CN114572380B - 一种基于刚柔耦合机构的柔性后缘机翼 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于刚柔耦合机构的柔性后缘机翼。该机翼采用翼盒‑翼肋‑蒙皮结构，翼盒是机翼的主要承力部件，翼肋分为两个部分，刚性部分维持机翼外形和布置驱动系统，柔性部分实现机翼后缘变形，满足飞机操纵需要。柔性翼肋表面覆盖柔性蒙皮，柔性蒙皮可以贴合柔性翼肋并跟随柔性翼肋改变后缘弯度。柔性后缘采用刚柔耦合机构，相较于纯柔顺机构降低了机构最大应力，提高了使用寿命；减轻了柔性后缘所需驱动力的大小，解决了柔性后缘机翼驱动系统重量过大的问题，配备小型驱动器可以实现柔性后缘操纵面的快速响应，为采用分布式驱动的无缝柔性后缘机翼提供了技术基础，具有广阔的应用前景。

Description

一种基于刚柔耦合机构的柔性后缘机翼

技术领域

本发明属于飞机设计和柔顺机构领域，具体涉及一种基于刚柔耦合机构的柔性后缘机翼。

背景技术

由于传统的襟翼和副翼等是靠舵面的刚性偏转实现的，在偏转处存在间隙，因此存在气动效率降低、气动噪声大等问题。柔性后缘机翼由于变形连续光滑，可以改善机翼表面的压力分布，提高气动效率，减少飞行过程中产生的噪声，可以同时代替传统的襟翼和副翼机构，结合先进控制算法，同时满足飞机的增升和操纵需求。但是现有的鱼骨式、波纹板式等柔性后缘仍存在以下问题：

1、机构重量大、空间利用率低，对传统机翼结构有很大影响；

2、采用纯柔顺机构，机构内应力较大，使用寿命短；

3、为了承担飞行时的气动载荷，采用较大的刚度，需要配备具有较大驱动力的舵机；

4、柔性蒙皮需要具有变弯能力和良好的弹性，对蒙皮材料要求高，不具备实际应用所需的条件。

因此，有必要提出一种简单高效、可以降低机构应力、减轻驱动系统负担、对蒙皮材料要求不高的柔性后缘机翼。

发明内容

本发明提出了一种基于刚柔耦合机构的柔性后缘机翼，该机翼具有简单高效、可以降低机构应力、减轻驱动系统负担、对蒙皮材料要求不高的特点，应用对象是具有大展弦比、高升阻比的长航时固定翼无人机和中小型有人机等。

根据本发明的一个方面，提供了一种基于刚柔耦合机构的机翼柔性后缘方案，其特征在于包括：

翼盒，刚性翼肋，蒙皮滑槽，蒙皮支撑装置，前部机翼蒙皮，伺服电机，驱动连杆，柔性后缘机构。

所述翼盒由狭长矩形截面翼梁、前缘蒙板、前缘条和刚性翼肋的前段组成，是机翼的主要承弯和承扭构件，其中前缘条粘接在刚性翼肋的前端，前缘蒙板前后端分别粘接于前缘条和翼梁，中部粘接于刚性翼肋，形成一个封闭的箱型结构；

