JP2016155546A - モーフィングパネル構造のための適応型構造コア - Google Patents

Abstract

【課題】翼又はその他の表面に大きな圧力及び温度勾配又は負荷が印加される航空宇宙及びその他の応用に好適なモーフィングパネル構造を得る。【解決手段】構造体の面内変形を可能とする一方で、面外曲げ又は柔軟な変形に対して耐性を促すために、適応型構造コアは、繰り返しパターンで配置された複数のコア部材、複数のコア部材上に設けられた複数のアクチュエータ取付け位置、及び複数のアクチュエータ取付け位置と係合する少なくとも１つのアクチュエータを含む。【選択図】図４

Description

本発明は空力応用に好適なモーフィングパネル構造に関する。より詳しくは、本発明は航空宇宙及びその他の応用に好適なモーフィングパネル構造のための適応型構造コアに関する。

モーフィングパネル構造は、翼又はその他の表面に大きな圧力及び温度勾配又は負荷が印加される空力応用で有用となることがある。モーフィングパネル構造の空力機能は、構造体の柔軟性と構造支持能力との間に微妙なバランスを必要とすることがある。したがって、空力応用に好適なモーフィングパネル構造は、面内変形を受けやすく、面外曲げ又は屈曲変形に対しては耐性があることが望ましい。

構造体の面内変形を可能にする一方で、面外曲げ又は屈曲変形に対して耐性を促すためには、モーフィングパネル構造のための適応型構造コアが必要となる。

本発明は概して、構造体の面内変形を可能にする一方で、面外曲げ又は柔軟な変形に対しては耐性を促すモーフィングパネル構造のための適応型構造コアを対象とする。適応型構造コアの例示的な実施形態は、繰り返しパターンで配置された複数のコア部材、複数のコア部材に設けられた複数のアクチュエータ取付け位置、及び複数のアクチュエータ取付け位置に係合する少なくとも１つのアクチュエータを含む。

幾つかの実施形態では、適応型構造コアは、各コアセルがセル空間を有する繰り返しパターンで配置された複数のコア部材；セル空間内の複数のコア部材に設けられた複数のアクチュエータ取付け位置；セル空間内に設けられ、複数のアクチュエータ取付け位置の１番目の対と係合する第１アクチュエータ；及びセル空間内に設けられ、複数のアクチュエータ取付け位置の２番目の対と係合する第２アクチュエータを含むことができる。

本発明はさらに概して、適応型構造コアメソッドを目的とする。この方法の例示的な実施形態は、複数のコア部材を提供するステップ、繰り返しパターンで複数のコア部材を配置するステップ及び複数のコア部材上にアクチュエータ取付け位置を設けるステップを含む。

幾つかの実施形態では、モーフィングパネル構造のための適応型構造コアは、セル空間を有する各コアセルとセル空間に面する複数のセル壁の平面的な繰り返しパターンで配置された複数の交差するコア部材；セル空間内の複数のコア部材に設けられた複数のアクチュエータ取付け開口部；セル空間内の対角線上に設けられ、複数のアクチュエータ取付け位置の１番目の対と係合する第１アクチュエータ；及びセル空間内で対角線上に設けられ、複数のアクチュエータ取付け位置の２番目の対と係合する第２アクチュエータを含むことができる。第１アクチュエータ及び第２アクチュエータはそれぞれ、協調的な方法及び拮抗的な方法から選択したいずれかの方法でセル壁に力を及ぼすように適応される。

幾つかの実施形態では、適応型構造コアの方法は、複数のコア部材の提供；複数のコア部材を繰り返しパターンで配置することによる適応型構造コアの形成；コア部材の取付け位置へのアクチュエータの取付け；複数のコア部材への少なくとも１つの複合表面板の設定；協調的な方法でアクチュエータを操作することによる適応型構造コアの変形；及び拮抗的な方法でアクチュエータを操作することによる適応型構造コアの強化を含むことができる。

１．繰り返しパターンで配置された複数のコア部材と；
前記複数のコア部材上に設けられた複数のアクチュエータ取付け位置と；
前記複数のアクチュエータ取付け位置と係合する少なくとも１つのアクチュエータと
を含むモーフィングパネル構造のための適応型構造コア。

２．前記複数のコア部材が平面的な繰り返しパターンで配置されている、請求項１に記載の適応型構造コア。

３．前記繰り返しパターンがひし形パターンを含む、請求項２に記載の適応型構造コア。

４．前記繰り返しパターンが平行四辺形パターンを含む、請求項２に記載の適応型構造コア。

５．前記複数のコア部材が複数のセル壁を有する複数のコアセルを規定する、請求項１に記載の適応型構造コア。

６．前記複数のアクチュエータ取付け位置が、前記コアセルの各々の前記複数のセル壁の対向する壁の上に設けられた一対のアクチュエータ取付け位置を含む、請求項５に記載の適応型構造コア。

７．前記複数のアクチュエータ取付け位置の各々がアクチュエータ取付け開口部を含む、請求項６に記載の適応型構造コア。

８．前記複数のコアセルの各々の前記複数のセル壁の対向する壁に取付けられた複数のアクチュエータをさらに含む、請求項５に記載の適応型構造コア。

９．前記複数のアクチュエータの各々が協調的な方法で前記セル壁に力を及ぼすように構成された、請求項８に記載の適応型構造コア。

１０．前記複数のアクチュエータの各々が拮抗的な方法で前記セル壁に力を及ぼすように構成された、請求項８に記載の適応型構造コア。

１１．前記複数のコア部材が複数の金属コア部材を含む、請求項１に記載の適応型構造コア。

１２．前記複数のコア部材が複数の複合コア部材を含む、請求項１に記載の適応型構造コア。

１３．各々がセル空間を有するコアセルの繰り返しパターンで配置された複数のコア部材と；
前記セル空間内の前記複数のコア部材上に設けられた複数のアクチュエータ取付け位置と；
前記セル空間内に設けられ、前期複数のアクチュエータ取付け位置の１番目の対と係合する第１アクチュエータと；
前記セル空間内に設けられ、前期複数のアクチュエータ取付け位置の２番目の対と係合する第２アクチュエータと
を含むモーフィングパネル構造のための適応型構造コア。

