CN114162307B - 一种剪切式变后掠翼的刚柔耦合蒙皮结构 - Google Patents

Abstract

一种剪切式变后掠翼的刚柔耦合蒙皮结构，涉及航空技术领域，针对现有技术中复杂力热环境下剪切式变后掠机翼蒙皮的变形问题，包括：壁板式蒙皮面片和承载骨架；所述承载骨架包括平行设置的肋板和连接肋板的承载桁条，所述肋板和承载桁条转动连接，所述肋板之间靠近机身的承载桁条上设有承载桁条耳片，所述桁条耳片通过销轴与机身转动连接，所述肋板上加工有滑道；所述壁板式蒙皮面片包括多个子面片，所述子面片固定设置在相邻两个肋板上，所述子面片为高温合金材质，所述多个子面片紧密排布。本申请解决了复杂力热环境下剪切式变后掠机翼蒙皮的适应变形问题。

Description

一种剪切式变后掠翼的刚柔耦合蒙皮结构

技术领域

本发明涉及航空技术领域，一种剪切式变后掠翼的刚柔耦合蒙皮结构。

背景技术

20世纪60年代开始重大科技的的发展迅速，高速导弹、航天飞机以及载人航天的成功代表人类进入了超音速时代，未来的发展将要向高超音速的方向发展。固定翼飞机无法超越声速飞行，通过增大机翼的后掠角，降低机翼的展弦比进而减小高速飞行中的激波阻力来提升飞行马赫数，但大后掠角的机翼在低于音速时飞行升力比较小，导致效率不高所以后掠翼飞机又不适合低速和远程飞行。为完成不同的空中飞行任务，巡航速度和有效载荷需求不断提高，而固定式机翼已经无法满足需求。分析机翼的空气动力学可若既满足高速飞行又适应低速时的起升飞行，就需要能够调整机翼的后掠角，所以通过变机翼后掠角适应不同飞行速度条件变成主流。旋转式变后掠翼较为简单也相对成熟但是该类型翼的飞行特性不佳；剪切式变后掠机翼，即通过调整机翼骨架构型改变机翼后掠角，同时保证翼梢与来流方向始终相同而避免发生流动分离，具有更好的飞行特性，所以如今成为设计变后掠翼的主要类型。

但机翼发生剪切式变后掠的期间要求机翼的蒙皮可以适应变形改变自身形状，并且需要紧密贴附在机身骨架外表面保证良好的气动外形，导致现今剪切式后掠翼多数采用自身具有一定的延展性和收缩性能的弹性材料作为蒙皮或利用形状记忆合金等新型材料制成的智能蒙皮，而这类蒙皮表面刚度较低、可控性能较差等问题导致该类型的后掠翼目前仅用于无人机等对机身表面强度要求较低设备中。由于高速飞行中恶劣的超声速扰流和气动加热环境下一般大面积柔性材料无法承受，从而影响机翼气动外形导致损毁。发展超音速飞行器提高飞行马赫数是必要环节，提出和设计研究能够在高速气流中适应变形，并在此过程中翼面具有维持连续光滑气动外形能力的高强度剪切式变后掠翼蒙皮。

发明内容

本发明的目的是：针对现有技术中复杂力热环境下剪切式变后掠机翼蒙皮的变形问题，提出一种剪切式变后掠翼的刚柔耦合蒙皮结构。

本发明为了解决上述技术问题采取的技术方案是：

一种剪切式变后掠翼的刚柔耦合蒙皮结构，包括：壁板式蒙皮面片和承载骨架；

所述承载骨架包括平行设置的肋板8和连接肋板8的承载桁条2，所述肋板8和承载桁条2转动连接，所述肋板8之间靠近机身5的承载桁条2上设有承载桁条耳片4，所述桁条耳片4通过销轴7与机身5转动连接，所述肋板8上加工有滑道；

