CN115489717A - 一种可变形机翼、飞行器及变形控制方法 - Google Patents

一种可变形机翼、飞行器及变形控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种可变形机翼、飞行器及变形控制方法，包括组合翼和组合翼连接结构，组合翼通过组合翼连接结构安装在机身上，并实现组合翼展开和收缩。本发明通过特殊的组合翼结构，实现飞行器整体形态连续的机翼构型变形，适应超宽域飞行工况及不同的飞行任务。

Description

一种可变形机翼、飞行器及变形控制方法
技术领域
本发明涉及一种可变形机翼、飞行器及变形控制方法，属于空天飞行技术领域。
背景技术
随着人类对空间探索的不断深入，要求未来飞行器的空域、速域不断扩大，且能够实现多种飞行任务，即单架飞机完成地面低速起飞和着陆、高速突防、高超声速巡航、灵活机动等任务。在多任务飞行环境下，传统固定外形的飞行器难以始终保持良好飞行性能和操纵性能。
可变形飞行器其外形能够根据飞行任务、飞行环境发生改变，以不同的气动布局形式满足不同的需求，提升飞行器的飞行性能。机翼作为飞行器最重要的部分之一，机翼的变形设计是实现飞行器变形的关键。目前可变形机翼的研究主要针对中小尺度变形，如改变机翼截面形状、弦长或者前后缘，以实现流动控制和提高操纵性能。
专利CN201910684613.4(一种展向伸缩式变形机翼)提出通过伸缩结构，改变机翼的面积；专利CN201711299675.0(一种可变形机翼)提出通过改变机翼前后端迎角来改变机翼截面形状；专利CN201811315911.8(一种可变弦长和弯度的变形机翼)提出通过可变形翼肋改变机翼的弦长和弯度；专利CN202010859908.3(一种固定翼梁的可变后掠机翼)提出通过固定翼梁改变机翼后掠角、展长和翼展面积；专利CN201810937483.6(一种变形飞行器的机翼收缩折叠装置机翼)提出通过收缩折叠装置可收入机身内部，改变翼展和后掠角；专利CN201921408791.6(一种机翼、形变装置及飞机)提出通过气囊冲放气产生形变，使第一机翼发生变形，翼展和后掠角有一定变化。这些主要通过伸缩或者旋转的方式，实现机翼展长或者后掠角的变化，并未大尺度的改变机翼构型。
但对于未来超宽域飞行而言，不同速域下流场特性差异显著：低速时主要以附着流、旋涡流动为主要特征；超声速和高超声速时则受激波、膨胀波等复杂波系结构主导；当飞行速度进一步提高时，阻力特性逐渐成为飞行器设计的主要矛盾。因此，仅针对机翼截面的可变形机翼设计无法满足未来超宽域飞行需求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术不足，提供一种能面对超宽域(Ma0～15+)的飞行工况、在有限的飞行器内部空间中，实现机翼连续的后掠角变化、改变机翼构型、兼顾不同飞行速域下升阻特性，实现飞行器的机动灵活高效飞行的可变形机翼、飞行器及变形控制方法。
本发明的技术解决方案：一种可变形机翼，包括组合翼和组合翼连接结构，组合翼通过组合翼连接结构安装在机身上，并实现组合翼展开和收缩；
所述的组合翼包括主动后翼、随动前翼和伸缩重叠翼，主动后翼、随动前翼和伸缩重叠翼对称分布在机身两侧，随动前翼布置在主动后翼的前部，伸缩重叠翼布置在主动后翼的根部，组合翼完全展开时，主动后翼、随动前翼和伸缩重叠翼组成完整连续、光滑过渡的平直翼翼面构型，组合翼连接结构带动主动后翼向后转动过程中，随动前翼随之向后转动至收入机身，伸缩重叠翼由部分到完全折叠并收入机身，翼面构型由平直翼翼面构型转为后掠翼翼面构型，最终转为乘波体构型。
一种采用上述任一可变形机翼的飞行器。
一种可变形机翼的变形控制方法，通过以下步骤实现：
第一步，可变形机翼完全展开，伸缩重叠翼伸展至最大，主动后翼、随动前翼和伸缩重叠翼组成完整连续、光滑过渡的平直翼翼面构型；
第二步，主动后翼向后旋转，随动前翼随之向后旋转，伸缩重叠翼部分收缩重叠，由平直翼翼面构型转为后掠翼翼面构型；