１４．前記第１アクチュエータ及び前記第２アクチュエータが前記セル空間内で対角線方向に配置されている、請求項１３に記載の適応型構造コア。

１５．前記第１アクチュエータ及び前記第２アクチュエータが前記セル空間内で互いに交差する位置関係で配置されている、請求項１４に記載の適応型構造コア。

１６．前記複数のコア部材が交差する平面内の繰り返しパターンで配置されている、請求項１３に記載の適応型構造コア。

１７．複数のコア部材を提供するステップと；
前記複数のコア部材を繰り返しパターンで配置するステップと；
前記複数のコア部材上に複数の取付け位置を設けるステップと
を含む適応型構造コア。

１８．前記複数のコア部材の繰り返しパターンでの前記配列が、複数のセル壁を有する複数のコアセルへの前記複数のコア部材の配列を含み、前記複数のコア部材上への複数のアクチュエータ取付け位置の設定が、それぞれ前記複数のセル壁の対向する壁に取付け位置の設定を含む、請求項１７に記載の方法。

１９．前記複数のコアセルの各々に一対のアクチュエータを提供するステップと、前記取付け位置に前記一対のアクチュエータを取付けるステップとをさらに含む、請求項１８に記載の方法。

２０．前記複数のコア部材上に少なくとも１つの複合表面板をさらに含む、請求項１７に記載の方法。

２１．各々がセル空間及び前記セル空間に向かい合う複数のセル壁を有するコアセルの平面的な繰り返しパターンで配置された複数の交差するコア部材と；
前記セル空間内の前記複数のコア部材に設けられた複数のアクチュエータ取付け開口部と；
前記セル空間に対角線上に設けられ、前記複数のアクチュエータ取付け位置の１番目の対に係合する第１アクチュエータと；
前記セル空間に対角線上に設けられ、前記複数のアクチュエータ取付け位置の２番目の対に係合する第２アクチュエータと；
協調的な方法及び拮抗的な方法から選択したいずれかの方法で前記セル壁に力を及ぼすように適応される、各々の前記第１アクチュエータ及び前記第２アクチュエータと
を含む、モーフィングパネル構造のための適応型構造コア。

２２．複数のコア部材を提供するステップと；
前記複数のコア部材を繰り返しパターンで配置することにより、適応型構造コアを形成するステップと；
前記複数のコア部材上に複数のアクチュエータ取付け位置を設けるステップと；
複数のアクチュエータを提供するステップと；
前記アクチュエータを前記コア部材上の前記アクチュエータ取付け位置に取付けるステップと；
前記複数のコア部材上に少なくとも１つの複合表面板を提供するステップと；
協調的な方法で前記アクチュエータを操作することにより、前記適応型構造コアの形状を変更するステップと；
拮抗的な方法で前記アクチュエータを操作することにより、前記適応型構造コアを強化するステップと
を含む、適応型構造コアの方法。

２３．複数のコアセルを有する適応型構造コアを提供するステップと；
前記適応型構造コアの前記コアセルに少なくとも１つのアクチュエータを提供するステップと；
前記少なくとも１つのアクチュエータの作動によって前記適応型構造コアを適応させるステップと
を含む、モーフィングパネル構造の適応型構造コアの方法。

２４．前記少なくとも１つのアクチュエータの作動によって前記適応型構造コアを適応させる前記ステップが、前記少なくとも１つのアクチュエータの拮抗的な方法での作動によって前記コアセルを強化するステップを含む、請求項２３に記載の方法。

２５．前記少なくとも１つのアクチュエータの作動によって前記適応型構造コアを適応させる前記ステップが、前記少なくとも１つのアクチュエータの協調的な方法での作動によって前記コアセルの形状を変更するステップを含む、請求項２３に記載の方法。

２６．複数のコアセルを有する適応型構造コアを提供する前記ステップが、複数の交差するコア部材を有する適応型構造コアを含み、前記コアセルが前記コア部材によって規定される、請求項２３に記載の方法。

２７．前記適応型構造コアの前記コアセルに少なくとも１つのアクチュエータを提供する前記ステップが、前記コア部材に少なくとも１つのアクチュエータを取付けるステップを含む、請求項２６に記載の方法。

２８．前記適応型構造コアの前記コアセルに少なくとも１つのアクチュエータを提供する前記ステップが、前記コアセル内で互いに対角して交差する関係にある一対のアクチュエータを提供するステップを含む、請求項２３に記載の方法。

本発明はさらに概して、モーフィングパネル構造の構造コアに適応する方法を目的とする。この方法の例示的な実施形態は、複数のコアセルを有する適応型構造コアを提供するステップと、適応型構造コアのコアセルに少なくとも１つのアクチュエータを提供するステップと、少なくとも１つのアクチュエータを作動させて適応型構造コアを適応するステップとを含む。