所述刚性翼肋等距固定于翼梁上，前段用于支撑前缘蒙板，中段连接翼梁，后段用于布置蒙皮滑槽、驱动机构和连接柔性翼肋；

所述蒙皮滑槽通过螺栓设置于刚性翼肋上部；

所述蒙皮支撑装置为L型截面的梁状结构，中间设有减重孔，在驱动机构处设置凹槽以布置连杆机构，下部用于粘接柔性蒙皮；

所述前部机翼蒙皮从机翼上表面翼盒后部向前覆盖至前缘，再从前缘覆盖至机翼下表面蒙皮支撑装置处，用于装饰以及覆盖没有蒙板的机翼表面，不承担结构的作用；

所述伺服电机固定在刚性翼肋上，其中：伺服电机的驱动力通过驱动连杆被传递给柔性后缘机构的驱动点，使整个柔性后缘产生偏转，从而改变翼型；

所述驱动连杆两端分别用螺栓铰接于伺服电机臂和后缘驱动点上；

所述柔性后缘机构包括：

柔性翼肋，刚性连杆，连接杆，柔性蒙皮。

所述柔性翼肋用于维持柔性后缘的形状，受到驱动力后可以产生柔性变形，改变翼型形状，内部上下方各设置三对带有插销孔的耳片，用于连接刚性连杆，下方根部设置与刚性翼肋粘接的插头；所述刚性连杆包括三组，每组连杆两端分别用插销铰接于柔性翼肋上对应的耳片处，用于支撑柔性翼肋，第一组连杆在驱动机构处设置一对带有螺栓孔的耳片，用于连接驱动连杆；所述连接杆包括两组，第一组连接杆与第一组刚性连杆固定，第二组连接杆与柔性翼肋固定，用于保证各组柔性机构的同步变形；所述柔性蒙皮覆盖于柔性后缘机构的表面，下表面的柔性蒙皮粘接于蒙皮支撑装置底部，上表面的柔性蒙皮前端固定于蒙皮滑槽内并允许沿弦向发生滑动，其中：柔性后缘机构在驱动连杆的带动下发生变形时，下表面的柔性蒙皮跟随柔性翼肋共同变弯，上表面的柔性蒙皮在变弯的同时沿着蒙皮滑槽发生滑动。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、除柔性后缘以外，保留了与传统机翼相同的结构，如翼盒、翼肋等，使该柔性后缘更容易换装和代替现有机翼的舵面机构，同时提高了机翼内的空间利用率；

2、采用刚柔耦合机构代替复杂的拓扑优化机构实现柔性后缘，改善了纯柔顺机构应力大的问题，提高了柔性后缘的使用寿命；

3、刚柔耦合机构中引入转动副，通过转动副转动参与柔性后缘的连续变形，减轻了对驱动系统的负担，可以配备更小的驱动器；

4、柔性后缘采用滑动蒙皮的方式，柔性蒙皮只需要具有良好的变弯能力而发生弹性变形，既降低了蒙皮材料的研制难度和生产成本，又进一步降低了柔性后缘所需驱动力的大小。

附图说明

图1显示了根据本发明的一个实施例的采用柔性后缘的机翼样段；

图2显示了根据本发明的一个实施例的基于刚柔耦合机构的机翼柔性后缘方案；

图3显示了根据本发明的一个实施例的柔性后缘机构运动简图。

附图说明标记

1-翼梁	2-前缘蒙板	3-前缘条
			4-刚性翼肋	5-蒙皮滑槽	6-蒙皮支撑装置
7-前部机翼蒙皮	8-伺服电机	9-驱动连杆
			10-柔性翼肋	11-第一刚性连杆	12-第二刚性连杆
13-第三刚性连杆	14-第一连接杆	15-第二连接杆
			16-柔性蒙皮	17-第一耳片	18-第二耳片
19-第三耳片	20-插头	21-驱动连杆耳片
			22-第一插槽	23-第二插槽

具体实施方式

以下结合附图详细说明本发明的实施例。

图1显示了根据本发明的一个实施例的柔性后缘机翼样段，其中，翼梁1为狭长矩形截面梁，前缘蒙板2、前缘条3、刚性翼肋4前段与翼梁1共同组成封闭的翼盒，是机翼的主要承力部件。三组刚性翼肋4等距固定于翼梁1上，前段与前缘蒙板2粘接。每组刚性翼肋4上均配备有蒙皮滑槽5，蒙皮滑槽5与刚性翼肋4采用螺栓连接，柔性蒙皮16可以在蒙皮滑槽5与刚性翼肋4之间沿弦向滑动。蒙皮支撑装置6为L型截面的梁状结构，与刚性翼肋4的后部连接，中间设有减重孔，在驱动机构处设置凹槽以布置驱动连杆9，下部粘接柔性蒙皮16。前部机翼蒙皮7从翼梁1上方向前覆盖至前缘条3，再从前缘条3覆盖至机翼下表面蒙皮支撑装置6处。伺服电机8被固定在刚性翼肋4上，伺服电机的驱动力通过驱动连杆9传递给柔性后缘机构的驱动点，使整个柔性后缘产生偏转，从而改变翼型弯度。驱动连杆9两端分别用螺栓铰接于伺服电机臂和后缘驱动点上。

图2显示了根据本发明的一个实施例的柔性后缘机构，其中，柔性翼肋10用于维持柔性后缘的形状，受到驱动力后可以产生柔性变形，改变翼型形状。刚性连杆包括三组，用于支撑柔性翼肋10、连接驱动连杆9。第一连接杆14与第一刚性连杆11固定，第二连接杆15与柔性翼肋10固定，用于保证各组柔性机构的同步变形。柔性蒙皮16覆盖于柔性后缘机构的表面，下表面的柔性蒙皮16粘接于蒙皮支撑装置6的底部，上表面的柔性蒙皮16前端装配于蒙皮滑槽5内并允许沿弦向发生滑动，当柔性后缘机构在驱动连杆9的带动下发生变形时，下表面的柔性蒙皮16跟随柔性翼肋共同变弯，上表面的柔性蒙皮16在变弯的同时沿着蒙皮滑槽5发生滑动。

