CN113173243A - 一种压电鱼骨机翼结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种压电鱼骨机翼结构，包括固连在一起的多个翼段，各翼段包括主动肋组件、从动肋组件、拉索驱动机构、压电驱动机构和蒙皮结构；主动肋组件包括前肋板、连接板和主动后肋板，前肋板和主动后肋板分别垂直固连于连接板的上下面；从动肋组件包括垂直固连于连接板下端面的鱼骨后肋；鱼骨后肋包括从动后肋板和连接在从动后肋板上的多个辐条；主动后肋板尾端与从动后肋板尾端通过连接杆连接；拉索驱动机构包括驱动舵机、舵机牵引盘和拉索；压电驱动机构包括分别布置于主动后肋板上下两面上的两个压电薄膜。本发明通过舵机拉索和压电薄膜驱动主动后肋板变形，在后蒙皮与连接杆的作用下，鱼骨后肋也发生变形，实现机翼后缘的准确连续可变弯曲。

Description

一种压电鱼骨机翼结构

技术领域

本发明属于航空机翼设计领域，特别涉及一种压电鱼骨机翼结构。

背景技术

固定翼飞机的气动外形都是根据飞机巡航点进行的最优设计，通常一个机翼只有一个巡航点。在现代航空航天技术的发展过程中，随着飞行器设计人员对飞行器飞行原理认识的逐步深入，寻求多巡航点的机翼设计成为飞行器设计领域的重点研究方向。能主动变形的变形机翼设计，因为可以实现机翼在不同飞行环境保持最优气动外形，因此成为飞行器性能获得突破性发展重点研究方向。

变形机翼结构设计很多，但是大多停留在实验室或模拟样机阶段，还没能进入大规模实际运用。总览变形机翼的发展历程，主要发展趋势是机翼的作动器和控制系统更加复杂与精细化、结构简化、柔性增加。现阶段比较突出的两个构型是鱼骨变形机翼设计与压电变后缘机翼设计。

woods设计提出了鱼骨机翼，其简单可靠，只要很小的驱动能量就能实现后缘变形，是一种非常优秀的变形机翼设计。目前主要采用舵机钢索驱动型鱼骨机翼，该机翼变形的结构形式存在两个缺点：一个是舵机钢索的驱动器作动频率比较低，无法实现在阵风减缓和颤振抑制方向的功能，这个低作动频率一方面是由于舵机的属性限制，一方面则是由拉动钢索的驱动形式所限制；另一个是变形模式比较单一，并不能实现后缘的精确外形控制，而由气动力计算可知，机翼后缘的微幅变化也会对机翼的阻力产生显著的影响,因此能够实现对机翼后缘准确的变形控制是必要的。舵机钢索驱动型鱼骨机翼这两个缺点是由于舵机拉索驱动型鱼骨机翼的固有属性所导致的，无法通过结构优化进行根除。

Inman教授用压电薄膜MFC为主结构设计提出压电变后缘机翼，并在小型无人机上进行了飞行实验。压电薄膜MFC利用电介质材料的压电效应制成，有双层压电薄膜与单层压电薄膜之分，单层压电薄膜是由一层压电材料和一层非压电材料组成，而双层压电薄膜由两层压电材料组成。压电薄膜的工作原理是将压电薄膜接通电源后，布置压电材料那侧会产生位移，因而两层材料之间长度不同，使得整个薄膜弯曲，弯曲变形程度与压电薄膜上所施加的电压大小及其频率有关。压电薄膜的优势是驱动频率高，且变形程度可控，可以实现后缘的几何形状快速精确控制。但采用这种压电薄膜MFC驱动鱼骨机翼后缘变化具有如下缺点：压电薄膜本身驱动功率较小，无法实现大幅度的弯曲变形，使用范围比较小，很难大规模推广应用。

上述两种变后缘机翼都已经进行了模拟样机飞行实验阶段，属于比较优秀的变形机翼设计，但是受限于其结构固有特性，存在明显的缺陷。

发明内容

针对上述问题，本发明将鱼骨变形机翼与压电变后缘机翼两种变形机翼进行融合设计，提出了一种压电鱼骨机翼结构。本发明可以实现变形机翼的快速精确外形控制、大幅度弯曲和阵风减缓控制的功能，且能够替代副翼来实现相关的飞行姿态操控。