図１は適応型構造コアの実施形態を利用するモーフィングパネル構造の断面図である。 図２はコア内の複数のコアセルの各々にアクチュエータ取付け位置を設けた、適応型構造コアの実施形態の部分断面斜視図である。 図３は適応型構造コアの一実施形態の上部断面図で、より詳しくは、適応型構造コアの複数のコアセルの各々で、アクチュエータの典型的な方向を１つは実線でもう１つは仮想線で図解している。 図４は適応型構造コアの一実施形態のコアセルの上面図で、より詳しくは、コアの形状の変化をもたらす協力的な方法でのアクチュエータの操作を図解している。 図５は適応型構造コアの一実施形態でのコアセルの上面図で、より詳しくは、コアの硬化に影響を及ぼす競合的な方法でのアクチュエータの操作を図解している。 図６は各コアセルのアクチュエータによる適応型構造コアの実施形態の各コアセルに与えられる応力及び張力を図解する模式図である。 図６Ａは適応型構造コアの平面的な繰り返し構造のひし形配列を図解する模式図である。 図６Ｂは適応型構造コアの平面的な繰り返し構造の平行四辺形配列を図示する模式図である。 図６Ｃはワインボトルケースの構成に配置された一対のコア部材の上部断面図である。 図６Ｄは互いにかみ合う構成となるように取付けられた一対のコア部材の上部断面図である。 図６Ｅは互いに接着された一対のコア部材の上部断面図である。 図６Ｆは溶接によって互いに取付けられた一対のコア部材の上部断面図である。 図６Ｇは接合によって互いに取付けられた一対のコア部材の上部断面図である。 図６Ｈはろう付けによって互いに取付けられた一対のコア部材の上部断面図である。 図６Ｉは適応型構造コアの一実施形態でのコアセルのブロック図である。 図７は適応型構造コアの一実施形態に結合されたアクチュエータ制御システムを図解する模式図である。 図８は１２５ｐｓｉ（ポンド／平方インチ）での第１アクチュエータの差分加圧に対する１０ｐｓｉ以下での第２アクチュエータの加圧から、剛性が１３．９Ｎ／ｍｍとなることを図解している。 図９は１２５ｐｓｉでの第１アクチュエータの差分加圧に対する１２５ｐｓｉでの第２アクチュエータの加圧から、剛性が１９．４Ｎ／ｍｍとなることを図解している。 図１０は適応型構造コアが部品となっているモーフィングパネル構造の実施態様の微分面内ねじり変形能を図解する線図である。 図１１は適応型構造コアが部品となっているモーフィングパネル構造の実施態様の微分面内せん断変形能を図解する線図である。 図１２は適応型構造パネルの実施態様を利用する航空機の外板を伴う典型的な航空機の斜視図である。 図１３は有効なセミスパンねじり剛性、ＧＪを、有効な航空機の外板弾性モジュール及び航空機外板厚みの関数としてプロットした輪郭線を示している。 図１４は適応型構造コアの実施方法のフロー図である。 図１４Ａはモーフィングパネル構造の構造コアの適応方法のフロー図である。 図１５はモーフィングパネル構造の斜視図である。 図１６は図１５に示したモーフィングパネル構造に好適な適応型構造コアの部分断面斜視図である。 図１７は図１６に示した適応型構造コアのコアセルに設けたマッキベン型アクチュエータによる適応型構造コアの斜視図である。 図１８は航空機の製造及び保守の方法のフロー図である。 図１９は航空機のブロック図である。

以下の詳細な説明は本来的に単なる典型例であって、記載した実施形態又は記載した実施形態の応用及び使用を制限することを意図していない。本明細書で使用されているように、「典型的な」又は「例示的な」という用語は、「一例として、事例、又は例示」を意味する。本明細書に「典型的な」又は「例示的な」と記載されている任意の実装は、他の実装に対して好ましい又は有利と解釈しなければならないわけではない。以下に記載するすべての実装は、当業者が本発明を実施することを可能にするために提供される典型的な実装であって、添付の請求項の範囲を限定することを意図していない。さらに、先行する技術分野、背景、概要又は以下の詳細な説明で明示的又は暗示的に提示されている任意の理論によって拘束されることを意図していない。

はじめに図１から７を参照して、モーフィングパネル構造のための適応型構造コア（以下適応型構造コア）の例示的な実施形態は、一般的に参照番号１で示される。図１に示したように、幾つかの応用では適応型構造コア１はモーフィングパネル構造２８の一部となることがある。本明細書に記載されるように、適応型構造コア１はモーフィングパネル構造２８に剛性を付与するため又はその形状を変えるために適応することができる。適応型構造コア１の上に少なくとも１つの複合表面材２９を提供することができる。幾つかの実施形態では、図１に示したように、適応型構造コア１を一対の複合表面材２９の間に挟み込むことができる。モーフィングパネル構造２８は各種の応用に適することがある。幾つかの応用では、モーフィングパネル構造２８を、航空機９４の主翼外板４０（図１９）の一部とすることができる。モーフィングパネル構造２８は、例えば限定するものではないが、ウィングレット、ベイドア、サイズ可変式コンパートメント、安定板、操縦翼面及びタービン吸気口、排気口ノズルなどの他の応用、さらには航空機以外の応用にも適することがある。

図２及び３に示したように、適応型構造コア１は、例えば限定しないが、金属又は複合材料で構成されている複数のコア部材３を含むことができる。幾つかの実施形態では、適応型構造コア１はコア部材３がコア部材接合部５（図３）で交差するクモの巣状の構成で構築することができる。図６Ａ及び６Ｂに示したように、適応型構造コア１は、ひし形配列４２ａ（図６Ａ）又は平行四辺形配列４２ｂ（図６ｂ）の平面的繰り返しユニット構造４２を含むことができる。それぞれセル空間６を有する複数のコアセル２は、交差するコア部材３の間で定義することができる。コア部材３は、コアセル２のそれぞれのコア空間６に面するコア壁４を有することができる。

