一種變體機翼蒙皮及其驅動方法
2024-02-06 03:26:15
專利名稱：一種變體機翼蒙皮及其驅動方法
技術領域：
本發明涉及一種變體機翼蒙皮，本發明還涉及這種變體機翼蒙皮的驅動方式。
背景技術：
變體飛行器是當前飛行器設計領域裡熱門的課題，它打破了傳統飛機設計理念，能解決當前飛行器設計中所存在的技術難題。機翼對飛機的升阻比、極限速度、機動性、操控及穩定性、經濟以及安全性等有極其重要的影響。傳統機翼根據飛行任務要求，在設計時便被固定下來，飛機依靠液壓機械系統等驅動氣動舵面，實現飛行控制。雖然這種形式的機翼便於實現，但是系統較為複雜重量大，而且氣動效率不高。因此傳統的飛機的任務範圍以及適應大氣流場變化能力都受到限制。為了追求更高效能的機翼，基於智能結構的自適應機翼(也稱"Morphing Wing"，變體機翼)技術成為當前國內外航空科學技術發展的前沿。變體機翼能夠在不同飛行狀態下達到理想的氣動特性，從而顯著助提高飛行器綜合性能，成為未來先進飛行器的發展方向之一。當大變形發生時，對變體機翼的蒙皮特性要求較高，不但在變形方向需具有較大變形能力，而且在垂直於變形方向上也需要有較強的承載能力。而傳統蒙皮的作用主要是保持機翼氣動外形，承受和傳遞飛行氣動載荷，顯然無法滿足變體機翼的要求。 目前，變體機翼技術研究中，蒙皮主要採用兩種形式一是採用柔性較大的橡膠類材料製作的蒙皮，這種蒙皮雖滿足機翼變形和氣密性要求，但是，為了提高承載能力，使得機翼內部結構、驅動方式和變形控制很複雜，而且機翼的整體承載能力不高；另一種採用了分片式可移動的傳統硬蒙皮，這種蒙皮雖滿足機翼承載和變體需求，卻無法滿足機翼表面光滑、連續和整體氣密性要求，使變體機翼氣動效率打了折扣。
發明內容
本發明的目的在於提供一種具有主動變形能力，在變形方向上柔度高、變形量大，在垂直變形方向上承載能力強的變體機翼蒙皮。 本發明的另一 目的在於提供這種變體機翼蒙皮的驅動方法。 本發明的目的是這樣實現的一種變體機翼蒙皮，由纖維增強型複合材料製得，在兩層纖維增強型複合材料之間設置有形狀記憶合金驅動器，所述纖維增強型複合材料與所述形狀記憶合金驅動器在室溫時，通常為10 4(TC，一起被壓成波紋構型；所述形狀記憶合金驅動器高溫記憶直線狀，高溫定型溫度為450 55(TC，所述纖維增強型複合材料為採用預浸料或纖維(如玻璃纖維、碳纖維或芳綸纖維)與樹脂基體按常規方法製得。
為了滿足機翼表面光滑、連續和整體氣密性要求，上層纖維增強複合材料波谷內填充矽基橡膠，所述矽基橡膠常溫可固化。 本發明所述形狀記憶合金驅動器可以選用單程形狀記憶合金，也可以選擇雙程形狀記憶合金。 本發明形狀記憶合金(SMA)驅動器中，SMA是智能結構中最先應用的一種驅動元件。它的特點是具有形狀記憶效應(SME)，即將這種材料在高溫下定型後，冷卻到低溫(或 室溫)，並施加變形，使它存在殘餘變形。如果從變形溫度稍許加熱，就可以使原先存在的殘 餘變形消失，並回復到高溫下所固有的形狀，然後再進行冷卻或加熱，形狀將保持不變。上 述過程可以周而復始，仿佛合金記住了高溫形態所賦予的形狀一樣，稱為單程形狀記憶。如 果對材料進行特殊的時效處理，在隨後的加熱和冷卻循環中，能夠重複地記住高溫狀態和 低溫狀態的兩種形狀，則稱為雙程形狀記憶。 本發明形狀記憶合金驅動器採用單程形狀記憶合金時，其具體的驅動方法為
將變體機翼蒙皮安裝在驅動導軌上，變體機翼蒙皮的兩側通過加固片分別安裝一 個彈簧式形狀記憶合金驅動器，用於提供回復力，加快回復速率； 將蒙皮內部形狀記憶合金驅動器與恆流源連接，利用材料本身的電阻對形狀記憶 合金驅動器加熱，使變體機翼蒙皮伸長；同時通過雷射位移傳感裝置及應變測量系統測量 變體機翼蒙皮的伸長量和應變，確保蒙皮不被破壞；當達到應變極限或伸長極限時，恆流源 線路被切斷； 恆流源切斷後，與彈簧式形狀記憶合金驅動器連接的穩壓電源線路接通，彈簧式 形狀記憶合金驅動器高溫條件下變形，對變體機翼蒙皮施加回復力，蒙皮在自身彈力及彈 簧形狀記憶合金驅動力下開始回復。 為了加快變體機翼蒙皮的散熱速度，採用熱電片冷麵與形狀記憶合金驅動器的外 部粘結，利用上述穩壓電源同時與電熱片連接，對蒙皮內形狀記憶合金驅動器進行製冷。
