一種變剛度機翼蒙皮的製作方法

2023-04-28 02:30:41 1

專利名稱：一種變剛度機翼蒙皮的製作方法
技術領域：
本發明屬於航空航天技術領域，具體涉及一種變剛度機翼蒙皮。
背景技術：
機翼是飛行器在飛行中可重新構型的主要部件之一，在飛行過程中有目的地改變 機翼外形可以有效地提高機翼的飛行性能。傳統的飛機通過機械裝置採用改變機翼外形 (如前緣縫翼、後緣襟翼、變後掠角、變翼型彎度或變展長)的辦法以適應起降、巡航和高度 飛行等不同的飛行狀態，力求獲得比較理想的性能。由於機翼上採用的機械裝置和剛性結 構複雜笨重，使其功能受限、效率較低，難以適應較廣範圍飛行條件的變化。可變形飛行器可以根據外界的飛行環境來改變自身的氣動布局，達到飛行性能最 優的目的。可變形飛行器設計中最為重要的是機翼蒙皮的設計。機翼要實現其弦長、展長、 後掠角和面積等的大幅度變化，蒙皮必須能夠承受足夠大的變形，且在變形過程中要有足 夠的剛度來維持機翼的氣動外形，同時在變形過程中蒙皮材料的剪切模量要儘可能的小以 減少驅動器對能量的要求。可見，可變形飛行器的蒙皮既要具有承受和傳遞氣動載荷的能 力，又要滿足大變形的要求。近年來，隨著智能材料和複合材料的出現和迅猛發展，為可變形飛行器的發展提 供了良好的材料基礎。同時，國防現代化對高新武器的需求也對智能變形飛行器的研究起 了推動作用。目前，變形機翼研究中最為主要的一種蒙皮採用了柔性和彈性比較大的橡膠 類材料，這種蒙皮雖然滿足了機翼變形和氣密性要求，但承載和變形驅動則完全由機翼內 部機構實現，由於橡膠類材料的蒙皮承受氣動載荷的能力差，所以機翼的整體承載能力低。

發明內容
本發明的目的是為了解決現有的橡膠類材料蒙皮承受氣動載荷的能力差，機翼 的整體承載能力低的問題，進而提供了一種變剛度機翼蒙皮。本發明的技術方案是本發明包括矽橡膠蒙皮基體、多根變剛度增強管和多個變 剛度增強管控制閥，所述每根變剛度增強管由內襯管和複合材料外套管組成，複合材料外 套管包裹在內襯管的外表面上，它還包括多個芯管控制閥，所述多根變剛度增強管矩陣排 列並鑲嵌在矽橡膠蒙皮基體內，每根變剛度增強管的軸線方向均與矽橡膠蒙皮基體的長度 方向平行，每個變剛度增強管控制閥設置在矽橡膠蒙皮基體的外表面上且與相應的變剛度 增強管的內腔連通，每根變剛度增強管的兩端均為封閉的，每個芯管控制閥設置在矽橡膠 蒙皮基體的外表面上且與相應的變剛度增強管中的芯管的內腔連通。本發明具有以下有益效果本發明的蒙皮結構改善了傳統機翼機構複雜、功能受 限、效率較低，難以適應較廣範圍飛行條件變化的劣勢，改善了單純以橡膠為蒙皮材料帶來 的機翼整體承載能力低的缺點，本發明的蒙皮承受氣動載荷能力強，機翼整體承載能力提 高10倍以上，且滿足了蒙皮結構大變形的要求。本發明蒙皮變剛度前後保持了蒙皮表層的 光滑性和連續性，變剛度過程中對驅動能的要求低。本發明可根據外界載荷的變化，蒙皮結構局部或整體地改變其本身的剛度，使機翼快速有效地達到最佳飛行狀態。


圖1是本發明的整體結構示意圖；圖2是本發明的整體外觀示意圖；圖3是本發明 的變剛度增強管的結構示意圖；圖4是本發明變剛度增強管的複合材料外套管的結構示意 圖；圖5是本發明中具有矽橡膠空心球鏈的複合材料外套管的外觀示意圖；圖6是本發明 中的矽橡膠空心球鏈的結構示意圖；圖7是本發明中具有次變剛度增強管的複合材料外套 管的外觀示意圖。
具體實施例方式具體實施方式
