑部可以在较大的角度内旋转，实现与蒙皮的点接触，用于防止蒙皮的塌陷或者扯离。

本发明的有益效果包括：

1)本发明技术方案的面向变弯度机翼的波纹板蒙皮的安装使用方法同现有的技术方案相比较，具有能够更好地维持气动外形表面、减小舵机驱动力矩的优点。本发明的变弯度机翼采用波纹板蒙皮，波纹板蒙皮具有横向柔性，纵向刚性的特点，由于横向上的柔性，舵机可以以更小的驱动力矩驱动活动翼段的转动，从而实现机翼的弯度以及相对来流的攻角的改变；

2)由于纵向的刚性，可以抑制机翼在受气动载荷下的弯曲变形。本发明在翼段上添加对于波纹板蒙皮的竖条形支撑结构，既不影响蒙皮的弯曲变形，也能达到限制蒙皮内凹的趋势；

3)本发明的竖条形支撑结构与波纹板蒙皮以铰链形式连接，在不影响蒙皮的弯曲变形的前提下，又能很好地限制蒙皮的面外凹陷和凸出，防止蒙皮在受力后的塌陷与分离，保证了可变形机翼外表面的连续与光滑；

4)本发明的技术方案实现了变弯度柔机翼更优异的机械操控特性以及更优异的气动增升减阻特性。

Claims

1.一种变形机翼，其特征在于包括：

作为固定翼段的第一翼段（1），用于撑起翼型前缘结构并提升抗扭转刚度，

第一转轴（11），

作为活动翼段的第二翼段（2），其通过第一转轴（11）与第一翼段（1）连接，

第一舵机（5）和第二舵机（6），它们分别对称安装于第二翼段的两端，用于驱动第二翼段（2）作相对于第一翼段（1）的转动，

第二转轴（12），

作为活动翼段的第三翼段（3），其通过第二转轴（12）与第二翼段（2）连接，

第三舵机（7）和第四舵机（8），它们分别对称安装于第三翼段（3）的两端，用于驱动第三翼段（3）作相对于第二翼段（2）的转动，

第三转轴（13），

作为活动翼段的第四翼段（4），其通过第三转轴（13）与第三翼段（3）连接，并提供了所述变形机翼的后缘外形结构，

第五舵机（9）和第六舵机（10），它们分别对称安装于第四翼段的两端，用于驱动第四翼段（4）作相对于第三翼段（3）的转动，

橡胶薄膜蒙皮（15），用于维持机翼最外层的气动外形表面，

其中：

第一翼段（1）包括撑起翼型前缘结构并提升抗扭转刚度的D型盒（1.1）和八个第一耳片（1.2），各第一耳片（1.2）上均打有孔，

第二翼段（2）包括；

第一T型梁结构（2.1），用于提高机翼的抗弯曲刚度；

十个第二耳片（2.2），各第二耳片（2.2）中均有孔；

五个第一竖条形支撑部（2.3），用于连接波纹板蒙皮，以防止波纹板蒙皮的压塌或扯离，

第三翼段（3）包括：

第二T型梁结构（3.1）；

九个第三耳片（3.2），各第三耳片（3.2）均有孔；

五个第二竖条形支撑部（3.3），用于连接波纹板蒙皮，防止波纹板蒙皮的压塌或扯离，

第四翼段（4）包括：

盒装结构的后缘（4.1），用于维持后缘外形结构的形状；

六个中间带有孔的第四耳片（4.2）；以及，

五个第三竖条形支撑部（4.3），用于连接波纹板蒙皮，防止波纹板蒙皮的压塌或扯离。

2.根据权利要求1所述的变形机翼，其特征在于：

第一舵机（5）和第四舵机（8）用于同步驱动第一转轴（11）转动，

第一转轴（11）穿入第一翼段（1）与第二翼段（2）中的第二耳片的孔中，实现第一翼段（1）与第二翼段（2）的连接，

第二舵机（6）和第五舵机（9）用于同步驱动第二转轴（12）转动，

第二转轴（12）穿入第二翼段（2）与第三翼段（3）中的第三耳片的孔中，实现第二翼段（2）与第三翼段（3）的连接，

第三舵机（7）和第六舵机（10）用于同步驱动第三转轴（13）转动，

第三转轴（13）穿入第三翼段（3）与第四翼段（4）中的第四耳片的孔中，实现第三翼段（3）与第四翼段（4）的连接。

3.根据权利要求2所述的变形机翼，其特征在于：

由控制系统输入PPM或PCM信号到各舵机中，各舵机通过相应转轴对相应翼段进行转动驱动，以实现对机翼弯度和攻角的改变。

4.根据权利要求1所述的变形机翼，其特征在于：

第一翼段（1）中的D型盒（1.1）、橡胶薄膜蒙皮（15）与盒装结构的后缘（4.1）共同构成机翼外形，在零输入信号下机翼剖面为NACA0015翼型，

波纹板蒙皮埋于橡胶薄膜蒙皮（15）之下，波纹板蒙皮的波纹的棱与弦向垂直而与展向平行，起到对展长方向的弯曲刚度的提升，以限制波纹板蒙皮的变形，更好地维持翼型表面，

在波纹板蒙皮的波纹板的棱上打孔并以螺丝连接第一翼段（1）的D型盒（1.1）、第二翼段（2）的第一T型梁结构（2.1）、第三翼段（3）的第二T型梁结构（3.1）与第四翼段（4）的盒装结构的后缘（4.1）。

5.根据权利要求1所述的变形机翼，其特征在于：

第二翼段（2）中的第一竖条形支撑部（2.3）、第三翼段（3）中的第二竖条形支撑部（3.3）、第四翼段（4）中的第三竖条形支撑部（4.3）与波纹板蒙皮连接的结构均包括用于分别连接第一、第二和第三竖条形支撑部中的每一个与波纹板蒙皮的球铰链结构（16），使得第一、第二和第三竖条形支撑部中的每一个可以在大的角度内旋转，实现与波纹板蒙皮的点接触，防止波纹板蒙皮的塌陷和/或分离。