图2还详细展示了根据本发明的一个实施例的柔性后缘的具体装配方案。柔性翼肋10内部上下方设置带有插销孔的第一耳片17、第二耳片18、第三耳片19，下方根部的插头20通过粘合的方式与刚性翼肋4连接。第一刚性连杆11用插销铰接于柔性翼肋10的第一耳片17，第二刚性连杆12用插销铰接于柔性翼肋10的第二耳片18，第三刚性连杆13用插销铰接于柔性翼肋10的第三耳片19。第一刚性连杆11在驱动机构处设置一对带有螺栓孔的驱动连杆耳片21，用于连接驱动连杆9。第一刚性连杆11和柔性翼肋10上分别设置有第一插槽22和第二插槽23，用于固定第一连接杆14和第二连接杆15。

图3显示了根据本发明的一个实施例的柔性后缘机构运动简图。该图展示了柔性后缘向下偏转时的变形原理：驱动连杆9在伺服电机8的带动下向后缘方向运动，推动第一刚性连杆11顺时针旋转，第一刚性连杆11通过上下两个铰接点将驱动力传递给柔性翼肋10，柔性翼肋10发生变形，该变形向后缘方向传递，同时受到第二刚性连杆12和第三刚性连杆13的约束，第二刚性连杆12和第三刚性连杆13在柔性翼肋10变形的影响下发生旋转。柔性翼肋10和三组刚性连杆相互作用，达到柔性后缘连续变形的效果。

本发明提供了一种柔性后缘机翼，柔性部分采用柔性翼肋和柔性蒙皮实现，刚性部分采用传统的翼盒、翼肋等结构。柔性翼肋采用尼龙材料，具有良好的抗疲劳特性；刚性连杆采用树脂材料，具有合适的刚度和较低的成本；连接杆采用碳纤维复合材料，具有较高的比刚度；翼盒、刚性翼肋采用轻木、航空层板等材料；具有较低的重量。

当柔性后缘受到驱动力发生偏转时，柔性翼肋10产生柔性变形，每组刚性连杆相对于柔性翼肋10发生不同程度的偏转。在达到所期望的后缘变形效果的同时，降低了机构应力，解决了背景技术中柔性后缘机翼使用寿命短的问题。

在柔顺机构中引入转动副，使得柔性后缘操纵面的动力学特性与常规的铰接式刚性操纵面十分类似：当其不与驱动器连接时，较小的气动载荷即可使其发生偏转；与驱动器连接后，则可以承受较大的气动载荷。这一特性大大减轻了驱动系统的负担，解决了驱动系统重量过大的问题。根据柔性后缘所需驱动力的大小，搭配小型伺服电机，可以实现对变形的快速和精确控制。

该方案采用滑动蒙皮的方式，柔性蒙皮只需要具有良好的变弯能力而发生弹性变形，因此柔性蒙皮采用PET材料，在后缘偏转时能够很好地贴合柔性翼肋，具有一定的面外刚度，能够承受气动载荷，维持气动外形。材料本身环保无害，具有优良的抗疲劳特性。

本发明的有益效果主要体现在：

本发明所述柔性后缘机翼主体结构与传统机翼类似，更容易换装和代替现有机翼的舵面机构，有较大的翼内空间用于布置油箱、线缆等。

在保持变形过程中连续光滑的同时，最大程度降低了机构内应力大小，提高了柔性后缘的使用寿命，刚柔耦合机构比传统的纯柔顺机构提高了材料的利用率，具有重量轻、可靠性高等优势。

刚柔耦合机构中的转动副降低了机构所需驱动力的大小，柔性后缘可以配备更小的驱动器，实现对于操纵信号或飞行环境变化的快速响应，为采用分布式驱动的无缝柔性后缘机翼提供了技术基础。

采用滑动蒙皮的方式，柔性蒙皮只需要具有良好的变弯能力而不发生弹性变形，降低了蒙皮材料的研制难度和生产成本。

Claims (3)