为实现目的，本发明提供了一种压电鱼骨机翼结构，包括固连在一起的多个翼段，各翼段包括主动肋组件、从动肋组件、拉索驱动机构、压电驱动机构和蒙皮结构；

所述主动肋组件包括前肋板、连接板和主动后肋板，所述前肋板和所述主动后肋板分别垂直固连于所述连接板的上下两面；所述主动后肋板具有楔形尾端且尖端朝外；

所述从动肋组件包括垂直固连于所述连接板下面的鱼骨后肋；所述鱼骨后肋包括从动后肋板和连接在所述从动后肋板上的多个辐条；所述从动后肋板具有楔形尾端且尖端朝外；所述主动后肋板的楔形尾端与所述从动后肋板的楔形尾端通过连接杆联动；

所述拉索驱动机构包括驱动舵机、舵机牵引盘和拉索；所述驱动舵机固定安装在所述前肋板上；所述舵机牵引盘与所述驱动舵机的输出端连接；所述拉索一端缠绕在所述舵机牵引盘上，另一端穿过所述连接板连接于所述后缘连接杆；所述压电驱动机构包括两个压电薄膜，所述两个压电薄膜分别布置于所述主动后肋板上下两面上；

所述蒙皮结构包括前蒙皮和后蒙皮；所述前蒙皮内侧面与所述前肋板侧端面联接铺覆在其外侧；所述后蒙皮内侧面与所述多个辐条、所述主动后肋板的楔形尾端斜面与所述从动后肋板的楔形尾端斜面联接，铺覆在所述鱼骨后肋和所述主动后肋板外侧。

在一些实施方式中，所述从动肋组件包括两个鱼骨后肋，所述两个鱼骨后肋对称布置在所述主动后肋板两侧。

在一些实施方式中，所述主动后肋板的中点位置处设有拉索支撑板，所述拉索支撑板上设有使所述拉索穿过的通孔。

在一些实施方式中，所述主动后肋板包括连接块、直板和楔形块，所述连接块一端固连于所述连接板下端面，另一端开有第一凹槽；所述楔形块底面开有第二凹槽，所述直板两端分别插入所述第一凹槽和所述第二凹槽并固定。

在一些实施方式中，所述多个辐条成对布置于所述从动后肋板两端面上；所述多个辐条包括长度递减的多对辐条并沿着朝向所述从动后肋板尾端方向依次布置。

在一些实施方式中，各辐条成L形，具有与所述后蒙皮内侧面接触联接的弯折端部。

在一些实施方式中，所述前蒙皮由硬质材料制成；所述后蒙皮由橡胶弹性材料制成。

在一些实施方式中，所述前肋板具有弧形头部。

在一些实施方式中，所述两个压电薄膜分别胶接于所述主动后肋板两端面上。

在一些实施方式中，所述前肋板设有使主梁穿过的通孔，所述多个翼段通过所述主梁连接在一起同时相邻翼段的连接板固连。

本发明的有益效果：

1)本发明采用驱动舵机驱动拉索牵引主动后肋板达到后缘的大幅度变形，同时使用在主动后肋板表面粘贴的压电薄膜实现快速精确变形，弥补了拉索牵引变形作动频率较低的不足，实现了后缘的精确变形；

2)本发明由于采用压电驱动变形，可在平飞过程中进行后缘精确微小变形，减小飞行阻力；

3)本发明取消了布置在机翼后缘的副翼，可以避免副翼颤振的发生，由于压电驱动作动频率高，可以通过压电驱动快速操纵后缘变形来达到阵风减缓的目的。

附图说明

图1是本发明实施例的单个翼段的整体结构示意图；

图2是本发明实施例的压电鱼骨机翼结构中单个翼段的主动肋组件与拉索驱动机构、压电驱动机构的装配示意图；

图3是本发明实施例的单个翼段的从动肋组件的结构示意图；

图4是本发明实施例的压鱼骨机翼结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步描述本发明，应该理解，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

如图1所示，本实施例的压电鱼骨机翼结构的单个翼段包括主动肋组件、从动肋组件、拉索驱动机构、压电驱动机构和蒙皮结构(图1中未示出)。

如图1和2所示，主动肋组件包括前肋板11、连接板12和主动后肋板13，前肋板11和主动后肋板13分别垂直固连于连接板12的上下两面。在本实施例中，主动后肋板13包括连接块131、直板132和楔形块133；连接块131一端通过螺栓固连于连接板12下面，另一端开有第一凹槽，直板132的一端插入第一凹槽并用螺栓固定；楔形块133的与其尖端相对的底面开有第二凹槽，直板132的另一端插入该第二凹槽并用螺栓固定，此时楔形块133尖端朝外。

