CN115675833A - 一种基于主动变形蒙皮的多形态变形机翼 - Google Patents
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Abstract
本发明属于变体机翼领域，公开了一种基于主动变形蒙皮的多形态变形机翼。多形态变形机翼包括从前至后顺序固定连接的固定块、弹性板和后缘块，在固定块和后缘块之间覆盖上下对称的主动变形蒙皮；上方的主动变形蒙皮在厚度方向上，从下至上依次叠加弹性支撑层、导热绝缘基体和弹性整流层，下方的主动变形蒙皮具有与上方的主动变形蒙皮对称的结构；导热绝缘基体内嵌入平行排列的若干根形状记忆合金丝，各形状记忆合金丝的前端固定在固定块上，后端固定在后缘块上，各形状记忆合金丝之间相互隔离而且绝缘。多形态变形机翼能够实现机翼弦向双程、双向变弯度，展向多形态扭转变弯度，拓展了机翼弯度对的变形范围。
Description
技术领域
本发明属于变体机翼领域，具体涉及一种基于主动变形蒙皮的多形态变形机翼。
背景技术
机翼是决定飞行器性能的关键部件之一，常规飞行器通常采用固定式刚性机翼，根据特定的飞行任务和环境条件设计机翼的气动外形，选用轻质量、高强度的刚性材料制造机翼的结构元件，布设基于电传感原理的传感器感知机翼的载荷环境。飞行过程中的某些特定条件下，固定式刚性机翼可以通过襟翼、缝翼等机构的刚性运动改变机翼的几何外形，继而改善机翼的空气动力学性能。然而，机翼局部的刚性变形会使翼型截面的几何轮廓出现非连续变化和曲率突变，影响翼面气流流动状态。更为突出的问题是，固定式机翼的气动性能只能在一个设计点达到最优，其它设计点则为折中处理，这极大制约了飞行器在机动性、适应性、经济性等方面的提升。
近年来，随着空中侦察、军事打击、远程运输和医疗救灾等任务对飞行器性能要求的不断提高，先进飞行器向着智能化、高效化和多任务一体化等方向发展。在此需求背景之下，借助日臻成熟的智能材料、复合材料等高性能材料科技，智能变体机翼到国内外研究人员的广泛关注，正在逐步取代传统的固定式刚性机翼，成为未来先进飞行器的重要特征。智能变体机翼可以根据不同的飞行条件适时改变自身的气动布局，优化气动升阻比，扩展飞行包线，缩短起降距离，增加巡航里程，改善操纵特性，提升隐身性能，从而达到飞行性能全航程最优的目的。
然而，受限于结构材料、驱动机构、传感控制等相关专业技术的发展水平和应用成果，经过几十年的探索和实践，智能变体机翼技术未能达到预期效果，令人瞩目的工程应用案例鲜有报道，究其原因主要有：基于传统的材料与结构技术制作的蒙皮结构难以兼顾柔性变形和刚性承载；基于智能材料的执行机构难以实现大载荷条件下的大位移驱动。本世纪以来，随着智能材料、复合材料等高新材料与结构技术的不断完善和拓展，突破智能变体机翼的发展瓶颈正逐渐成为可能。
但是，目前轻量化设计的智能材料变形驱动系统的驱动力和位移量都比较小，无法满足应用要求。通过增加智能材料的体积和数量虽然能够增大驱动力和变形量，但同时也会增加驱动系统的体积和重量，与飞行器的轻量化设计要求相矛盾。
当前，亟需发展一种基于主动变形蒙皮的多形态变形机翼。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于主动变形蒙皮的多形态变形机翼。
本发明的基于主动变形蒙皮的多形态变形机翼，其特点是，所述的多形态变形机翼包括从前至后顺序固定连接的固定块、弹性板和后缘块，在固定块和后缘块之间覆盖上下对称的主动变形蒙皮，弹性板被包裹在上下对称的主动变形蒙皮的空腔内；
上方的主动变形蒙皮在厚度方向上，从下至上依次叠加弹性支撑层、导热绝缘基体和弹性整流层，下方的主动变形蒙皮具有与上方的主动变形蒙皮对称的结构；导热绝缘基体内嵌入平行排列的若干根形状记忆合金丝，各形状记忆合金丝的前端固定在固定块上，后端固定在后缘块上，各形状记忆合金丝之间相互隔离而且绝缘。
进一步地，其特征在于，所述的弹性板为平板、锥形截面板或者波纹板，弹性板的横向刚度满足多形态变形机翼的变形需求，弹性板的材料为复合材料。
进一步地，所述的形状记忆合金丝的安装状态为具有残余应变的退孪马氏体相。