第三步，主动后翼继续向后旋转，主动后翼后掠至与伸缩尾翼联结，随动前翼随之向后旋转，伸缩重叠翼完全收缩重叠，并收入机身，由后掠翼翼面构型，转为乘波体构型；
第四步，主动后翼继续向后旋转，伸缩尾翼向机身内部收缩。
本发明与现有技术相比的有益效果：
(1)本发明通过特殊的组合翼结构，实现飞行器整体形态连续的机翼构型变形，适应超宽域飞行工况及不同的飞行任务；
(2)本发明采用伸缩重叠翼，不仅能参与机翼构型变形，同时其在机翼收缩时可完全重叠，既减少了变形机翼所占用的空间，又保证了高速飞行下机翼强度；
(3)本发明采用组合翼结构，实现机翼构型从平直翼到后掠翼再到乘波体构型的大尺度变化，适应不同速域下的来流特性，保证全速域内的升阻特性；
(4)本发明采用智能变形与机械机构有机结合的方式，进一步实现飞行器机翼无缝的、平滑连续的过渡，保证其气动性能；
(5)本发明针对高超声速设计，充分考虑高超声速飞行时气动热与气动力对变形结构强度的要求，在如此大尺度的机翼变形的过程中，尽可能小的占用飞行器内部空间，实现连续光滑的变形，兼顾飞行性能与实用性能。
附图说明
图1为本发明整体示意图；
图2为本发明组合翼连接结构伸展与收缩状态示意图，a为伸展状态、b为伸展-收缩过程中状态、c为收缩状态；
图3为本发明伸缩重叠翼伸展与收缩状态示意图，a为伸展状态、b为伸展-收缩过程中状态、c为收缩状态；
图4为本发明翼面之间流面平滑过渡示意图，a为流面控制前，b为流面控制后；
图5为本发明连续变形过程示意图，a、b、c、d为四种典型状态；
图6为本发明变形控制流程图。
具体实施方式
下面结合具体实例及附图对本发明进行详细说明。
本发明如图1所示，提供一种可变形机翼，包括组合翼和组合翼连接结构，组合翼通过组合翼连接结构安装在机身上，并实现组合翼展开和收缩。
如图1所示，组合翼包括主动后翼、随动前翼和伸缩重叠翼。主动后翼、随动前翼和伸缩重叠翼对称分布在机身两侧，随动前翼布置在主动后翼的前部，伸缩重叠翼布置在主动后翼的根部，组合翼完全展开时，主动后翼、随动前翼和伸缩重叠翼组成完整连续、光滑过渡的翼面。
本发明组合翼连接结构如图2所示，包括主动后翼骨架、随动前翼骨架和伸缩重叠翼连接结构，主动后翼固定安装在主动后翼骨架上，由其带动旋转。主动后翼骨架的一端连接在机身上，并可绕连接点转动。主动后翼骨架中前部通过连杆与机身连接，连杆两端的连接点均可转动，且连杆与机身连接点可沿机身前后移动，通过连杆在机身上位置移动，拉动主动后翼骨架前后旋转，从而实现主动后翼的前后旋转。
随动前翼固定安装在随动前翼骨架上，由其带动旋转。随动前翼骨架的一端连接在机身上，并可绕连接点转动，其另一端与主动后翼骨架中部连接，该连接点可在主动后翼骨架上移动，在主动后翼骨架旋转时，带动随动前翼骨架相应转动。
进一步，本发明主动后翼骨架、随动前翼骨架与机身连接点之间的前后距离为随动前翼根部翼展长度。
伸缩重叠翼固定安装在伸缩重叠翼连接结构上，由其带动折叠或伸展。伸缩重叠翼连接结构安装在主动后翼骨架根部。本发明伸缩重叠翼如图3所示，由不少于2片重叠翼叶片组成，相邻重叠翼叶片排列致密，伸展时相邻重叠翼叶片边缘相互压紧，收缩时重叠翼叶片相互重叠压紧。
伸缩重叠翼连接结构由多个重叠翼叶片连接结构组成，重叠翼叶片连接结构数量与重叠翼叶片数量对应，各个重叠翼叶片连接结构在与主动后翼骨架连接点上设置扭转结构，使重叠翼叶片绕连接点转动，重叠翼叶片转动方向与主动后翼反向。主动后翼向后旋转，最内侧至外侧重叠翼叶片转动角度依次减少；使重叠翼叶片互相重叠，完成伸缩重叠翼的收缩。
本发明重叠翼叶片在主动后翼旋转时收缩或伸展，实现机翼后掠角的连续变化。同时，通过伸缩重叠的变形，既有效的减少了变形机翼占用的空间，又以相互压紧的方式保证了机翼的强度。
进一步，在组合翼收缩过程中，随动前翼和伸缩重叠翼部分或全部进入机身内，主动后翼部分进入机身内，在最终收缩状态，随动前翼和伸缩重叠翼全部进入机身内，随动前翼前缘与主动后翼前缘外侧维持机身型面。
