CN114633875B - 一种能连续变弯度的柔性舵面 - Google Patents

Abstract

本发明涉及变体飞机结构设计技术领域，特别是涉及一种能连续变弯度的柔性舵面，包括若干单元变形模块，每个单元变形模块都包括刚性作动系统和柔性变形结构；刚性作动系统包括驱动件、舵面梁、偏心轴和滑轨；柔性变形结构包括蜂窝支撑结构和柔性蒙皮；蜂窝支撑结构包括蜂窝板、腹板、中心侧边条和后缘段；蜂窝板为零泊松比蜂窝结构；舵面梁上还设有孔；腹板中间设置有通槽，后缘段内部中间设置有安装槽；滑轨上设置有圆孔轮廓滑槽和法向圆孔；偏心轴为弯曲轴，一端设置有球头，另一端穿过通槽，与驱动件连接；相邻单元变形模块之间通过滑轨两侧的连接件配合连接。通过本柔性舵面，能有效解决在弯曲变形后，马鞍形外形会影响气动效果的问题。

Description

一种能连续变弯度的柔性舵面

技术领域

本发明涉及变体飞机结构设计技术领域，特别是涉及一种能连续变弯度的柔性舵面。

背景技术

飞行器在飞行过程中通过舵面来控制其空中姿态。传统飞机的襟副翼、升降舵和方向舵通常采用铰链式刚性舵面，这些控制舵面翼通过铰链与机身、机翼、平尾或垂尾的后缘连接并能绕其转动。由于刚性舵面与机身、机翼、平尾或垂尾等是分离式结构，两者之间存在缝隙，当气流经过舵面时，由于上下翼面压差，会从舵面与机身、机翼、平尾或垂尾的缝隙中流过，产生的涡旋会降低舵面气动效率，缝隙导致的行波绕射，也会影响隐身性能。刚性变形会使翼型截面几何廓形产生非连续变化和曲率突变，伴随有剧烈振动和噪音。另一方面，用于控制铰链式刚性舵面偏转的机械设备，如作动筒等通常具有较大的重量和体积，占据了有效荷载的空间，降低了飞行器的综合性能。此外，单一大体积的集中驱动变形方式得到的变体构型单一，无法实现舵面在展向、弦向的不同位置处发生变形。

柔性舵面是面向翼身融合和轻质高效变形的需求，与飞行器机身、机翼、平尾或垂尾等通过一体化设计进行连接，通过柔性变形进行流动控制。舵面与机身、机翼、平尾或垂尾之间没有缝隙，可以有效提升舵面对飞行器的姿态控制能力，有助于减弱流动分离，增加飞行器升阻比。美国NASA在湾流Ⅲ公务机上安装光滑无缝柔性后缘，飞行试验表明能使巡航阻力降低3%，燃油效率提高3%～12%、噪声减小40%。柔性舵面还可通过分布式的智能材料驱动器，来减轻驱动结构重量，实现在展向、弦向的无缝变形以提高多任务适应性。但是现有的柔性舵面还是无法实现快速偏转变形。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种能连续变弯度的柔性舵面，多个单元变形模块的组成使得舵面可实现在弦向和展向的无缝变形，能提高承载性能，减少输出力矩，有效解决舵面无法快速偏转变形的问题。

本发明是通过采用下述技术方案实现的：

一种能连续变弯度的柔性舵面，其特征在于：包括若干沿舵面展向并列设置的单元变形模块，每个单元变形模块都包括刚性作动系统和柔性变形结构；所述刚性作动系统包括驱动件、舵面梁、偏心轴和滑轨；所述柔性变形结构包括蜂窝支撑结构和固定设置在蜂窝支撑结构外表面的柔性蒙皮；所述蜂窝支撑结构包括蜂窝板、腹板、中心侧边条和后缘段；所述蜂窝板为零泊松比蜂窝结构；所述舵面梁上还设有用于中心侧边条前端插入的孔；所述腹板中间设置有通槽，所述后缘段内部中间设置有与滑轨配合的安装槽；滑轨上沿舵面展向设置有圆孔轮廓滑槽，在圆孔轮廓滑槽一侧沿舵面弦向设置有法向圆孔；所述偏心轴为弯曲轴，一端设置有球头，所述球头从法向圆孔插入圆孔轮廓滑槽后，与圆孔轮廓滑槽配合，在圆孔轮廓滑槽内移动和转动，所述偏心轴另一端穿过通槽，与驱动件连接；滑轨在展向两端分别设置有相互配合的连接件，相邻单元变形模块之间通过滑轨两侧的连接件配合连接；所述驱动件带动偏心轴转动，进而带动单元变形模块发生弯曲和扭转变形，实现舵面偏转。