一結合圖1至圖7說明本實施方式的一種變剛度機翼蒙皮，本實施 方式包括矽橡膠蒙皮基體1、多根變剛度增強管2和多個變剛度增強管控制閥3，所述每根 變剛度增強管2由內襯管6和複合材料外套管7組成，複合材料外套管7包裹在內襯管6 的外表面上，它還包括多個芯管控制閥4，所述多根變剛度增強管2矩陣排列並鑲嵌在矽橡 膠蒙皮基體1內，每根變剛度增強管2的軸線方向均與矽橡膠蒙皮基體1的長度方向平行， 每個變剛度增強管控制閥3設置在矽橡膠蒙皮基體1的外表面上且與相應的變剛度增強管 2的內腔連通，每根變剛度增強管2的兩端均為封閉的，每個芯管控制閥4設置在矽橡膠蒙 皮基體1的外表面上且與相應的變剛度增強管2中的芯管的內腔連通。本發明的矩陣排列 的多根變剛度增強管2可以根據外界載荷的變化局部或者整體地改變其本身的剛度，使機 翼快速有效地達到最佳飛行狀態，靈活性得以提高。
具體實施方式
二 結合圖4、圖5和圖7說明本實施方式的一種變剛度機翼蒙皮， 本實施方式的複合材料外套管7由纖維增強層8和多根芯管組成，多根芯管沿軸向均布並 鑲嵌在呈管狀的纖維增強層8內。本實施方式的其它組成及連接關係與具體實施方式
一相 同。
具體實施方式
三結合圖4、圖5和圖7說明本實施方式的一種變剛度機翼蒙皮， 本實施方式的纖維增強層8由增強相纖維材料和基體相材料製成，增強相纖維材料的纖維 纏繞角α為0° 90°，增強相纖維材料佔纖維增強層8總體積的20% 60%。此體積比 使變剛度增強管2的剛度和氣密性更好，所述纖維增強層8由增強相纖維和基體相材料溶 液通過溼法繞制纏繞而成。本實施方式的其它組成及連接關係與具體實施方式
一或二相 同。
具體實施方式
四本實施方式的一種變剛度機翼蒙皮，所述增強相纖維材料的纖 維纏繞角α為10° 40°。此夾角優選值可使變剛度增強管2的剛度更好。本實施方式 的其它組成及連接關係與具體實施方式
一、二或三相同。
具體實施方式
五本實施方式的一種變剛度機翼蒙皮，所述增強相纖維材料為碳 纖維、玻璃纖維、Kevlar纖維、硼纖維、石墨纖維或碳化矽纖維其中的一種。本實施方式的 其它組成及連接關係與具體實施方式
一、二、三或四相同。
具體實施方式
六結合圖3至圖6說明本實施方式的一種變剛度機翼蒙皮，所述芯 管為矽橡膠空心球鏈9，所述矽橡膠空心球鏈9由N個矽橡膠空心球9-1和N + 1個矽橡膠 空心圓管9-2沿軸線交錯連接並相通，每兩個矽橡膠空心圓管9-2之間設有一個矽橡膠空心球9-1，每條矽橡膠空心球鏈9的兩端均封閉，所述N為自然數，2彡N彡20，所述纖維增 強層8的基體相材料和內襯管6的材料為矽橡膠或者乳膠。當芯管控制閥4打開的時候， 矽橡膠空心球鏈9剛度較小，在承受外力的時候容易變形，當芯管控制閥4關閉的時候，矽 橡膠空心球鏈9剛度有較大提高，承受外力的時候不容易變形。本實施方式的其它組成及 連接關係與具體實施方式
一、二、三、四或五相同。
具體實施方式
七結合圖3和圖7說明本實施方式的一種變剛度機翼蒙皮，所述 芯管為次變剛度增強管10，次變剛度增強管10由內襯管一 10-1和複合材料外套管一 10-2 組成，複合材料外套管一 10-2包裹在內襯管一 10-1的外表面上，所述纖維增強層8的基體 相材料為形狀記憶聚合物，複合材料外套管一 10-2、內襯管一 10-1和內襯管6由形狀記憶 聚合物材料製成。內襯管一 10-1和內襯管6選用SMP材料的優點是在其承受變形的基礎 上極好地保證了其內部流體的氣密性，達到了改變剛度的目的。