所述壁板式蒙皮面片包括多个子面片1，所述子面片1固定设置在相邻两个肋板8上，所述子面片1为高温合金材质，所述多个子面片1紧密排布。

进一步的，所述肋板8上加工有凹型滑道6，所述子面片1嵌套在凹型滑道6中。

进一步的，所述多个子面片1之间通过密封结构连接，相邻的两个子面片1能沿子面片1的长度方向相对滑动。

进一步的，所述密封结构具体为：相邻两个子面片1的相对端分别加工有凹形槽和凸形槽，所述凹形槽和凸形槽插装连接。

进一步的，所述密封结构具体为：相邻两个子面片1的相对端分别设有向肋板8方向延伸的凸出部14和包裹凸出部14的凹形部15。

进一步的，所述凸出部14和凹形部15之间设有弹性部件，所述弹性部件用于夹紧相邻两个子面片1。

进一步的，所述所述弹性部件为斜圈弹簧。

进一步的，所述弹簧与凹形部15之间设有陶瓷纤维绳9。

进一步的，所述相邻两个子面片1之间设有减阻滚珠11。

进一步的，所述子面片1为刚柔耦合，刚性为高温钛合金，柔性为六角蜂窝柔性结构12；

所述六角蜂窝柔性结构12和高温钛合金材料通过刚性边框13连接，具体连接方式为：

将刚性边框13与六角蜂窝柔性结构12胶结后再与高温钛合金材料通过螺钉连接。

本发明的有益效果是：

本申请解决了复杂力热环境下剪切式变后掠机翼蒙皮的适应变形问题。

本申请剪切式变后掠翼的机翼蒙皮采用能够维形且承载的高强度刚性材料，将刚性材料的蒙皮分割成若干面片，各面片均发生转动且各面片之间发生相对滑动保证面片之间拼接的连续性，实现发生剪切变形后还继续保持连续光滑的气动外形。

翼梢缺口处采用柔性蒙皮与刚性面片进行拼接组合的形式，即通过柔性材料的拉伸特性填补变形过程中不规则变化的缺口，以弥补变形过程中不规则的缺口对蒙皮整体的影响，保证机翼整体连续气动外形。

在高马赫数飞行所受气动力作用下机翼静气动弹性问题与亚音速有很大不同且更为复杂，通过强度等因素约束对滑动变形蒙皮的关联骨架作进一步的轻量优化，从而使高速飞行器能够降低能耗提高飞行效率。

使用弹簧预紧可以显著减小密封件施加到相对结构上的力，并且密封件的弹性提高了2.3～3.3倍，这种密封结构向相对密封表面不过多施加载荷的情况下，为密封件提供大量的行程和弹力。

同时在面片拼接位置放置减阻滚珠降低滑动变形的摩擦力，在该密封结构中气动热会被陶瓷纤维绳隔绝禁止进入机翼内部，并且斜弹簧提供稳定的预紧力保证面片之间的没有缝隙，使得面片之间拼接位置连续。

附图说明

图1为剪切式变后掠翼的机翼蒙皮剖视图；

图2为剪切式变后掠翼的机翼蒙皮结构示意图；

图3为子面片刚柔耦合结构示意图；

图4为机翼蒙皮与机身连接示意图；

图5为机翼蒙皮与机身连接剖视图；

图6为承载骨架示意图；

图7为密封结构示意图。

具体实施方式

需要特别说明的是，在不冲突的情况下，本申请公开的各个实施方式之间可以相互组合。

具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种剪切式变后掠翼的刚柔耦合蒙皮结构，它包括壁板式蒙皮面片、承载桁条和密封机构，所述整体壁板式蒙皮面片为若干个平行排布的独立单元，各蒙皮面片子面片的根部均通过承载桁条耳片与机身相连，所述密封结构均布于各个独立面片之间，密封结构如图7所示，所述承载桁条与整体壁板式蒙皮面片胶合沿着支撑骨架上的凹型轨道滑动。

所述壁板式蒙皮面片包括高温钛合金材料、刚性边框和六角蜂窝柔性结构，所述六角蜂窝柔性材料在边缘处采用金属边框维形，将边框与六角蜂窝柔性材料胶结后再于高温钛合金边界通过螺钉连接形成壁板式蒙皮面片。各个壁板式蒙皮面片相互平行紧密排布。

所述承载桁条与整体式壁板式蒙皮胶合，为高温合金材质。

所述密封结构处于各壁板式蒙皮面片之间，主要由陶瓷纤维绳和斜圈弹簧组成。陶瓷纤维绳与一侧的蒙皮面片紧密贴合，通过斜圈弹簧提供的预紧力而实现各蒙皮面片之间的密封。

一种用于承载剪切式变后掠翼的滑动蒙皮的骨架结构，它包括凹型滑道和肋板，所述肋板均布于机翼之中，所述凹型滑道焊接于肋板上，将蒙皮桁条上分布载荷传递给肋板。它主要用于剪切式变后掠翼的适应变形。

实施例：

如图1所示，一种剪切式变后掠翼的刚柔耦合蒙皮结构，包括壁板式蒙皮面片1、承载桁条2和密封机构3，所述整体壁板式蒙皮面片1为若干个平行排布的独立单元，各蒙皮面片子面片的根部均通过承载桁条耳片4与机身5相连，所述密封结构3均布于各个独立面片之间，所述承载桁条2与整体壁板式蒙皮面片1胶合沿着支撑骨架8上的凹型轨道6滑动。