所述连接件包括分别设置在滑轨两侧的球铰球和球铰窝，相邻单元变形模块之间通过滑轨两侧的球铰球和球铰窝配合连接。

所述驱动件包括依次相连的作动电机、减速器和套筒，所述作动电机与减速器分别固定安装在舵面梁的两侧，作动电机的输出轴穿过舵面梁，与减速器的输入孔固定连接；所述减速器的输出轴与套筒一端固定连接，所述套筒另一端与偏心轴相连。

所述蜂窝板设置在柔性变形结构的上下表面，腹板设有若干，位于上下表面的蜂窝板之间；每块腹板侧边中部通过中心侧边条串接；上下表面的蜂窝板和中心侧边条都与后缘段相连。

所述蜂窝支撑结构为一体成型。

所述蜂窝支撑结构采用聚酰胺或聚醚醚酮材料，通过增材制造一体化成型。

所述舵面梁沿舵面展向设置，各单元变形模块共享同一根舵面梁。

所述柔性蒙皮沿舵面展向设置，各单元变形模块共享同一整块柔性蒙皮。

所述柔性蒙皮是面内沿展向高模量、沿弦向低模量的各向异性蒙皮，在沿弦向施加预应变后，固定设置在蜂窝支撑结构的外表面。

所述蜂窝板的前端以及舵面梁上都分别设有钉孔。

与现有技术相比，本发明的有益效果表现在：

1、本发明中， 单元变形模块都包括刚性作动系统和柔性变形结构，刚性作动系统和柔性变形结构不再独立工作，而是相互配合，结构上相互穿插，变形作动效率高，有助于力矩的传递，提高柔性段的变形速率。当舵面偏转时，部分气动扭矩转化为偏心杠杆上承受的弯矩，实际作用在驱动件上的扭矩会小于气动扭矩，从而显著减少输出力矩需求。同时，刚性作动系统的偏心杠杆可以进行承载，有助于维持外形，减少柔性蜂窝结构的承载压力。本发明能通过驱动件带动偏心轴转动，进而带动单元变形模块发生弯曲和扭转变形，实现舵面的快速偏转。

整体舵面沿展向包括若干可变形的单元变形模块。每个单元变形模块的偏转均可以通过驱动件进行控制。通过多个单元变形模块的特定差动变形，能使柔性舵面在弦向和展向可发生无缝变形，产生多种变形形态，有助于提高控制权限。

2、本发明采用偏心轴的球头与圆孔轮廓滑槽配合的机构设计，利用球头在圆孔轮廓滑槽内移动和转动，可以有效控制偏转位移，避免因气动因素导致的弹性结构的不可控变形或振动。相邻柔性舵面段之间通过滑轨两侧的球铰球和球铰窝配合连接，有助于变形的整体协调性。

3、本发明采用零泊松比蜂窝结构作为舵面弹性变形和内部支撑结构，增加柔性舵面的面法向承载能力，使舵面弯曲时的表面均匀一致，保持气动外形，不会产生正泊松比结构弯曲时的马鞍形外形，气动外形优越。

4、本发明公开的柔性舵面外形连续无缝，通过舵面梁和蜂窝板的钉孔，可以直接与舵面安装梁通过安装钉相连接，并在外表面胶接固定柔性蒙皮。主翼和舵面之间没有铰链，舵面在变形前后无缝隙和曲率突变，偏转外形为二阶连续外形，有助于减弱流动分离和噪音，提升隐身性能和气动性能。