コア部材３は、一連の積層又は織込構造で作られること、又は細長い断片方向に沿って狭い周期的な配置で結合される一連の拡張された細長い断片として作られることがある。図６Ｃに示したように、幾つかの実施形態では、コア部材３は「ワインケースパーティション」４４（垂直に挟み込まれた細長い断片）として構成されることがある。コア部材３は、かみ合わせること４６（図６Ｄ）、接着すること４７（図６Ｅ）、溶接すること４８（図６Ｆ）、ろう付けすること４９（図６Ｇ）、及び／又は他の方法で互いに取付けることができる。適応型構造コア１は、例えば限定しないが、機械加工、レーザー切断、ウォータージェット切断、ＥＤＭ又はエッチングによって、例えば限定しないが、金属合金又は複合材料から一体部品又は組立可能な部品として、作成することができる。複合コア部材３に関しては、レーザー切断又はウォータージェット切断を使用して細長い断片又はコア一体部品として切断することができる。小型のコアウェブ又はコア構造の組立可能部品を作成するために、既存の多層織り上げ技術及び樹脂注入技術を様々に使用することができる。

図２及び図６Ｉに示したように、幾つかの実施形態では、アクチュエータ１２、１２ａ及び／又は電気配線又は他の機能コンポーネント（図示せず）のコア部材３への取付けを容易にし、これらのコンポーネントと適合型構造コア１とを機械的に接続するため、アクチュエータ取付け位置８をコア部材３の中に設けることができる。幾つかの実施形態では、アクチュエータ取付け位置８は、図２に示したようにコア部材３に設けた開口部であってもよい。幾つかの実施形態では、第１アクチュエータ１２は、各コアセル２のセル空間６内の第１の対角線方向に向けることができる。第２アクチュエータ１２ａは、第１アクチュエータ１２に対して交差する関係にある各コアセル２のセル空間６内の第２の対角線方向に向けることができる。他の実施形態では、アクチュエータ１２、１２ａに対して代替的な方向づけが可能である。

幾つかの実施形態では、アクチュエータ１２、１２ａは、限定しないが、形状記憶ニッケルチタン（ＮｉＴｉ）合金ワイヤ、磁歪鉄ガリウム合金ロッド、小型化した空気圧式又は油圧式マッキベン型アクチュエータ、小型超音波圧電型モーター又は電歪ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）高分子ストリップであってもよい。各アクチュエータ１２、１２ａは制御力／原動力信号に関して離散的又は連続的であってもよい。構成を支援し、複雑な制御を軽減し、質量と体積を低減するため、アクチュエータ１２、１２ａは、適応型構造コア１の多数のコアセル２にわたって連続的であってもよい。例えば限定しないが、アクチュエータ取付け位置８（図２）は、アクチュエータ挿入、センサー又は電子部品の配線用の適応型構造コア１のせん断強度に影響を及ぼすことなく、コア部材３に沿ったノードの位置又は他の位置に設けられた孔又は間隙であってもよい。幾つかの実施形態では、機械的な接続が適応型構造コア１で行われるが、各アクチュエータ１２、１２ａのチューブ（図示せず）がアクチュエータ取付け位置を経由して連続するように、マッキベン型アクチュエータ１２をコアノード５のアクチュエータ取付け位置８に組み込むことができる。これにより、アクチュエータ１２、１２ａは液体を移動することができる。空気圧式又は油圧式マッキベン型アクチュエータ１２、１２ａ又は非油圧式アクチュエータ１２、１２ａは、例えば限定しないが、単一の列（すなわちアクチュエータ方向）、複数の列で多数のコアセル２に沿って流体的に連続、又は適応型構造コア１の行と列の間で連続であってもよい（いずれもアクチュエータ方向）。これにより、流体バルブ（図示せず）及び分配マニホールド（図示せず）の遠隔操作が可能になる。アクチュエータ１２、１２ａ及び／又は他のコンポーネントを取付けた後、モーフィングパネル構造２８（図１）を製造するため、接合、溶接、ろう付け及び／又は他の代替技術によって複合表面板２９を適応型構造コア１に取付けることができる。

アクチュエータ１２、１２ａは、ガスあるいは非圧縮性又は略非圧縮性の油圧作動流体によって作動させることができる。幾つかの実施形態では、歪みセンサー（図示せず）をモーフィングパネル構造２８（図１）の複合表面板２９に組み込むことができる。歪みセンサーはアクチュエータ制御システム２０（図７）の制御ソフトウェアにフィードバックすることが可能で、又バルブの制御及び油圧制御アクチュエータへの注入に使用することができる。

アクチュエータ１２、１２ａは、剛性、変位、質量、制御許可エネルギー、製造の容易さなどの様々な性能値を最適化するように、適応型構造コア１のコアセル２の中に分布させることができる。図７に示したように、幾つかの実施形態では、遠隔アクチュエータ制御システム２０はアクチュエータ１２、１２ａ（図６）のそれぞれに接続することができる。アクチュエータ制御システム２０からの接続を適切に設計することにより、アクチュエータ１２、１２ａの微分制御が可能になる。この微分制御は、異なる方向でのアクチュエータ１２、１２ａの操作、空間領域（内側対外側翼位置、又は後縁対前縁翼位置）又はアクチュエータの状態の違いを含むことができる。アクチュエータ１２、１２ａをコアセル２内の異なる方向に接続して操作した場合、図４に示したように、協調的構成を実現してコアセル２の形状を変えることができる。この図では、コアセル２の元の形状は仮想線で示され、変化した形状は実線で示されている。別の態様では、アクチュエータ１２、１２ａを拮抗的な構成で操作して、図５に示したようにコアセル２を強化することができる。図４に示したようにアクチュエータ１２、１２ａを拮抗的な構成で操作した場合には、コアセル２の形状を同じ状態に保ったまま、各コアセル２のコア部材３を強化することができる。