如图3所示，所述蒙皮形式为壁板式蒙皮1，材质为高温钛合金，具有内部空间大承载能力强的特点，六角蜂窝柔性材料12在边缘处采用金属边框维形13，将边框13与柔性材料12胶结后再于刚性蒙皮边界1通过螺钉连接，柔性蒙皮12受力偶作用发生面内变形，采用六角蜂窝柔性材料12既能承载又能发生对称剪切变形。

如图2、图4和图5所示，通过上下面刚性子面片1上胶合的桁条2与骨架上的滑道贴合作为移动副，承载桁条耳片4通过销轴7与从动滑块相连在翼身滑道上滑动。

如图5所示，机翼的骨架结构由肋板8与滑道6组合成为一体。通过滑道6连接将等间距排布的肋板装配成为一个整体。有利于防止机翼变形成为大后掠角时，骨架在其内部与机身发生干涉。同时，有利于通过肋板8将桁条将蒙皮上承受弯矩和扭矩传递至机身。

如图7所示，密封结构位于刚性面片的拼接处，防止机翼变形过程中产生的振动和高压热气流向机翼内部泄露，导致内部作动机破坏。它包括陶瓷纤维绳9、斜圈弹簧10和减阻滚珠11。陶瓷纤维绳9能够承受1500度以上的高温，同时将热气流限制在内部结构工作温度之内，确保变形能够正常执行功能。接触面的加工表面粗糙度在13～14.6μm范围内，避免制动期间密封损坏。时在面片拼接位置放置减阻滚珠11降低滑动变形的摩擦力，在该密封结构中气动热会被陶瓷纤维绳9隔绝禁止进入机翼内部，并且斜圈弹簧10提供稳定的预紧力保证面片之间的没有缝隙，使得面片之间拼接位置连续。使用斜圈弹簧10可以不向密封件或相对的密封表面施加过多载荷的情况下为密封件提供大量的行程和弹性。

需要注意的是，具体实施方式仅仅是对本发明技术方案的解释和说明，不能以此限定权利保护范围。凡根据本发明权利要求书和说明书所做的仅仅是局部改变的，仍应落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种剪切式变后掠翼的刚柔耦合蒙皮结构，其特征在于包括：壁板式蒙皮面片和承载骨架；

所述承载骨架包括平行设置的肋板(8)和连接肋板(8)的承载桁条(2)，所述肋板(8)和承载桁条(2)转动连接，所述肋板(8)之间靠近机身(5)的承载桁条(2)上设有承载桁条耳片(4)，所述桁条耳片(4)通过销轴(7)与机身(5)转动连接，所述肋板(8)上加工有滑道；

所述壁板式蒙皮面片包括多个子面片(1)，所述子面片(1)固定设置在相邻两个肋板(8)上，所述子面片(1)为高温合金材质，所述多个子面片(1)紧密排布；

所述肋板(8)上加工有凹型滑道(6)，所述子面片(1)嵌套在凹型滑道(6)中；

所述多个子面片(1)之间通过密封结构连接，相邻的两个子面片(1)能沿子面片(1)的长度方向相对滑动。

2.根据权利要求1所述的一种剪切式变后掠翼的刚柔耦合蒙皮结构，其特征在于所述密封结构具体为：相邻两个子面片(1)的相对端分别加工有凹形槽和凸形槽，所述凹形槽和凸形槽插装连接。

3.根据权利要求1所述的一种剪切式变后掠翼的刚柔耦合蒙皮结构，其特征在于所述密封结构具体为：相邻两个子面片(1)的相对端分别设有向肋板(8)方向延伸的凸出部(14)和包裹凸出部(14)的凹形部(15)。

4.根据权利要求3所述的一种剪切式变后掠翼的刚柔耦合蒙皮结构，其特征在于所述凸出部(14)和凹形部(15)之间设有弹性部件，所述弹性部件用于夹紧相邻两个子面片(1)。

5.根据权利要求4所述的一种剪切式变后掠翼的刚柔耦合蒙皮结构，其特征在于所述弹性部件为斜圈弹簧。

6.根据权利要求5所述的一种剪切式变后掠翼的刚柔耦合蒙皮结构，其特征在于所述弹簧与凹形部(15)之间设有陶瓷纤维绳(9)。

7.根据权利要求3至6任一项所述的一种剪切式变后掠翼的刚柔耦合蒙皮结构，其特征在于所述相邻两个子面片(1)之间设有减阻滚珠(11)。

8.根据权利要求7所述的一种剪切式变后掠翼的刚柔耦合蒙皮结构，其特征在于所述子面片(1)为刚柔耦合，刚性为高温钛合金，柔性为六角蜂窝柔性结构(12)；

所述六角蜂窝柔性结构(12)和高温钛合金材料通过刚性边框(13)连接，具体连接方式为：

将刚性边框(13)与六角蜂窝柔性结构(12)胶结后再与高温钛合金材料通过螺钉连接。

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