5、蜂窝支撑结构为一体化成型，结构更加稳定，具体通过增材制造一体化成型，能有效降低制造成本。

6、蜂窝支撑结构的设计，可有效提高蜂窝板的面外支撑能力，防止蜂窝板在载荷下发生凹陷等变形。

7、所述舵面梁沿舵面展向设置，各柔性舵面段共享同一根舵面梁，助于保持外形的整体平滑。

8、所述柔性蒙皮沿舵面展向设置，各柔性舵面段共享同一整块柔性蒙皮，避免各舵面段之间因为差动变形而产生缝隙。

9、本发明通过沿展向高模量、沿弦向低模量的柔性蒙皮，使变形过程光滑连续，各向异性蒙皮可以根据变形需求合理配置刚度。

附图说明

下面将结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，其中：

图1为本发明的总体结构示意图；

图2为本发明中刚性作动系统的结构示意图；

图3为本发明中偏心轴与滑轨的配合示意图；

图4为本发明中柔性变形结构的示意图；

图5为本发明中蜂窝支撑结构的示意图；

图中标记：

1、刚性作动系统，2、柔性变形结构，1a、作动电机，1b、舵面梁，1c、减速器，1d、套筒，1e、偏心轴，1f、滑轨，2a、蜂窝支撑结构，2b、柔性蒙皮，1e1、球头，1f1、圆孔轮廓滑槽，1f2、法向圆孔，1f3、球铰球，1f4、球铰窝，2a1、蜂窝板，2a2、腹板，2a3、中心侧边条，2a4、后缘段，2a2a、通槽，2a4a、安装槽。

具体实施方式

实施例1

作为本发明基本实施方式，本发明包括一种能连续变弯度的柔性舵面，包括若干沿舵面展向并列设置的单元变形模块，每个单元变形模块都包括刚性作动系统1和柔性变形结构2。所述刚性作动系统1包括驱动件、舵面梁1b、偏心轴1e和滑轨1f。所述柔性变形结构2包括蜂窝支撑结构2a和固定设置在蜂窝支撑结构2a外表面的柔性蒙皮2b。所述蜂窝支撑结构2a包括蜂窝板2a1、腹板2a2、中心侧边条2a3和后缘段2a4。所述蜂窝板2a1为零泊松比蜂窝结构。

所述舵面梁1b上还设有用于中心侧边条2a3前端插入的孔。所述腹板2a2中间设置有通槽2a2a，所述后缘段2a4内部中间设置有与滑轨1f配合的安装槽2a4a。滑轨1f上沿舵面展向设置有圆孔轮廓滑槽1f1，在圆孔轮廓滑槽1f1一侧沿舵面弦向设置有法向圆孔1f2。所述偏心轴1e为弯曲轴，一端设置有球头1e1，所述球头1e1从法向圆孔1f2插入圆孔轮廓滑槽1f1后，与圆孔轮廓滑槽1f1配合，在圆孔轮廓滑槽1f1内移动和转动，所述偏心轴1e另一端穿过通槽2a2a，与驱动件连接。滑轨1f在展向两端分别设置有相互配合的连接件，所述连接件可以为埋入的柔性碳纤维杆，相邻单元变形模块之间通过滑轨1f两侧的连接件配合连接。所述驱动件带动偏心轴1e转动，进而带动单元变形模块发生弯曲和扭转变形，实现舵面偏转。

实施例2

作为本发明一较佳实施方式，本发明包括一种能连续变弯度的柔性舵面，包括若干沿舵面展向并列设置的单元变形模块。每个单元变形模块都包括刚性作动系统1和柔性变形结构2。所述刚性作动系统1包括驱动件、舵面梁1b、偏心轴1e和滑轨1f。所述驱动件包括依次相连的作动电机1a、减速器1c和套筒1d。所述作动电机1a与减速器1c分别固定安装在舵面梁1b的两侧，作动电机1a的输出轴穿过舵面梁1b，与减速器1c的输入孔固定连接。所述减速器1c的输出轴与套筒1d一端固定连接，所述套筒1d另一端与偏心轴1e相连。所述滑轨1f上沿舵面展向设置有圆孔轮廓滑槽1f1，在圆孔轮廓滑槽1f1一侧沿舵面弦向设置有法向圆孔1f2。