如图1和3所示，从动肋组件包括垂直固连于连接板12下面的两个鱼骨后肋2，且两个鱼骨后肋2对称布置在主动后肋板13两侧。每个鱼骨后肋2包括从动后肋板21和连接在从动后肋板21上的多个辐条22，从动后肋板21一端通过螺栓固接在连接板12下面，另一端为楔形尾端211且尖端朝外。本实施例中，多个辐条22成对布置于从动后肋板21的两面上，用于支撑蒙皮结构。如图所示，本实施例的多个辐条22包括长度递减的多对辐条，这些辐条沿着朝向从动后肋板21的楔形尾端211方向依次布置，使鱼骨后肋2整体呈鱼骨形。特别地，各辐条22成L形，具有与蒙皮内侧面接触联接的弯折端部221。

如图1和2所示，拉索驱动机构包括驱动舵机31、舵机牵引盘32和拉索33。在本实施例中，前肋板11上开有矩形通孔，驱动舵机31通过该矩形通孔固定安装在前肋板11一侧，舵机牵引盘32位于前肋板11另一侧且与驱动舵机31的输出端连接。拉索33一端缠绕在舵机牵引盘32上，另一端穿过连接板12与主动后肋板13的楔形块133连接。在使用驱动舵机31驱动变形时，驱动舵机31带动缠绕在舵机牵引盘32上的拉索33使主动后肋板13弯曲。

有利地，在主动后肋板13的中点位置处设置拉索支撑板34，其上设有通孔，拉索33穿过拉索支撑板34上的通孔与主动后肋板13的楔形块133连接，从而可以防止拉索33在大变形时与蒙皮结构接触。

如图1和2所示，压电驱动机构包括两个压电薄膜4，该两个压电薄膜4分别粘接于主动后肋板13的上下两面上。在使用压电驱动变形时，改变压电薄膜4的电压和频率使压电薄膜4变形，带动主动后肋板13弯曲。

本实施例中，主动后肋板13的楔形块133设有延伸穿过其两个侧面的通孔，两个从动后肋板21的楔形尾端211设有朝向主动后肋板的盲孔或延伸穿过各自两个侧面的通孔，利用连接杆5穿过通过或插入盲孔，可以使主动后肋板13的楔形块133和两个从动后肋板21的楔形尾端211连接，实现主动后肋板13通过连接杆5牵动两个从动后肋板21产生弯曲变形，使得整个翼段后缘发生弯曲变形。

舵机拉索驱动具有较大功率，可实现后缘大幅度弯曲变形。压电薄膜驱动具有较高作动频率，可实现后缘快速精确变形。本发明将两者结合，通过联合使用，可实现不同飞行情景下机翼后缘的精确快速大幅度变形：

1)在飞机穿过阵风等复杂气象环境时，需要快速改变后缘弯度来实现阵风减缓，这种情形需要较高的作动频率。此时可以主要采用压电驱动变形，通过调整压电薄膜4的电压和频率，使得压电薄膜4发生变形带动主动后肋板13弯曲，主动后肋板13通过连接杆5带动两个从动后肋板21发生弯曲变形；

2)当飞机在飞行时遇到转弯等大幅度机动时，需要机翼后缘产生比较大的弯曲，因此需要较大的功率，此时可以使用驱动舵机31驱动拉索33来实现后缘比较大的弯曲；

3)在飞机巡航飞行时，在不同的高度机翼的最优外形是不同的，通过气动计算可知，在高速飞行时后缘微小的变形可以很大程度的影响飞行阻力，因此在一些高度已知最优构形时，先采用驱动舵机31驱动拉索33使机翼外形改变到最佳构形附近，再采用压电驱动的方式进行小幅度精确变形达到飞行最有利的位置。