図６には、各コアセル２内のアクチュエータ１２、１２ａによる適応型構造コア１の例示的な実施形態で、各コアセル２に与えられる応力１４及び歪み１５の模式図を示す。コアセル２は、適応型構造コア１のコンプライアンス方向１４、１５を強化する位置にアクチュエータ１２、１２ａが取付けられるように設計することができる。図４に示すように、アクチュエータ１２、１２ａを異なる方向で協調的な方法５４（例えば、押込み−引張り５４）で動作させた場合には、変形機構１４、１５によりコアセル２及び適応型構造コア１を変形させることができる。逆に、図５に示すように、アクチュエータ１２、１２ａを拮抗的な方法５５（例えば、引張り−引張り５５）で動作させた場合には、変形機構１４、１５はアクチュエータ１２、１２ａの競合的動作により遮断され、適応型構造コア１を強化する。

ひし形４２ａ（図６Ａ）又は平行四辺形４２ｂ（図６Ｂ）を形成する４個の静的圧縮部材（Ｃ４）及び対角線上で平行四辺形と交差する２個の張力作動部材（Ｔ２）による、拮抗的に作動するコアユニットセル形状の幾何学的定義は、以下の方程式１及び方程式２によって表すことができる。テンセグリティの命名法では、この構造はＣ４Ｔ２として知られている。他のテンセグリティ形状が平面的アクチュエーションスキームに適することもある。方程式１は、アクチュエータの設計変数に従い、各アクチュエータ１２、１２ａによって生成される断面積で正規化された力を表わす応力方程式である。方程式２は、コア設計変数に基づく１方向の運動学的歪みを表わす。
方程式１：σ_{ＭｃＫｉｂｂｅｎ，１}＝（Ｐ＋δＰ）［３／ｔａｎ^２（α_１０）（１−κε）^２−１／ｓｉｎ^２（α_１０）］
方程式２：ε_１＝ΔＬ_１／Ｌ_１０＝２ｓ［ｓｉｎ（π／４−Δθ_{ｄｅｓｉｇｎ}／２＋δθ）−ｓｉｎ（π／４−Δθ_{ｄｅｓｉｇｎ}／２）］／２ｓ ｓｉｎ（π／４−Δθ_{ｄｅｓｉｇｎ}／２）

上述の方程式１及び方程式２に基づくと、アクチュエータ１２、１２ａ及びコアセル２の歪み及び応力を使用して、アクチュエータ及び拮抗的構成の剛性を計算することができる。所定の入力δ、Ｐ及びδＰに対して、アクチュエータ１２、１２ａがコアセル２に及ぼす応力と歪みを計算することができる。アクチュエータ１２、１２ａをコアセル２内に配置した場合には、アクチュエータ１２、１２ａによって生成される歪み１４と応力１５の運動学的関係を使用して、以下の方程式３に従ってアクチュエータ１２、１２ａの様々な圧力レベルでコアセル２が角度摂動に曝露される場合、歪み１５に対する応力１４の比率である実効作動係数を計算することができる。
方程式３：Ｅ_{ＭｃＫｉｂｂｅｎ，１}＝σ_{ＭｃＫｉｂｂｅｎ，１}／ε_１，Ｅ_{ＭｃＫｉｂｂｅｎ，２}＝σ_{ＭｃＫｉｂｂｅｎ，２}／ε_２

コア剛性の追加損失がない場合には、平行に寄与している２つのアクチュエータ１２、１２ａによって拮抗的作動設定の実効係数を決定することができる。したがって、アクチュエータ１２、１２ａによる総実効係数は方程式４によって表わすことができる。
方程式４：Ｅ_{ａｃｔｕａｔｏｒ}＝Ｅ_{ＭｃＫｉｂｂｅｎ，１}＋Ｅ_{ＭｃＫｉｂｂｅｎ，２}

コアセル２のコア部材３には事前負荷によって張力を与えることができる。協調的な作動中には、アクチュエータ１２、１２ａのいずれか一方の収縮（したがって、圧力の増加、＋δＰ）の後には、アクチュエータ１２、１２ａの他方の伸張（わずかな減圧、−δＰ）が伴うことがある。したがって、マッキベン型アクチュエータ１２、１２ａのそれぞれの剛性は同時作動中に変化することがあるが、剛性の変化は互いに補償し合い、実効剛性は所定のバイアス圧力Ｐで比較的一定に保たれる。但し、所定のバイアス圧力Ｐに対して剛性をわずかに高めるためには、アクチュエータ１２、１２ａの双方の圧力を＋δＰだけ高めて、既存の位置を維持することができる。これによって、アクチュエータ１２、１２ａがコア部材に取付けられるノード５を運動学的にロックし、２δＰ／Ｐに比例する既存のアクチュエータ剛性を高めることができる。