所述柔性变形结构2包括蜂窝支撑结构2a和固定设置在蜂窝支撑结构2a外表面的柔性蒙皮2b。所述蜂窝支撑结构2a包括蜂窝板2a1、腹板2a2、中心侧边条2a3和后缘段2a4。所述蜂窝板2a1为零泊松比蜂窝结构。所述舵面梁1b上还设有用于中心侧边条2a3前端插入的孔。所述腹板2a2中间设置有通槽2a2a，所述后缘段2a4内部中间设置有与滑轨1f配合的安装槽2a4a。所述偏心轴1e为弯曲轴，一端设置有球头1e1，所述球头1e1从法向圆孔1f2插入圆孔轮廓滑槽1f1后，与圆孔轮廓滑槽1f1配合，在圆孔轮廓滑槽1f1内移动和转动，所述偏心轴1e另一端穿过通槽2a2a，与套筒1d相连。

滑轨1f在展向两端分别设置有相互配合的连接件，所述连接件为相互配合的球铰球1f3和球铰窝1f4。相邻单元变形模块之间通过滑轨1f两侧的球铰球1f3和球铰窝1f4配合连接。所述作动电机1a带动偏心轴1e转动，进而带动单元变形模块发生弯曲和扭转变形，实现舵面偏转。

实施例3

作为本发明另一较佳实施方式，本发明包括一种能连续变弯度的柔性舵面，包括若干沿舵面展向并列设置的单元变形模块，每个单元变形模块都包括刚性作动系统1和柔性变形结构2。所述刚性作动系统1包括驱动件、舵面梁1b、偏心轴1e和滑轨1f。所述柔性变形结构2包括蜂窝支撑结构2a和固定设置在蜂窝支撑结构2a外表面的柔性蒙皮2b。

所述蜂窝支撑结构2a为一体成型，包括蜂窝板2a1、腹板2a2、中心侧边条2a3和后缘段2a4。所述蜂窝板2a1为零泊松比蜂窝结构。所述蜂窝板2a1设置在柔性变形结构2的上下表面，腹板2a2设有若干，位于上下表面的蜂窝板2a1之间。每块腹板2a2侧边中部通过中心侧边条2a3串接。上下表面的蜂窝板2a1、中心侧边条2a3都与后缘段2a4相连。所述舵面梁1b上还设有用于中心侧边条2a3前端插入的孔。所述舵面梁1b是沿舵面展向设置的，各单元变形模块共享同一整根舵面梁1b，所述柔性蒙皮2b沿舵面展向设置的，各单元变形模块共享同一整块柔性蒙皮2b。

所述腹板2a2中间设置有通槽2a2a，所述后缘段2a4内部中间设置有与滑轨1f配合的安装槽2a4a。滑轨1f上沿舵面展向设置有圆孔轮廓滑槽1f1，在圆孔轮廓滑槽1f1一侧沿舵面弦向设置有法向圆孔1f2。所述偏心轴1e为弯曲轴，一端设置有球头1e1，所述球头1e1从法向圆孔1f2插入圆孔轮廓滑槽1f1后，与圆孔轮廓滑槽1f1配合，在圆孔轮廓滑槽1f1内移动和转动，所述偏心轴1e另一端穿过通槽2a2a，与驱动件连接。滑轨1f在展向两端分别设置有相互配合的连接件，相邻单元变形模块之间通过滑轨1f两侧的连接件配合连接。所述驱动件带动偏心轴1e转动，进而带动单元变形模块发生弯曲和扭转变形，实现舵面偏转。