形狀記憶聚合物(SMP)材 料具有一種特殊的記憶功能，當溫度高於形狀記憶聚合物玻璃化轉變溫度(Tg)時，形狀記 憶聚合物剛度較低，對形狀記憶聚合物施加外力，可以較容易地改變其形狀；在保持外力約 束條件下，當溫度降低至Tg以下20°C時，形狀記憶聚合物剛度升高，其形狀固定；當溫度 再次升高至Tg以上時，形狀記憶聚合物自動恢復到最原始的形狀，這也就是它的「記憶」功 能。本發明所採用的SMP材料具有應變量大(最大應變量能達到200%)、回復應力較大(回復 應力能達到IOMPa量級)、運動穩定性好、可靠性高、低密度、高剛度、高強度和低成本等優 點；選用SMP材料和增強相材料的纖維增強層8是具有各向異性的新型複合材料，當溫度較 高時，較低的彈性模量使變剛度增強管2在承受外載的時候更加容易變形；當溫度較低時， 較高的彈性模量可以限制變剛度增強管2的變形，使其能夠保持固定形狀。本實施方式的 其它組成及連接關係與具體實施方式
一、二、三、四、五或六相同。
具體實施方式
八本實施方式的形狀記憶聚合物材料為苯乙烯系形狀記憶聚合 物、環氧樹脂系形狀記憶聚合物、氰酸酯系形狀記憶聚合物、形狀記憶聚氨酯、形狀記憶聚 酯、形狀記憶苯乙烯_ 丁二烯共聚物、形狀記憶反式聚異戊二烯或形狀記憶聚降冰片烯其 中的一種。本實施方式的其它組成及連接關係與具體實施方式
一、二、三、四、五、六或七相 同。
具體實施方式
九本實施方式的工作流體為彈性模量介於IOOMPa IOOOOMPa之 間的液體。內襯管一 10-1和內襯管6內充滿工作流體，使變剛度增強管2的剛度更好。本 實施方式的其它組成及連接關係與具體實施方式
一至八任一相同。
具體實施方式
十本實施方式的工作流體為水或者乙醇。可降低成本。本實施方 式的其它組成及連接關係與具體實施方式
一至九任一相同。本發明的工作原理(參見圖1 圖7)本發明的工作流體填充在內襯管一 10-1和 內襯管6內，利用變剛度增強管2的高度各向異性和工作流體的高體積模量，通過變剛度增 強管控制閥3對進出變剛度增強管2的工作流體進行控制，實現變剛度增強管2剛度的改 變。當溫度高於形狀記憶聚合物玻璃化轉變溫度(Tg)，且變剛度增強管控制閥3打開時， 變剛度增強管2具有較低的剛度和較大的延展性，承受外力的時候，可以實現變剛度增強 管2隨矽橡膠蒙皮基體1的變形而改變形狀；當溫度低於形狀記憶聚合物玻璃化轉變溫度 (Tg)，且當變剛度增強管控制閥3關閉的時候，由於複合材料外套管7的變形引起工作流體 對體積變化的抵抗，使得變剛度增強管2的剛度能夠得到極大的增強，另一方面通過芯管
5控制閥4對進出矽橡膠空心球鏈9或次變剛度增強管10的工作流體進行控制，實現剛度的 改變。當芯管控制閥4打開的時候，矽橡膠空心球鏈9或次變剛度增強管10剛度較低，受外 力時變形量較大，當芯管控制閥4關閉的時候，矽橡膠空心球鏈9或次變剛度增強管10剛 度變大，承受外力時，在一定程度上可以減小其變形量。本發明通過變剛度增強管控制閥3 和芯管控制閥4以及溫度的共同作用，合理布置變剛度增強管2在矽橡膠蒙皮基體1中的 位置，達到變形機翼蒙皮局部或者整體剛度增強的目的。
權利要求