幾つかの応用では、適応型構造コア１は、主翼の外板及び航空機の他の表面の製造に使用されるモーフィングパネル構造２８（図１）の一部であってもよい。モーフィングパネル構造２８のコンプライアンス方向（又は機構）を強化するような方法で、アクチュエータ１２、１２ａを適応型構造コア１のコアセル２に取付けることができる。したがって、図４に示すように、アクチュエータ１２、１２ａを協調的な方法５４（例えば、押込み−引張り５４）で動作させた場合には、実線及び仮想線で示したコアセル２の差によって示されているように、各コアセル２及び適応型構造コア１は形状を変えることができる。これは、飛行前後又は飛行中の航空機の主翼又はその他の表面における好適な形態額的な変化を引き起こすことがある。図５に示すように、アクチュエータ１２、１２ａを拮抗的な方法５５（引張り−引張り５５）で動作させた場合には、変形機構１４、１５はアクチュエータ１２、１２ａの競合的動作により遮断され、コア部材３に自己応力を引き起こし、適応型構造コア１及び飛行前後又は飛行中の航空機の主翼又はその他の表面を強化する。適応型構造コア１がその一部となっているモーフィングパネル構造２８は、調整済みの基礎構造、アクチュエーションスキーム、感覚フィードバック及び航空機の主翼を可逆的かつ制御可能に好適な形状に変形する制御システムと併せて使用可能である。幾つかの応用では、アクチュエータ１２、１２ａを所定の位置に固定すること及びアクチュエータ１２、１２ａに油圧を供給する油圧ポンプを止めることによって、モーフィングパネル構造１を変形した形状に保つことが可能である。幾つかの応用では、油圧ポンプを動作させたままにして、アクチュエータ１２、１２ａへの油圧の印加を維持することができる。適応型構造コア１は、例えば限定するものではないが、ウィングレット、フラップ、ベイドア、シール、サイズ可変式コンパートメント、タービン吸気口及び排気口ノズルなどを含む他の様々な航空宇宙応用、さらには航空宇宙以外の応用にも適することがある。

適応型構造コア１の利点により、空力安定性に要求される剛性、及び構造変位の制御に必要なエネルギーの低減（結果的にアクチュエータの作動及び電源質量の低減）に対応できることができる。航空機のモーフィングは飛行制御、耐久時間を向上させ、飛行時の多目的な応用を促進することができる。

適応型構造コア１の厚み１７（図１）は、モーフィングパネル構造２８の全体的な厚み１８の相当な割合を占めることがあり、サンドイッチパネル表面板２９の厚み１９の１〜１０倍、一般的には０．０２〜４インチの間の値となることがある。組み込まれたアクチュエータ１２は、直径又は厚み１３（図４）が０．０１〜１インチの間の値となり、長さ１３ａ（図５）は各コアセル２の内側に適合するよう十分に短くてもよい。幾つかの応用では、適応型構造コア１は０．１０インチで、アクチュエータ１２、１２ａは直径１３が０．０４インチであってもよい。モーフィング翼応用に関しては、航空機外板の質量と厚みはコンポーネント（例えば主翼）全体の厚みのほんのわずかとなることがある。本明細書で既に述べたように、十分な形状忠実性を実現できる十分な限界内にあるのであれば、セルの大きさ及びコアの繰り返しユニットの距離はコアの厚みと同程度であってもよい。

図８及び９は、拮抗的なアクチュエータ１２、１２ａを有する適応型構造コア１の拡大したユニットセル２と関連する剛性定数（剛性＝Δ力５８／Δ変位５９）を示している。図８は、１２５ｐｓｉ（ポンド／平方インチ）での第１アクチュエータ１２の差分加圧６１に対する１０ｐｓｉ以下での第２アクチュエータ１２ａの加圧６２を示す直線グラフ６０で、剛性は１３．９Ｎ／ｍｍとなる。図９は、１２５ｐｓｉでの第１アクチュエータ１２の差分加圧６５に対する１２５ｐｓｉでの第２アクチュエータ１２ａの加圧６６を示す直線グラフ６４で、剛性は１９．４Ｎ／ｍｍとなる。

次に図１０及び１１を参照すると、適応型構造コア１の例示的な実施形態による実装での、モーフィングパネル構造２８の面内での変形能力を示している。図１０はモーフィングパネル構造２８の微分面内での大域的なねじり変形能力６８を示している。構造２８のコンプライアンス軸をスパン軸７０に対して正（反時計回り）の角度７１及び負（時計回り）の角度７２に方向づけし、閉じられた全体の形状７３の周りの時計回りの角度７２に対する反時計回りの角度７１の微分変形によって、可逆的せん断変形の設計は、閉じられた翼の形状で主翼のねじりを可能にする。この形状の変化により、結果的に図１０に示したような軸７０の周りのねじりが可能になる。図１１は構造２８の微分面内せん断変形能力７６を示す。構造２８の上面７７と底面７８との間で微分変形７６が対称に発生する場合、スイープの変化７９とこれに対応する翼弦と翼幅での部分的な変化が発生することがある。プラットフォームでのアスペクト比（翼弦／キャンバの変化又は面積の変化）は、上述の微分変形を面積変化平面８０に対して鏡面対称にすることで、せん断変形設計７６によって達成される。

図１２及び１３を参照すると、幾つかの応用では適応型構造コア１は航空機２４の主翼外板２５に使用することができる。図１３は、図１２の適応型構造コア１を利用する主翼外板２５の実効外板係数及び外板厚み８４の関数とした、実効セミスパンねじり剛性、ＧＪ（図１３の参照番号８３）の輪郭のプロット８２である。研究応用の要件は５９４Ｐａ−ｍ^４である。適応型構造コア１で拮抗的作動８６を有する航空機外板のサンドイッチパネル構造８５のねじり特性を合成することによって、主翼外板でのねじり剛性８３が満たされることがある。