本發明形狀記憶合金驅動器採用雙程形狀記憶合金時，其具體的驅動方法為
將變體機翼蒙皮安裝在驅動導軌上，將蒙皮內形狀記憶合金驅動器與恆流源連 接，利用材料本身的電阻對形狀記憶合金驅動器加熱，使變體機翼蒙皮伸長；同時通過雷射 位移傳感裝置及應變測量系統測量變體機翼蒙皮的伸長量和應變，確保蒙皮不被破壞；當 達到應變極限或伸長極限時，恆流源線路被切斷； 恆流源切斷後，蒙皮在自身彈力及雙程記憶合金的驅動力下開始回復。 為了加快變體機翼蒙皮的散熱速度，採用熱電片冷麵與形狀記憶合金驅動器的外
部粘結，通過穩壓電源與電熱片連接，對形狀記憶合金驅動器進行製冷。由於形狀記憶合金
絲高溫記憶直線狀，低溫(常溫)記憶波紋狀，與波紋蒙皮精密定位粘合後，可驅動蒙皮伸
縮變形。 本發明的有益效果為 1、本發明變體機翼蒙皮採用波紋構型，在變形方向柔度高，變形量大，變形響應速 度快，在垂直變形方向承載能力強，且結構簡單，質量輕，性能可靠； 2、本發明變體機翼蒙皮表面波谷內填充矽基橡膠，可以滿足機翼表面光滑、連續 和整體氣密性要求，提高氣動特性； 3、本發明變體機翼蒙皮具有主動變形能力，驅動能力強，控制簡單，可大大減少機 翼變形機構對蒙皮的驅動力； 4、本發明變體機翼蒙皮利用形狀記憶合金的形狀記憶效應，用恆流源進行電加熱 形狀記憶合金驅動器，使其往高溫形狀變形，並產生驅動力，使蒙皮變形，回復時，利用蒙皮 自身彈性回復力的同時，既可以利用雙程形狀記憶合金驅動，又可與彈簧形狀記憶合金驅 動器組成差動結構，加快其回復速度；
5、本發明變體機翼蒙皮變形時，有雷射位移傳感器和應變測試系統測試蒙皮的位 移及應變情況，當變形到一定程度，恆流源供電停止，蒙皮進入回復階段；由於蒙皮具有自 主變形能力，可大大降低機翼變形機構的驅動力，在變體機翼領域應用前景廣闊。
圖1為本發明變體機翼蒙皮的結構示意圖。
圖2為本發明變體機翼蒙皮的驅動流程圖。
具體實施例方式
下面結合附圖，通過實施例的方式，對本發明技術方案進行詳細說明，但是本發明
的保護範圍不局限於所述實施例。 實施例1 如圖1、圖2所示，一種變體機翼蒙皮，由纖維增強型複合材料1製得，所述纖維增 強型複合材料採用玻璃纖維、碳纖維或芳綸纖維預浸料製得，在兩層纖維增強型複合材料1 之間設置有形狀記憶合金驅動器2，所述纖維增強型複合材料1與所述形狀記憶合金驅動 器2在l(TC時一起被壓成波紋構型；上層纖維增強複合材料的波谷內填充矽基橡膠3 ;所 述形狀記憶合金驅動器2高溫記憶直線狀；所述形狀記憶合金驅動器2採用單程形狀記憶
A會 本實施例中變體機翼蒙皮的驅動方法為 將變體機翼蒙皮安裝在驅動導軌上，變體機翼蒙皮的兩側通過加固片分別安裝一 個彈簧式形狀記憶合金驅動器，用於提供回復力，加快回復速率； 將蒙皮內部形狀記憶合金驅動器與恆流源連接，利用材料本身的電阻對形狀記憶 合金驅動器加熱，使變體機翼蒙皮伸長；同時通過雷射位移傳感裝置及應變測量系統測量 變體機翼蒙皮的伸長量和應變，確保蒙皮不被破壞；當達到應變極限或伸長極限時，恆流源 線路被切斷； 恆流源切斷後，與彈簧式形狀記憶合金驅動器連接的穩壓電源線路接通，彈簧式 形狀記憶合金驅動器在加熱條件下變形，對變體機翼蒙皮施加回復力，蒙皮在自身彈力及 彈簧形狀記憶合金驅動力下開始回復。 採用熱電片冷麵與形狀記憶合金驅動器的外部粘結，所述穩壓電源同時與電熱片 連接，對蒙皮內形狀記憶合金驅動器進行製冷。
實施例2 如圖1、圖2所示，一種變體機翼蒙皮，由纖維增強型複合材料1製得，所述纖維增 強型複合材料採用纖維，由玻璃纖維、碳纖維或芳綸纖維與樹脂基體按常規方法製得，在兩 層纖維增強型複合材料1之間設置有形狀記憶合金驅動器2，所述纖維增強型複合材料1與 所述形狀記憶合金驅動器2在4(TC時一起被壓成波紋構型；上層纖維增強複合材料的波谷 內填充矽基橡膠3 ;所述形狀記憶合金驅動器2高溫記憶直線狀；所述形狀記憶合金驅動器 2採用雙程形狀記憶合金，高溫時記憶直線狀，低溫時記憶波紋狀。