进一步，本发明还包括对称布置在机身尾部的伸缩尾翼，可全部或部分收缩到机身内。优选的，伸缩尾翼可设置单独的伸缩连接结构，根据飞行要求，单独控制伸缩尾翼的伸缩，也可只设计连接结构，在主动后翼向后旋转至伸缩尾翼处，由主动后翼将其推入机身内。
进一步，如图4所示，在随动前翼和主动后翼的连接处，进行了流面平滑过渡设计，通过在随动前翼后缘和主动后翼前缘内嵌入智能可变形材料，控制随动前翼后缘翼面和主动后翼前缘翼面的形状。当组合翼后掠角变化时，随动前翼在主动后翼骨架上滑动时可能存在缝隙，通过智能可变形材料小尺寸的变形使得随动前翼后缘翼面和主动后翼前缘翼面始终贴紧，实现前后翼之间翼面平滑过渡。同理，在主动后翼后缘同样设计，使主动后翼后缘与伸缩重叠翼之间翼面平滑过渡；在重叠翼叶片之间进行同样设计，实现重叠翼叶片之间互相压紧，即保证伸缩重叠翼翼面光滑过渡，又能增强其强度。
进一步，本发明还提供一种采用可变形机翼的飞行器。
进一步，本发明还提供如图6所示的一种可变形机翼的变形控制方法，通过以下步骤实现：
第一步，可变形机翼完全展开，伸缩重叠翼伸展至最大，主动后翼、随动前翼和伸缩重叠翼组成完整连续、光滑过渡的翼面。
本步骤中机翼呈大展弦比、小后掠角状态，适用于低速飞行(Ma0～2.5)。
第二步，主动后翼向后旋转，随动前翼随之向后旋转，伸缩重叠翼部分收缩重叠。
本步骤中，机翼后掠角增大，展弦比降低，适用于高速飞行(Ma2.5～4)。
第三步，主动后翼继续向后旋转，主动后翼后掠至与伸缩尾翼联结，随动前翼随之向后旋转，伸缩重叠翼完全收缩重叠，并收入机身。
本步骤中，飞行器整体呈乘波体构型，适用高超声速飞行(Ma4～7.5)。
第四步，主动后翼继续向后旋转，伸缩尾翼向机身内部收缩。
本步骤中，后掠角进一步增大，飞行器整体呈低阻力构型，适应更高速乃至极限速度飞行(Ma7.5～15+)。
实施例1
如图1至5所示，随动前翼与主动后翼前后排布，两机翼骨架根部都铰接在机身上并可绕铰接点转动。主动后翼骨架根部区域为伸缩重叠翼的安装位置，主动后翼骨架中部通过前后翼滑块机构与随动前翼骨架的尖部连接。机翼后掠角的变化通过连接在机身与主动后翼之间的连杆实现，连杆一端铰接到主动后翼骨架，另一端通过机身滑块机构连接到机身上，当机身滑块机构在机身上前后滑动时，通过连杆作用带动主动后翼旋转，在前后翼滑块机构作用下，随动前翼也随之转动，实现组合机翼的后掠角变化。
实施例2
可变形机翼变形控制方法通过连续变形时四个典型的状态描述，如图5、6所示。在(a)状态时，机翼完全展开，伸缩重叠翼伸展到最大程度，机翼呈大展弦比、小后掠角状态，适用于低速飞行；在(b)状态时，主动后翼向后转动，伸缩重叠翼部分收缩重叠，机翼后掠角增大，展弦比降低，适用于高速飞行；在(c)状态时，主动后翼收缩至与尾翼联结，伸缩重叠翼完全重叠并收进机体内部，飞行器整体呈乘波体构型，适应高超声速飞行；在(d)状态时，尾翼向机身内部收缩，后掠角进一步增大，飞行器整体呈低阻力构型，适应更高速乃至极限速度飞行。
随着飞行速度的提高，重叠翼叶片的重叠程度越高，伸缩重叠翼的结构强度也越高，可以满足高速飞行的强度要求；同时当组合翼相互接触时，流面平滑过渡结构通过智能材料要的变形，保证变形过程中翼面平滑，满足飞行性能的需求。
本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

Claims (16)

1.一种可变形机翼，其特征在于：包括组合翼和组合翼连接结构，组合翼通过组合翼连接结构安装在机身上，并实现组合翼展开和收缩；
所述的组合翼包括主动后翼、随动前翼和伸缩重叠翼，主动后翼、随动前翼和伸缩重叠翼对称分布在机身两侧，随动前翼布置在主动后翼的前部，伸缩重叠翼布置在主动后翼的根部，组合翼完全展开时，主动后翼、随动前翼和伸缩重叠翼组成完整连续、光滑过渡的平直翼翼面构型，组合翼连接结构带动主动后翼向后转动过程中，随动前翼随之向后转动至收入机身，伸缩重叠翼由部分到完全折叠并收入机身，翼面构型由平直翼翼面构型转为后掠翼翼面构型，最终转为乘波体构型。