適応型構造コア１は、各コアセル２の内部に２つのアクチュエータ１２、１２ａを有するひし形配列のコアセル２にコア部材３を組み込むことによって製造することができる。液分配マニホールドを取付けると、空気圧式又は油圧式システムを用いることにより、両方向のアクチュエータ１２、１２ａに加圧することができる。独立な平面自由度の数は、形成される独立な空気圧式又は油圧式回路の数に直接左右されることがある。幾つかの応用では、せん断アクチュエーション制御又は剛性向上に必要となる拮抗的アクチュエーションモードを使用するためには、少なくとも２個の独立な空気圧式又は油圧式回路が必要となることがある。空間的な自由度が異なる場合には、２個以上の独立な空気圧式又は油圧式回路で信頼性、冗長性、平面領域を付け加えることができるが、より高機能な（かつ容積の大きい）ハードウェア及びソフトウェアが必要になることがある。２つの空気圧式又は油圧式回路が加圧されており、せん断変形が好適な場合には、一方のアクチュエータをわずかに減圧しながら、他方のアクチュエータをわずかに加圧することによって、協調的なアクチュエーションを実現することができる。補剛効果を高めるためには、アクチュエータ１２、１２ａはどちらも個別に加圧することはできないが、せん断変位や変形が起こらないようそれぞれの圧力を維持又は高めることができる。これによりコア部材３条に付加的な圧力を印加し、適応型構造コア１の強度及び剛性を高めることができる。この拮抗的な操作形態は、ひし形の繰り返しユニットコアセル２を締めつけることができる。センサー（図示せず）はせん断変形、締め付け操作を実証し、ソフトウェア制御システムにフィードバック信号を供給しなければならないことがある。

２つの異なるアクチュエータ制御信号回路はコア部材３に接続することができるが、動作しているときには、コアセル２は統計学的に予測できない（すべてのコア部材に自己応力状態が存在する）。制御信号は、マニホールド及びバルブ又はコア部材３に結合された柔軟な電子回路などの電線用導管又は流体導管によって提供することができる。センサーは圧力センサー、ロードセル、変位センサー又は角度センサー、リニアポテンショメータ又は角度ポテンショメータであってもよい。

次に図１４を参照すると、適応型構造コア方法の例示的な実施形態のフロー図１４００が示されている。ブロック１４０２では、コア部材３が準備される。ブロック１４０４では、コア部材３を繰り返しパターンで配置することにより、適応型構造コア１が形成される。ブロック１４０６では、コア部材３の上にアクチュエータ取付け位置８が設けられる。ブロック１４０８では、アクチュエータ１２、１２ａが準備される。ブロック１４１０では、コア部材３の上にアクチュエータ取付け位置８にアクチュエータ１２、１２ａが取付けられる。ブロック１４１２では、適応型構造コア１の上に少なくとも１つの複合表面板２９が設けられる。ブロック１４１４では、幾つかの応用で協調的な方法５４によりアクチュエータ１２を操作することでコア１の形状を変えることができる。ブロック１４１６では、幾つかの応用で拮抗的な方法５５によりアクチュエータ１２、１２ａを操作することでコア１を強化することができる。幾つかの航空宇宙応用では、航空機のオペレータは、コア１を利用する主翼外板２５（図１２）にモーフィング形状を選択することができる。航空機のオペレータは、図４に関して既に述べたように、コア１の各コアセル２のアクチュエータ１２、１２ａを操作して各コアセル２の形状を変えることができる。コア１は主翼外板２５の形状を変更又は変形することができる。主翼外板２５に対して選択した形状が航空機のオペレータによって選択された形状と一致するかどうかを確認するため、航空機のオペレータに対して準備を行うことができる。

次に図１４Ａを参照すると、モーフィングパネル構造の構造コアを適応する方法を図解するフロー図１４００ａが示されている。ブロック１４０２ａでは、交差するコア部材３とコア部材３によって規定されるコアセル２とを有する適応型構造コア１を設定することができる。ブロック１４０４ａでは、コアセル２に少なくとも１つのアクチュエータ１２、１２ａを設定することができる。幾つかの実施形態では、一対のアクチュエータ１２、１２ａを各コアセル２内で互いに対角する及び交差する関係で設定することができる。ブロック１４０６ａでは、アクチュエータ１２、１２ａはコア部材３に取付けることができる。ブロック１４０８ａでは、アクチュエータ１２、１２ａの作動５４、５５によって、構造コア１を適応することができる。アクチュエータ１２、１２ａを拮抗的な方法５５で作動させて、コアセル２を強化することができる。アクチュエータ１２、１２ａを協調的な方法５４で作動させて、コアセル２の形状を変えることができる。

次に図１５〜１７を参照するに、例示的なモーフィングパネル構造３１を図１５に示す。モーフィングパネル構造３１は、図１６に示す適応型構造コア３４を含むことができる。適応型構造コア３４は、コアセル３６の複数の行及び列を定義するように交差するコア部材３５のネットワークを含むことができる。適応型構造コア３４は、フレーム取付け開口部３３に適合するコアフレーム３２に取付けることが可能で、ボルト又は他の留め具（図示せず）を使用する構造（図示せず）へのコアフレーム３２の取付けを容易にすることができる。２組のマッキベン型アクチュエータ３７は、互いに交差する関係にある適応型構造コア３４の各コアセル３６を介して、対角線上に伸びることができる。幾つかの実施形態では、各マッキベン型アクチュエータ３７は、図１７に示すように、複数のコアセル３６に連続的に交差してもよい。図１５に示すように、適応型構造コア３４の少なくとも１つの表面に複合表面板３８を設けてもよい。幾つかの実施形態では、適応型構造コア３４の対向する面上に設けた一対の複合表面板３８の間に適応型構造コア３４を挟み込むことができる。