实施例4

作为本发明最佳实施方式，本发明包括一种能连续变弯度的柔性舵面，参照说明书附图1，包括若干沿舵面展向并列设置的单元变形模块，每个单元变形模块都包括刚性作动系统1和柔性变形结构2。参照说明书附图2，所述刚性作动系统1包括驱动件、舵面梁1b、偏心轴1e和滑轨1f。所述驱动件包括依次相连的作动电机1a、减速器1c和套筒1d，所述作动电机1a与减速器1c分别固定安装在舵面梁1b的两侧，作动电机1a的输出轴穿过舵面梁1b上的孔，与减速器1c的输入孔固定连接。所述减速器1c的输出轴与套筒1d一端固定连接。所述作动电机1a可以为超声电机，功率密度高于其他类型作动器，具有微米级分辨率和毫秒级响应速度，可断电自锁，不需要加入额外的自锁装置，可简化布局和减轻结构重量。

参照说明书附图4，所述柔性变形结构2包括蜂窝支撑结构2a和固定设置在蜂窝支撑结构2a外表面的柔性蒙皮2b。参照说明书附图5，所述蜂窝支撑结构2a包括蜂窝板2a1、腹板2a2、中心侧边条2a3和后缘段2a4。所述蜂窝板2a1为零泊松比蜂窝结构，在弯曲变形时，不会产生传统正六边形蜂窝由于正泊松比导致的马鞍形，保证变形后翼面弯曲外形规整。所述蜂窝板2a1的前端以及舵面梁1b上都分别设有钉孔，通过上述钉孔可以直接与舵面安装梁通过安装钉相连接，并在外表面胶接固定柔性蒙皮2b。主翼和舵面之间没有铰链，舵面在变形前后无缝隙和曲率突变，偏转外形为二阶连续外形。有助于减弱流动分离和噪音，提升隐身性能和气动性能。

蜂窝支撑结构2a可采用聚酰胺或聚醚醚酮材料，通过增材制造一体化成型，蜂窝板2a1、腹板2a2、中心侧边条2a3和后缘段2a4是连续的整体结构。所述蜂窝板2a1设置在柔性变形结构2的上下表面，上下表面的蜂窝板2a1之间设置有若干块腹板2a2，用于增强蜂窝板2a1的面法向气动承载能力。每块腹板2a2侧边中部通过中心侧边条2a3串接。上下表面的蜂窝板2a1、中心侧边条2a3都与后缘段2a4相连。

所述腹板2a2中间设置有通槽2a2a，所述后缘段2a4内部中间设置有安装槽2a4a，滑轨1f与安装槽2a4a固定连接。参照说明书附图3，滑轨1f上沿舵面展向设置有圆孔轮廓滑槽1f1，在圆孔轮廓滑槽1f1一侧沿舵面弦向设置有法向圆孔1f2。所述偏心轴1e为弯曲轴，一端设置有球头1e1，所述球头1e1从法向圆孔1f2插入圆孔轮廓滑槽1f1后，与圆孔轮廓滑槽1f1配合，在圆孔轮廓滑槽1f1内移动和转动。所述偏心轴1e另一端穿过通槽2a2a，与套筒1d另一端固定连接。

所述舵面梁1b是沿舵面展向设置的，各单元变形模块共享同一根舵面梁1b，所述柔性蒙皮2b沿舵面展向设置的，各单元变形模块共享同一整块柔性蒙皮2b。所述柔性蒙皮2b是面内沿展向高模量、沿弦向低模量的各向异性蒙皮，在沿弦向施加预应变后，固定设置在蜂窝支撑结构2a的外表面。

所述舵面梁1b上还设有用于中心侧边条2a3前端插入的孔。滑轨1f在展向两端分别设置有相互配合的连接件，所述连接件包括分别设置在滑轨1f两侧的球铰球1f3和球铰窝1f4，相邻单元变形模块之间通过滑轨1f两侧的球铰球1f3和球铰窝1f4配合连接。所述超声电机带动偏心轴1e转动，进而带动单元变形模块发生弯曲和扭转变形，实现舵面偏转。

综上所述，本领域的普通技术人员阅读本发明文件后，根据本发明的技术方案和技术构思无需创造性脑力劳动而作出的其他各种相应的变换方案，均属于本发明所保护的范围。

Claims (9)