进一步地，所述的弹性整流层用于保持主动变形蒙皮的连续气动型面，安装状态为从固定块到后缘块方向拉紧的具有预应力安装。
进一步地，所述的导热绝缘基体为形状记忆合金丝提供绝缘和导热环境，导热绝缘基体与弹性整流层之间紧密贴合、不留空隙。
进一步地，所述的弹性支撑层用于固定和支撑导热绝缘基体，弹性支撑层与形状记忆合金丝共同为主动变形蒙皮提供横向刚度，弹性支撑层的型面根据主动变形蒙皮的型面和变形需求进行预设；弹性支撑层的材质为包括碳纤维增强复合材料CFRP在内的纤维增强复合材料；弹性支撑层的结构为波纹结构或者变泊松比结构。
本发明的基于主动变形蒙皮的多形态变形机翼具有以下优点：
1.实现了机翼弦向双程、双向变弯度，展向多形态扭转变弯度，拓展了机翼弯度的变形范围。
2.解决了传统被动变形蒙皮在柔性变形和刚性承载的矛盾难题，将蒙皮变形的驱动机构集成到蒙皮内，舍弃了机翼内部驱动结构，既减轻了整体重量，又简化了结构的复杂性。
3.弹性整流层具有柔软、大变形、导热性良好的特点，能够保持主动变形蒙皮的连续气动型面，同时快速导热。
4.充分利用了主动变形蒙皮与空气对流换热，降低了形状记忆合金丝冷却时间，解决形状记忆合金驱动频率低的难题，提升了形状记忆合金的作动频率。
本发明的基于主动变形蒙皮的多形态变形机翼的主动变形蒙皮为夹心复合结构，采用形状记忆合金丝作为强化纤维，改善主动变形蒙皮的承载刚度；采用高导热率的导热绝缘基体与弹性支撑层，充分利用主动变形蒙皮与空气对流换热，降低形状记忆合金丝冷却时间，提升形状记忆合金丝的作动频率。主动变形蒙皮在机翼表面上下对称布置方案，实现弦向双程、双向变弯度以及展向扭转变弯度。
总而言之，本发明的基于主动变形蒙皮的多形态变形机翼，能够实现机翼弦向双程、双向变弯度，展向多形态扭转变弯度，拓展了机翼弯度对的变形范围，对变体飞行器的发展具有借鉴意义，同时具有研究价值和工程推广价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，以下描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图所示实施例得到其它的实施例及其附图。
图1a为本发明的基于主动变形蒙皮的多形态变形机翼的结构示意图（主视图）；
图1b为本发明的基于主动变形蒙皮的多形态变形机翼的结构示意图（俯视图）；
图2为本发明的基于主动变形蒙皮的多形态变形机翼的中的主动变形蒙皮在厚度方向截面图；
图3a为本发明的基于主动变形蒙皮的多形态变形机翼的实施例1示意图；
图3b为实施例1的弦向变弯度云图，方向为向上；
图3c为实施例1的弦向变弯度云图，方向为向下；
图3d为实施例1的展向分布式变弯度云图；
图3e为实施例1的展向扭转变弯度云图。
图中，1.固定块；2.弹性板；3.主动变形蒙皮；4.后缘块；5.弹性整流层；6.导热绝缘基体；7.形状记忆合金丝；8.弹性支撑层。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
如图1a、图1b、图2所示，本发明的基于主动变形蒙皮的多形态变形机翼包括从前至后顺序固定连接的固定块1、弹性板2和后缘块4，在固定块1和后缘块4之间覆盖上下对称的主动变形蒙皮3，弹性板2被包裹在上下对称的主动变形蒙皮3的空腔内；
上方的主动变形蒙皮3在厚度方向上，从下至上依次叠加弹性支撑层8、导热绝缘基体6和弹性整流层5，下方的主动变形蒙皮3具有与上方的主动变形蒙皮3对称的结构；导热绝缘基体6内嵌入平行排列的若干根形状记忆合金丝7，各形状记忆合金丝7的前端固定在固定块1上，后端固定在后缘块4上，各形状记忆合金丝7之间相互隔离而且绝缘。
进一步地，其特征在于，所述的弹性板2为平板、锥形截面板或者波纹板，弹性板2的横向刚度满足多形态变形机翼的变形需求，弹性板2的材料为复合材料。
进一步地，所述的形状记忆合金丝7的安装状态为具有残余应变的退孪马氏体相。
进一步地，所述的弹性整流层5用于保持主动变形蒙皮的连续气动型面，安装状态为从固定块1到后缘块4方向拉紧的具有预应力安装。
进一步地，所述的导热绝缘基体6为形状记忆合金丝7提供绝缘和导热环境，导热绝缘基体6与弹性整流层5之间紧密贴合、不留空隙。