1.一种基于刚柔耦合机构的柔性后缘机翼，其特征在于包括：

翼梁(1)，所述翼梁为狭长矩形截面梁，与前缘蒙板(2)、前缘条(3)和刚性翼肋(4)前段组成翼盒，是机翼的主要承力部件，为机翼提供足够的抗弯和抗扭能力；

前缘蒙板(2)，所述前缘蒙板分为上下两块，粘接于翼梁(1)、前缘条(3)和刚性翼肋(4)上；

前缘条(3)，所述前缘条的截面为翼型前缘形状，粘接于刚性翼肋(4)的前端；

刚性翼肋(4)，所述刚性翼肋等距固定于翼梁(1)上，用于支撑前缘蒙板(2)，连接翼梁(1)和柔性翼肋(10)，布置蒙皮滑槽(5)和驱动机构；

蒙皮滑槽(5)，所述蒙皮滑槽通过螺栓设置于刚性翼肋(4)上部；

蒙皮支撑装置(6)，所述蒙皮支撑装置为L型截面的梁状结构，中间设有减重孔，在驱动机构处设置凹槽以布置驱动连杆(9)，下部用于粘接柔性蒙皮(16)；

前部机翼蒙皮(7)，所述前部机翼蒙皮从翼梁(1)上方向前覆盖至前缘条(3)，再从前缘条(3)覆盖至机翼下表面蒙皮支撑装置(6)处；

伺服电机(8)，其被固定在刚性翼肋(4)上，其中：伺服电机(8)的驱动力通过驱动连杆(9)被传递给柔性后缘机构的驱动点，使整个柔性后缘产生偏转，从而改变翼型；

驱动连杆(9)，所述驱动连杆两端分别用螺栓铰接于伺服电机臂和后缘驱动点上；

柔性后缘机构，所述柔性后缘机构包括：

柔性翼肋(10)，用于维持柔性后缘的形状，受到驱动力后可以产生柔性变形，改变翼型形状，内部上下方各设置带有插销孔的第一耳片(17)、第二耳片(18)和第三耳片(19)，分别用于连接第一刚性连杆(11)、第二刚性连杆(12)、第三刚性连杆(13)，下方根部设置与刚性翼肋(4)粘接的插头(20)；

第一刚性连杆(11)，所述第一刚性连杆两端用插销铰接于柔性翼肋的第一耳片(17)，用于支撑柔性翼肋(10)，刚性连杆(11)在驱动机构处设置一对带有螺栓孔的驱动连杆耳片(21)，用于连接驱动连杆(9)；

第二刚性连杆(12)，所述第二刚性连杆两端用插销铰接于柔性翼肋的第二耳片(18)，用于支撑柔性翼肋(10)；

第三刚性连杆(13)，所述第三刚性连杆两端用插销铰接于柔性翼肋的第三耳片(19)，用于支撑柔性翼肋(10)；

第一连接杆(14)，所述第一连接杆与第一刚性连杆(11)固定，用于保证各组柔性机构的同步变形；

第二连接杆(15)，所述第二连接杆与柔性翼肋(10)固定，用于保证各组柔性机构的同步变形；

柔性蒙皮(16)，其覆盖于柔性后缘机构的表面，下表面的柔性蒙皮(16)粘接于蒙皮支撑装置(6)底部，上表面的柔性蒙皮(16)前端放置于蒙皮滑槽(5)内并允许沿弦向发生滑动，其中：柔性后缘机构在驱动连杆(9)的带动下发生变形时，下表面的柔性蒙皮(16)跟随柔性翼肋(10)共同变弯，上表面的柔性蒙皮(16)在变弯的同时沿着蒙皮滑槽(5)发生滑动。

2.根据权利要求1所述的基于刚柔耦合机构的柔性后缘机翼，其特征在于：

柔性后缘的上下表面引入转动副，由柔性翼肋(10)与三组刚性连杆共同形成刚柔耦合机构；三组刚性连杆垂直于弦向等距设置，长度取决于翼型在该处的厚度，转动副的位置需要尽可能地贴近后缘表面，使变形达到最优的效果；通过刚性连杆的转动和柔性翼肋(10)的变弯代替传统柔性后缘复杂拓扑结构维持变弯形状、提供蒙皮法向支撑等功能，用一种简单的机构实现了后缘连续变形，机构重量明显下降，同时降低了机构应力，减轻了驱动系统负担。

3.根据权利要求1所述的基于刚柔耦合机构的柔性后缘机翼，其特征在于：

所述柔性蒙皮采用与刚柔耦合柔性后缘机构相配套的滑动式蒙皮方案，柔性蒙皮(16)粘接于柔性翼肋(10)，柔性翼肋(10)受到驱动力的作用发生变形，后缘下表面变弯，上表面变弯的同时沿弦向运动，带动上表面的柔性蒙皮(16)沿弦向发生滑动，上表面柔性蒙皮(16)前部留出合适的长度，与蒙皮滑槽(5)进行装配，以约束柔性蒙皮(16)其他方向的运动；

所述柔性蒙皮具有良好的变弯能力和抗疲劳特性，可以贴合柔性后缘改变形状，与机翼前缘和中段的刚性部分共同组成完整翼型。