利用本发明的单个翼段组成机翼时，单个翼段的数目可根据机翼的长度进行增减。本实施例的机翼结构由四段翼段组成，四段翼段除了通过主梁6固连之外，相邻两翼段连接板12之间使用壁板连接，如图4所示。蒙皮结构主要包括前蒙皮71和后蒙皮72。前蒙皮71采用硬质材料，通过与前肋板11的侧端面、连接板12上面边缘相联接铺覆在连接板12上方。后蒙皮72需要发生弯曲变形，采用弹性橡胶材料，利用鱼骨后肋2上的多个辐条22做支撑，通过与连接板12下面边缘、从动后肋板21的楔形尾端211斜面、主动后肋板13的楔形块133斜面联结，铺覆在连接板12下方。特别地，对于组成机翼的每个单独翼段均布置驱动机构，而前、后蒙皮可选择对单独翼段逐一铺覆或者在所有翼段组合之后整体铺覆。单独铺覆蒙皮的优点是可以在每个单独翼段之间实现不同程度的弯曲，实现分段精确控制，而整体铺覆蒙皮能够使机翼外形光滑，气流相对有序流动。

对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以对本发明的实施例做出若干变型和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种压电鱼骨机翼结构，其特征在于，包括固连在一起的多个翼段，各翼段包括主动肋组件、从动肋组件、拉索驱动机构、压电驱动机构和蒙皮结构；

所述主动肋组件包括前肋板、连接板和主动后肋板，所述前肋板和所述主动后肋板分别垂直固连于所述连接板的上下两面；所述主动后肋板具有楔形尾端且尖端朝外；

所述从动肋组件包括垂直固连于所述连接板下面的鱼骨后肋；所述鱼骨后肋包括从动后肋板和连接在所述从动后肋板上的多个辐条；所述从动后肋板具有楔形尾端且尖端朝外；所述主动后肋板的楔形尾端与所述从动后肋板的楔形尾端通过连接杆联动；

所述拉索驱动机构包括驱动舵机、舵机牵引盘和拉索；所述驱动舵机固定安装在所述前肋板上；所述舵机牵引盘与所述驱动舵机的输出端连接；所述拉索一端缠绕在所述舵机牵引盘上，另一端穿过所述连接板连接于所述后缘连接杆；所述压电驱动机构包括两个压电薄膜，所述两个压电薄膜分别布置于所述主动后肋板上下两面上；

所述蒙皮结构包括前蒙皮和后蒙皮；所述前蒙皮内侧面与所述前肋板侧端面联接铺覆在其外侧；所述后蒙皮内侧面与所述多个辐条、所述主动后肋板的楔形尾端斜面与所述从动后肋板的楔形尾端斜面联接，铺覆在所述鱼骨后肋和所述主动后肋板外侧。

2.根据权利要求1所述的压电骨机翼结构，其特征在于，所述从动肋组件包括两个鱼骨后肋，所述两个鱼骨后肋对称布置在所述主动后肋板两侧。

3.根据权利要求1或2所述的压电骨机翼结构，其特征在于，所述主动后肋板的中点位置处设有拉索支撑板，所述拉索支撑板上设有使所述拉索穿过的通孔。

4.根据权利要求1或2所述的压电骨机翼结构，其特征在于，所述主动后肋板包括连接块、直板和楔形块，所述连接块一端固连于所述连接板下端面，另一端开有第一凹槽；所述楔形块底面开有第二凹槽，所述直板两端分别插入所述第一凹槽和所述第二凹槽并固定。

5.根据权利要求1或2所述的压电骨机翼结构，其特征在于，所述多个辐条成对布置于所述从动后肋板两端面上；所述多个辐条包括长度递减的多对辐条并沿着朝向所述从动后肋板尾端方向依次布置。

6.根据权利要求1或2所述的压电骨机翼结构，其特征在于，各辐条成L形，具有与所述后蒙皮内侧面接触联接的弯折端部。

7.根据权利要求1-6之一所述的压电骨机翼结构，其特征在于，所述前蒙皮由硬质材料制成；所述后蒙皮由橡胶弹性材料制成。

8.根据权利要求1-6之一所述的压电骨机翼结构，其特征在于，所述前肋板具有弧形头部。

9.根据权利要求1-6之一所述的压电骨机翼结构，其特征在于，所述两个压电薄膜分别胶接于所述主动后肋板两端面上。

10.根据权利要求1-6之一所述的压电骨机翼结构，其特征在于，所述前肋板设有使主梁穿过的通孔，所述多个翼段通过所述主梁连接在一起同时相邻翼段的连接板固连。

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