进一步地，所述的弹性支撑层8用于固定和支撑导热绝缘基体6，弹性支撑层8与形状记忆合金丝7共同为主动变形蒙皮3提供横向刚度，弹性支撑层8的型面根据主动变形蒙皮3的型面和变形需求进行预设；弹性支撑层8的材质为包括碳纤维增强复合材料CFRP在内的纤维增强复合材料；弹性支撑层8的结构为波纹结构或者变泊松比结构。
实施例1
图3a给出了本发明的基于主动变形蒙皮的多形态变形机翼的实施例，实施例为二维翼型，初始平衡状态为二维对称翼型。二维翼型的主动变形蒙皮3的弹性整流层5的厚度为t1、导热绝缘基体6的厚度为t2、弹性支撑层8的厚度为t3，形状记忆合金丝7的半径为R，形状记忆合金丝7之间的距离为L。
二维翼型能够实现机翼弦向变弯度和机翼展向变弯度。
a.机翼弦向变弯度的流程如下：
给上方的主动变形蒙皮3全部、或展向对称面对称分布的形状记忆合金丝7通电，形状记忆合金丝7在电流焦耳加热作用下升温，当温度升至形状记忆合金奥氏体相变结束温度，即Af以上，形状记忆合金由马氏体完全转变为奥氏体，奥氏体材料弹性模量远超马氏体，残余应变产生的拉力变大，打破原来的平衡，机翼后缘向上弯曲，如图3b所示。反之，给下方的主动变形蒙皮3全部、或展向对称面对称分布的形状记忆合金丝7通电，机翼后缘向下弯曲，如图3c所示。
停止通电后，导热绝缘基体6将形状记忆合金热量传导至弹性整流层5，机翼外表面空气强制对流与弹性整流层5对流换热，机翼内部自然对流同时降温，快速冷却形状记忆合金至马氏体相变结束温度，即Mf以下，主动变形蒙皮3恢复至初始平衡状态。
b.机翼展向变弯度的流程如下：
给下方的主动变形蒙皮3展向对称面一侧分布的全部、或部分形状记忆合金丝7通电，通电部分的形状记忆合金由马氏体完全转变为奥氏体，驱动对应的后缘块4产生向下弯曲，产生分布式扭转，如图3d所示。同时驱动下方的主动变形蒙皮3反对称位置的形状记忆合金丝7，后缘块4关于展向产生对称扭转，如图3e所示。
同理，反向驱动，则会产生另一方向的扭转或对称扭转。
Claims (6)
1.一种基于主动变形蒙皮的多形态变形机翼，其特征在于，所述的多形态变形机翼包括从前至后顺序固定连接的固定块（1）、弹性板（2）和后缘块（4），在固定块（1）和后缘块（4）之间覆盖上下对称的主动变形蒙皮（3），弹性板（2）被包裹在上下对称的主动变形蒙皮（3）的空腔内；
上方的主动变形蒙皮（3）在厚度方向上，从下至上依次叠加弹性支撑层（8）、导热绝缘基体（6）和弹性整流层（5），下方的主动变形蒙皮（3）具有与上方的主动变形蒙皮（3）对称的结构；导热绝缘基体（6）内嵌入平行排列的若干根形状记忆合金丝（7），各形状记忆合金丝（7）的前端固定在固定块（1）上，后端固定在后缘块（4）上，各形状记忆合金丝（7）之间相互隔离而且绝缘。
2.根据权利要求1所述的基于主动变形蒙皮的多形态变形机翼，其特征在于，所述的弹性板（2）为平板、锥形截面板或者波纹板，弹性板（2）的横向刚度满足多形态变形机翼的变形需求，弹性板（2）的材料为复合材料。
3.根据权利要求1所述的基于主动变形蒙皮的多形态变形机翼，其特征在于，所述的形状记忆合金丝（7）的安装状态为具有残余应变的退孪马氏体相。
4.根据权利要求1所述的基于主动变形蒙皮的多形态变形机翼，其特征在于，所述的弹性整流层（5）用于保持主动变形蒙皮的连续气动型面，安装状态为从固定块（1）到后缘块（4）方向拉紧的具有预应力安装。
5.根据权利要求1所述的基于主动变形蒙皮的多形态变形机翼，其特征在于，所述的导热绝缘基体（6）为形状记忆合金丝（7）提供绝缘和导热环境，导热绝缘基体（6）与弹性整流层（5）之间紧密贴合、不留空隙。
6.根据权利要求1所述的基于主动变形蒙皮的多形态变形机翼，其特征在于，所述的弹性支撑层（8）用于固定和支撑导热绝缘基体（6），弹性支撑层（8）与形状记忆合金丝（7）共同为主动变形蒙皮（3）提供横向刚度，弹性支撑层（8）的型面根据主动变形蒙皮（3）的型面和变形需求进行预设；弹性支撑层（8）的材质为包括碳纤维增强复合材料CFRP在内的纤维增强复合材料；弹性支撑层（8）的结构为波纹结构或者变泊松比结构。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20230203 |