本實施例變體機翼蒙皮的驅動方法為 將變體機翼蒙皮安裝在驅動導軌上，將蒙皮內形狀記憶合金驅動器與恆流源連
5接，利用材料本身的電阻對形狀記憶合金驅動器加熱，使變體機翼蒙皮伸長；同時通過雷射 位移傳感裝置及應變測量系統測量變體機翼蒙皮的伸長量和應變，確保蒙皮不被破壞；當 達到應變極限或伸長極限時，恆流源線路被切斷； 恆流源切斷後，蒙皮在自身彈力及雙程記憶合金的驅動力下開始回復。 採用熱電片冷麵與形狀記憶合金驅動器的外部粘結，通過穩壓電源與電熱片連
接，對形狀記憶合金驅動器進行製冷。
權利要求
一種變體機翼蒙皮，由纖維增強型複合材料(1)製得，其特徵在於在兩層纖維增強型複合材料(1)之間設置有形狀記憶合金驅動器(2)，所述纖維增強型複合材料(1)與所述形狀記憶合金驅動器(2)在10～40℃一起被壓成波紋構型；所述形狀記憶合金驅動器(2)高溫記憶直線狀。
2. 根據權利要求1所述的變體機翼蒙皮，其特徵在於上層纖維增強複合材料的波谷內填充矽基橡膠(3)。
3. 根據權利要求1或2所述的變體機翼蒙皮，其特徵在於所述形狀記憶合金驅動器(2)採用單程形狀記憶合金。
4. 根據權利要求1或2所述的變體機翼蒙皮，其特徵在於所述形狀記憶合金驅動器(2)採用雙程形狀記憶合金。
5. 根據權利要求3所述的變體機翼蒙皮的驅動方法，其特徵在於將變體機翼蒙皮安裝在驅動導軌上，變體機翼蒙皮的兩側通過加固片分別安裝一個彈簧式形狀記憶合金驅動器，用於提供回復力，加快回復速率；將蒙皮內部形狀記憶合金驅動器與恆流源連接，利用材料本身的電阻對形狀記憶合金驅動器加熱，使變體機翼蒙皮伸長；同時通過雷射位移傳感裝置及應變測量系統測量變體 機翼蒙皮的伸長量和應變，確保蒙皮不被破壞；當達到應變極限或伸長極限時，恆流源線路 被切斷；恆流源切斷後，與彈簧式形狀記憶合金驅動器連接的穩壓電源線路接通，對變體機翼 蒙皮施加回復力，蒙皮在自身彈力及彈簧形狀記憶合金驅動力下開始回復。
6. 根據權利要求5所述的變體機翼蒙皮的驅動方法，其特徵在於採用熱電片冷麵與 形狀記憶合金驅動器的外部粘結，所述穩壓電源同時與電熱片連接，對蒙皮內形狀記憶合 金驅動器進行製冷。
7. 根據權利要求4所述的變體機翼蒙皮的驅動方法，其特徵在於將變體機翼蒙皮安裝在驅動導軌上，將蒙皮內形狀記憶合金驅動器與恆流源連接，利 用材料本身的電阻對形狀記憶合金驅動器加熱，使變體機翼蒙皮伸長；同時通過雷射位移傳感裝置及應變測量系統測量變體機翼蒙皮的伸長量和應變，確保蒙皮不被破壞；當達到 應變極限或伸長極限時，恆流源線路被切斷；恆流源切斷後，蒙皮在自身彈力及雙程記憶合金的驅動力下開始回復。
8. 根據權利要求7所述的變體機翼蒙皮的驅動方法，其特徵在於採用熱電片冷麵與形狀記憶合金驅動器的外部粘結，通過穩壓電源與電熱片連接，對 形狀記憶合金驅動器進行製冷。
全文摘要
本發明提供一種變體機翼蒙皮，由纖維增強型複合材料(1)製得，其特徵在於在兩層纖維增強型複合材料(1)之間設置有形狀記憶合金驅動器(2)，上層纖維增強複合材料波谷內填充矽基橡膠(3)，用於滿足機翼表面光滑、連續和整體氣密性要求，所述纖維增強型複合材料(1)與所述形狀記憶合金驅動器(2)在室溫時一起被壓成波紋構型；所述形狀記憶合金驅動器(2)高溫記憶直線狀，所述矽基橡膠(3)可常溫固化。本發明還提供這種變體機翼蒙皮的驅動方法。本發明變體機翼蒙皮採用波紋構型，在變形方向柔度高，變形量大，變形響應速度快，在垂直變形方向承載能力強，且結構簡單，質量輕，性能可靠。
文檔編號B64C3/26GK101708772SQ20091023439
公開日2010年5月19日 申請日期2009年11月24日 優先權日2009年11月24日
發明者卞侃, 張立, 牟常偉, 王幫峰, 蘆吉雲, 陸孟雄 申請人:南京航空航天大學