一種變剛度機翼蒙皮，它包括矽橡膠蒙皮基體(1)、多根變剛度增強管(2)和多個變剛度增強管控制閥(3)，所述每根變剛度增強管(2)由內襯管(6)和複合材料外套管(7)組成，複合材料外套管(7)包裹在內襯管(6)的外表面上，其特徵在於它還包括多個芯管控制閥(4)，所述多根變剛度增強管(2)矩陣排列並鑲嵌在矽橡膠蒙皮基體(1)內，每根變剛度增強管(2)的軸線方向均與矽橡膠蒙皮基體(1)的長度方向平行，每個變剛度增強管控制閥(3)設置在矽橡膠蒙皮基體(1)的外表面上且與相應的變剛度增強管(2) 的內腔連通，每根變剛度增強管(2)的兩端均為封閉的，每個芯管控制閥(4)設置在矽橡膠蒙皮基體(1)的外表面上且與相應的變剛度增強管(2)中的芯管的內腔連通。
2.根據權利要求1所述的一種變剛度機翼蒙皮，其特徵在於所述複合材料外套管(7) 由纖維增強層(8)和多根芯管組成，多根芯管沿軸向均布並鑲嵌在呈管狀的纖維增強層 (8)內。
3.根據權利要求2所述的一種變剛度機翼蒙皮，其特徵在於所述纖維增強層(8)由增 強相纖維材料和基體相材料製成，增強相纖維材料的纖維纏繞角(α)為0° 90°，增強 相纖維材料佔纖維增強層(8)總體積的20% 60%。
4.根據權利要求3所述的一種變剛度機翼蒙皮，其特徵在於所述增強相纖維材料的 纖維纏繞角(α )為10° 40°。
5.根據權利要求3或4所述的一種變剛度機翼蒙皮，其特徵在於所述增強相纖維材 料為碳纖維、玻璃纖維、Kevlar纖維、硼纖維、石墨纖維或碳化矽纖維其中的一種。
6.根據權利要求1、2、3或4所述的一種變剛度機翼蒙皮，其特徵在於所述芯管為矽 橡膠空心球鏈(9)，所述矽橡膠空心球鏈(9)由N個矽橡膠空心球(9-1)和N + 1個矽橡膠 空心圓管(9-2)沿軸線交錯連接並相通，每兩個矽橡膠空心圓管(9-2)之間設有一個矽橡 膠空心球(9-1)，每條矽橡膠空心球鏈(9)的兩端均封閉，所述N為自然數，2 < NS 20，所 述纖維增強層(8)的基體相材料和內襯管(6)的材料為矽橡膠或者乳膠。
7.根據權利要求1、2、3或4所述的一種變剛度機翼蒙皮，其特徵在於所述芯管為次 變剛度增強管(10)，次變剛度增強管(10)由內襯管一(10-1)和複合材料外套管一(10-2) 組成，複合材料外套管一(10-2)包裹在內襯管一(10-1)的外表面上，所述纖維增強層(8) 的基體相材料為形狀記憶聚合物，複合材料外套管一(10-2)、內襯管一(10-1)和內襯管 (6)由形狀記憶聚合物材料製成。
8.根據權利要求7所述的一種變剛度機翼蒙皮，其特徵在於所述形狀記憶聚合物材 料為苯乙烯系形狀記憶聚合物、環氧樹脂系形狀記憶聚合物、氰酸酯系形狀記憶聚合物、形 狀記憶聚氨酯、形狀記憶聚酯、形狀記憶苯乙烯_ 丁二烯共聚物、形狀記憶反式聚異戊二烯 或形狀記憶聚降冰片烯其中的一種。
全文摘要
一種變剛度機翼蒙皮，屬於航空航天技術領域，具體涉及一種變剛度機翼蒙皮。本發明解決了現有的橡膠類材料的蒙皮受氣動載荷的能力差，機翼的整體承載能力低的問題。本發明變剛度增強管的複合材料外套管包裹在內襯管的外表面，多根變剛度增強管矩陣排列並鑲嵌在矽橡膠蒙皮基體內，其軸線方向與蒙皮基體長度方向平行，變剛度增強管控制閥設置在蒙皮基體的外表面且與相應的兩端封閉的變剛度增強管的內腔連通，每個芯管控制閥設置在蒙皮基體的外表面且與相應的變剛度增強管中的芯管的內腔連通。本發明適用於各種飛行器的機翼及航天、兵器、艦船、潛艇結構等軍用武器裝備的變形結構中。
文檔編號B64C3/26GK101879941SQ201010237279
公開日2010年11月10日 申請日期2010年7月27日 優先權日2010年7月27日
發明者冷勁松, 陳以金 申請人:哈爾濱工業大學