2.根据权利要求1所述的一种可变形机翼，其特征在于：所述的伸缩重叠翼由不少于2片重叠翼叶片组成，相邻重叠翼叶片排列致密，伸展时相邻重叠翼叶片边缘相互压紧，收缩时重叠翼叶片相互重叠压紧。
3.根据权利要求1所述的一种可变形机翼，其特征在于：所述的组合翼连接结构包括主动后翼骨架、随动前翼骨架和伸缩重叠翼连接结构，所述的主动后翼固定安装在主动后翼骨架上，由其带动旋转，所述的随动前翼固定安装在随动前翼骨架上，由其带动旋转，所述的伸缩重叠翼固定安装在伸缩重叠翼连接结构上，由其带动折叠或伸展，伸缩重叠翼连接结构安装在主动后翼骨架根部。
4.根据权利要求3所述的一种可变形机翼，其特征在于：所述的主动后翼骨架的一端连接在机身上，并可绕连接点转动，主动后翼骨架中前部通过连杆与机身连接，连杆两端的连接点均可转动，且连杆与机身连接点可沿机身前后移动。
5.根据权利要求3所述的一种可变形机翼，其特征在于：所述的随动前翼骨架的一端连接在机身上，并可绕连接点转动，其另一端与主动后翼骨架中部连接，该连接点可在主动后翼骨架上移动，在主动后翼骨架旋转时，带动随动前翼骨架相应转动。
6.根据权利要求3所述的一种可变形机翼，其特征在于：所述的伸缩重叠翼连接结构由多个重叠翼叶片连接结构组成，重叠翼叶片连接结构数量与重叠翼叶片数量对应，各个重叠翼叶片连接结构在与主动后翼骨架连接点上设置扭转结构，使重叠翼叶片绕连接点转动，重叠翼叶片转动方向与主动后翼反向。
7.根据权利要求6所述的一种可变形机翼，其特征在于：所述的扭转结构在主动后翼向后旋转，控制最内侧至外侧重叠翼叶片转动角度依次减少，使重叠翼叶片互相重叠，完成伸缩重叠翼的收缩。
8.根据权利要求5所述的一种可变形机翼，其特征在于：所述的主动后翼骨架、随动前翼骨架与机身连接点之间的前后距离为随动前翼根部翼展长度。
9.根据权利要求1所述的一种可变形机翼，其特征在于：所述的组合翼还包括对称布置在机身尾部的伸缩尾翼，伸缩尾翼可全部或部分收缩到机身内。
10.根据权利要求9所述的一种可变形机翼，其特征在于：所述的伸缩尾翼设置伸缩连接结构，根据飞行要求，单独控制伸缩尾翼的伸缩。
11.根据权利要求9所述的一种可变形机翼，其特征在于：所述的伸缩尾翼在主动后翼向后旋转至伸缩尾翼处，由主动后翼将其推入机身内。
12.根据权利要求1所述的一种可变形机翼，其特征在于：所述的随动前翼后缘、主动后翼前缘和主动后翼后缘内嵌入智能可变形材料。
13.根据权利要求2所述的一种可变形机翼，其特征在于：所述的重叠翼叶片前缘、后缘内嵌入智能可变形材料。
14.一种采用上述任一可变形机翼的飞行器。
15.一种可变形机翼的变形控制方法，其特征在于，通过以下步骤实现：
第一步，可变形机翼完全展开，伸缩重叠翼伸展至最大，主动后翼、随动前翼和伸缩重叠翼组成完整连续、光滑过渡的平直翼翼面构型；
第二步，主动后翼向后旋转，随动前翼随之向后旋转，伸缩重叠翼部分收缩重叠，由平直翼翼面构型转为后掠翼翼面构型；
第三步，主动后翼继续向后旋转，主动后翼后掠至与伸缩尾翼联结，随动前翼随之向后旋转，伸缩重叠翼完全收缩重叠，并收入机身，由后掠翼翼面构型，转为乘波体构型；
第四步，主动后翼继续向后旋转，伸缩尾翼向机身内部收缩。
16.根据权利要求15所述的一种可变形机翼的变形控制方法，其特征在于：所述第一步适用于Ma0～2.5的低速飞行，所述第二步适用于Ma2.5～4的高速飞行，所述第三步适用Ma4～7.5的高超声速飞行，所述第四步适用Ma7.5～15+的更高速乃至极限速度飞行。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115636079A (zh) * 2022-12-21 2023-01-24 中国航空工业集团公司沈阳空气动力研究所 一种超高升阻比的高空长航时无人机布局

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