1.一种能连续变弯度的柔性舵面，其特征在于：包括若干沿舵面展向并列设置的单元变形模块，每个单元变形模块都包括刚性作动系统（1）和柔性变形结构（2）；所述刚性作动系统（1）包括驱动件、舵面梁（1b）、偏心轴（1e）和滑轨（1f）；所述柔性变形结构（2）包括蜂窝支撑结构（2a）和固定设置在蜂窝支撑结构（2a）外表面的柔性蒙皮（2b）；所述蜂窝支撑结构（2a）包括蜂窝板（2a1）、腹板（2a2）、中心侧边条（2a3）和后缘段（2a4）；所述蜂窝板（2a1）为零泊松比蜂窝结构；所述蜂窝板（2a1）设置在柔性变形结构（2）的上下表面，腹板（2a2）设有若干，位于上下表面的蜂窝板（2a1）之间；每块腹板（2a2）侧边中部通过中心侧边条（2a3）串接；上下表面的蜂窝板（2a1）和中心侧边条（2a3）都与后缘段（2a4）相连；所述舵面梁（1b）上还设有用于中心侧边条（2a3）前端插入的孔；所述腹板（2a2）中间设置有通槽（2a2a），所述后缘段（2a4）内部中间设置有与滑轨（1f）配合的安装槽（2a4a）；滑轨（1f）上沿舵面展向设置有圆孔轮廓滑槽（1f1），在圆孔轮廓滑槽（1f1）一侧沿舵面弦向设置有法向圆孔（1f2）；所述偏心轴（1e）为弯曲轴，一端设置有球头（1e1），所述球头（1e1）从法向圆孔（1f2）插入圆孔轮廓滑槽（1f1）后，与圆孔轮廓滑槽（1f1）配合，在圆孔轮廓滑槽（1f1）内移动和转动，所述偏心轴（1e）另一端穿过通槽（2a2a），与驱动件连接；滑轨（1f）在展向两端分别设置有相互配合的连接件，相邻单元变形模块之间通过滑轨（1f）两侧的连接件配合连接；所述驱动件带动偏心轴（1e）转动，进而带动单元变形模块发生弯曲和扭转变形，实现舵面偏转。

2.根据权利要求1所述的一种能连续变弯度的柔性舵面，其特征在于：所述连接件包括分别设置在滑轨（1f）两侧的球铰球（1f3）和球铰窝（1f4），相邻单元变形模块之间通过滑轨（1f）两侧的球铰球（1f3）和球铰窝（1f4）配合连接。

3.根据权利要求2所述的一种能连续变弯度的柔性舵面，其特征在于：所述驱动件包括依次相连的作动电机（1a）、减速器（1c）和套筒（1d），所述作动电机（1a）与减速器（1c）分别固定安装在舵面梁（1b）的两侧，作动电机（1a）的输出轴穿过舵面梁（1b），与减速器（1c）的输入孔固定连接；所述减速器（1c）的输出轴与套筒（1d）一端固定连接，所述套筒（1d）另一端与偏心轴（1e）相连。

4.根据权利要求1所述的一种能连续变弯度的柔性舵面，其特征在于：所述蜂窝支撑结构（2a）为一体成型。

5.根据权利要求4所述的一种能连续变弯度的柔性舵面，其特征在于：所述蜂窝支撑结构（2a）采用聚酰胺或聚醚醚酮材料，通过增材制造一体化成型。

6.根据权利要求2所述的一种能连续变弯度的柔性舵面，其特征在于：所述舵面梁（1b）沿舵面展向设置，各单元变形模块共享同一根舵面梁（1b）。

7.根据权利要求2所述的一种能连续变弯度的柔性舵面，其特征在于：所述柔性蒙皮（2b）沿舵面展向设置，各单元变形模块共享同一整块柔性蒙皮（2b）。

8.根据权利要求7所述的一种能连续变弯度的柔性舵面，其特征在于：所述柔性蒙皮（2b）是面内沿展向高模量、沿弦向低模量的各向异性蒙皮，在沿弦向施加预应变后，固定设置在蜂窝支撑结构（2a）的外表面。

9.根据权利要求3所述的一种能连续变弯度的柔性舵面，其特征在于：所述蜂窝板（2a1）的前端以及舵面梁（1b）上都分别设有钉孔。