次に図１８及び１９を参照して、本発明の実施形態は、図１８に示す航空機の製造及び保守方法７８及び図１９に示す航空機９４との関連で使用することができる。製造前の段階では、典型的な方法７８は、航空機９４の仕様及び設計８０と、材料の調達８２とを含むことができる。製造段階では、航空機９４のコンポーネント及びサブアセンブリの製造８４及びシステムインテグレーション８６が行われる。その後、航空機９４は認可及び納品８８を経て運航９０される。顧客により運航される間に、航空機９４は定期的な整備及び保守９２（改造、再構成、改修なども含みうる）を受けることができる。

方法７８の各プロセスは、システムインテグレーター、第三者、及び／又はオペレータ（例えば、顧客）によって実施又は実行されうる。この説明の目的のために、システムインテグレーターは、限定しないが、任意の数の航空機製造者、及び主要システムの下請業者を含むことができ、第三者は、限定しないが、任意の数のベンダー、下請業者、及び供給業者を含むことができ、オペレータは、航空会社、リース会社、軍事団体、サービス機関などでありうる。

図１９に示したように、典型的な方法７８によって製造される航空機９４は、複数のシステム９６及び内装１００を有する機体９８を含むことができる。高水準のシステム９６の例は、一又は複数の推進システム１０２、電気システム１０４、油圧システム１０６、及び環境システム１０８を含む。任意の数の他のシステムを含み得る。航空宇宙の例を示しているが、本発明の原理は自動車産業などの他の産業に応用することができる。主翼外板４０は機体９８の上に設けることができる。少なくとも１つのモーフィングパネル構造２８を主翼外板４０に組み込むことができる。

本明細書に記載した態様の装置は、製造及び保守７８の任意の一又は複数の段階で使用されることがある。例えば、製造プロセス８４に対応するコンポーネント又はサブアセンブリは、航空機９４の運航中に製造されるコンポーネント又はサブアセンブリと同様の方法で組立又は製造することができる。また、製造段階８４及び８６の間に、例えば、航空機９４の組立を大幅に促進する又はコストを削減することによって、一又は複数の装置の実施形態を利用することができる。同様に、航空機９４の運航中に、例えば限定しないが、整備及び保守９２を行うために一又は複数の装置の実施形態を利用することができる。

本発明の実施形態は特定の典型的な実施形態について記述されているが、当業者は他の変形に想到することができるため、該特定の実施形態は説明を目的としたものであって限定するものではないと理解すべきである。

Claims (15)

1. 繰り返しパターンで配置された複数のコア部材と；
   前記複数のコア部材上に設けられた複数のアクチュエータ取付け位置と；
   前記複数のアクチュエータ取付け位置と係合する少なくとも１つのアクチュエータと
   を含むモーフィングパネル構造のための適応型構造コア。
2. 前記複数のコア部材が平面的な繰り返しパターンで配置されている、請求項１に記載の適応型構造コア。
3. 前記繰り返しパターンがひし形パターンを含む、請求項２に記載の適応型構造コア。
4. 前記繰り返しパターンが平行四辺形パターンを含む、請求項２に記載の適応型構造コア。
5. 前記複数のコア部材が複数のセル壁を有する複数のコアセルを規定する、請求項１に記載の適応型構造コア。
6. 前記複数のアクチュエータ取付け位置が、前記コアセルの各々の前記複数のセル壁の対向する壁の上に設けられた一対のアクチュエータ取付け位置を含む、請求項５に記載の適応型構造コア。
7. 前記複数のアクチュエータ取付け位置の各々がアクチュエータ取付け開口部を含む、請求項６に記載の適応型構造コア。
8. 前記複数のコアセルの各々の前記複数のセル壁の対向する壁に取付けられた複数のアクチュエータをさらに含む、請求項５に記載の適応型構造コア。
9. 前記複数のアクチュエータの各々が協調的な方法で前記セル壁に力を及ぼすように構成された、請求項８に記載の適応型構造コア。
10. 前記複数のアクチュエータの各々が拮抗的な方法で前記セル壁に力を及ぼすように構成された、請求項８に記載の適応型構造コア。
11. 前記複数のコア部材が複数の金属コア部材又は複合コア部材を含む、請求項１に記載の適応型構造コア。
12. 複数のコア部材を提供するステップと；
    前記複数のコア部材を繰り返しパターンで配置するステップと；
    前記複数のコア部材上に複数のアクチュエータ取付け位置を設けるステップと
    を含む適応型構造コアの方法。
13. 前記複数のコア部材を繰り返しパターンで配置する前記ステップが、複数のセル壁を有する複数のコアセルに前記複数のコア部材を配置するステップを含み、又、前記複数のコア部材上に複数のアクチュエータ取付け位置を設ける前記ステップが、前記複数のセル壁の対向する壁に取付け位置を設けるステップを含む、請求項１２に記載の方法。
14. 前記複数のコアセルの各々に一対のアクチュエータを設けるステップと、前記取付け位置に前記一対のアクチュエータを取付けるステップとをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
15. 前記複数のコア部材上に少なくとも１つの複合表面板をさらに含む、請求項１２に記載の方法。

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