一種可連續(xù)變形阻力方向舵的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種可連續(xù)變形阻力方向舵，屬于可變形飛行器技術(shù)領(lǐng)域。所述的可連續(xù)變形阻力方向舵包括不可變形的剛體部分和可對(duì)稱開裂并實(shí)現(xiàn)連續(xù)變形的柔性部分；所述剛體部分占整個(gè)翼段長(zhǎng)度的前60％?80％，其余為柔性部分；剛體部分和柔性部分為可拆卸連接形式。本發(fā)明將連續(xù)變形技術(shù)應(yīng)用于阻力方向舵，實(shí)現(xiàn)舵面的連續(xù)偏轉(zhuǎn)，從而增加了舵面彎度。與傳統(tǒng)的阻力方向舵相比，當(dāng)后緣端點(diǎn)位移相同時(shí)，可變形阻力方向舵能夠提供更大的壓差阻力，從而獲得更大的偏航力矩，提高了飛翼布局飛機(jī)的偏航效率。
【專利說明】
一種可連續(xù)變形阻力方向舵
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于可變形飛行器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種可連續(xù)變形阻力方向舵。
【背景技術(shù)】
[0002]飛翼布局飛機(jī)取消了立尾和方向舵，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、氣動(dòng)效率高、隱身性能好等優(yōu)點(diǎn)，在各種飛機(jī)布局形式中具有較大優(yōu)勢(shì)，如世界上最先進(jìn)的B-2隱身轟炸機(jī)。這種新的布局形式具有很多優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也對(duì)飛行器的控制方面和偏航穩(wěn)定性提出了新的要求。
[0003]飛翼布局飛機(jī)主要依靠阻力式偏航裝置完成偏航任務(wù)。目前常見的阻力式偏航裝置包括開裂式阻力方向舵、全動(dòng)翼尖、嵌入面等，其中開裂式阻力方向舵最為常見。開裂式阻力方向舵通常布置在飛翼布局飛機(jī)機(jī)翼的副翼外側(cè)，從而獲得較大的力臂。當(dāng)一側(cè)方向舵打開后會(huì)引起較大的壓差阻力，由于附加阻力較大并且其力臂較長(zhǎng)，因此可以獲得足夠的偏航力矩。但根據(jù)現(xiàn)有的資料發(fā)現(xiàn)目前所見到的傳統(tǒng)阻力方向舵還存在一些不足:1.傳統(tǒng)阻力方向舵雖能幫助飛翼布局飛機(jī)完成正常的偏航任務(wù)，但偏航效率不高；2.舵面均為剛性，無法實(shí)現(xiàn)靈活的變形;3.阻力方向舵后方氣體流動(dòng)復(fù)雜，而傳統(tǒng)阻力方向舵舵面在根部固定，因此舵面后緣存在發(fā)生顫振的可能;4.舵面的偏轉(zhuǎn)依靠舵面根部的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，舵面后緣的氣動(dòng)力經(jīng)過力臂的放大后作用于電機(jī)，對(duì)電機(jī)的穩(wěn)定性提出了更高的要求。綜上所述，傳統(tǒng)的阻力方向舵難以滿足人們對(duì)飛翼布局飛機(jī)多任務(wù)、多功能的需求。
[0004]隨著近年來可變形機(jī)翼的發(fā)展，連續(xù)可變形機(jī)翼成為研究熱點(diǎn)。機(jī)翼的連續(xù)變形將大大提高飛行器的操縱效率以適應(yīng)更復(fù)雜的飛行環(huán)境。機(jī)翼后緣變形可以顯著地改善飛行器的氣動(dòng)特性，對(duì)飛機(jī)的低速巡航、起飛著陸具有重要意義；下偏時(shí)可以巡航減阻，從而節(jié)省燃料、增加航程;還可以取代傳統(tǒng)控制面，用于飛行控制來改善性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對(duì)傳統(tǒng)阻力方向舵效率偏低，無法實(shí)現(xiàn)靈活變形的不足，提供了一種可連續(xù)變形阻力方向舵及其內(nèi)部變形結(jié)構(gòu)，這種新型可連續(xù)變形阻力方向舵可以通過增加舵面彎度來增大阻力系數(shù)，提高偏航效率，并通過CR)仿真進(jìn)行了計(jì)算驗(yàn)證。同時(shí)柔性部分采用桁架結(jié)構(gòu)，可提高承受氣動(dòng)載荷的能力，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)具有自鎖功能，并且驅(qū)動(dòng)力作用到舵面后緣，降低發(fā)生顫振的可能，從而提高了穩(wěn)定性。
[0006]本發(fā)明提供的一種可連續(xù)變形阻力方向舵，主要包括兩部分:不可變形的剛體部分和可對(duì)稱開裂并實(shí)現(xiàn)連續(xù)變形的柔性部分。其中所述不可變形的剛體部分占整個(gè)翼段長(zhǎng)度的前60%_80%，其余長(zhǎng)度部分為柔性部分。所述的剛性部分的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和蒙皮材料與常規(guī)飛機(jī)機(jī)翼相同，此部分主要用來安裝伺服電機(jī)、行星減速器、蝸輪蝸桿傳動(dòng)裝置以及卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)，工作時(shí)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)行星減速器，進(jìn)而帶動(dòng)蝸桿正向或反向轉(zhuǎn)動(dòng)，通過蝸輪驅(qū)動(dòng)卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)拉動(dòng)或松開鋼索來實(shí)現(xiàn)后緣的打開或閉合。所述的可對(duì)稱開裂并實(shí)現(xiàn)連續(xù)變形的柔性部分，柔性部分內(nèi)部由若干可相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的桁架結(jié)構(gòu)作為支撐，其材質(zhì)為鋁合金。在每一舵面內(nèi)偵U，各桁架結(jié)構(gòu)均與一彈簧片滑動(dòng)連接，它可以使可變形阻力方向舵在沒有驅(qū)動(dòng)力作用時(shí)快速恢復(fù)到原來的位置，柔性部分的可變形蒙皮使用預(yù)拉伸彈性復(fù)合材料蒙皮，蒙皮與支撐結(jié)構(gòu)之間通過膠接連接，蒙皮的預(yù)拉伸可以防止舵面偏轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生非預(yù)期的變形。舵面依靠固定在后緣的鋼索牽引來實(shí)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)，鋼索穿過每一桁架上的圓形限位孔連接到剛體部分的卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)上。剛體部分和柔性部分設(shè)計(jì)成可拆卸形式，兩部分裝配好后通過螺栓連接，方便維護(hù)。
[0007]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0008](I)本發(fā)明將連續(xù)變形技術(shù)應(yīng)用于阻力方向舵，實(shí)現(xiàn)舵面的連續(xù)偏轉(zhuǎn)，從而增加了舵面彎度。與傳統(tǒng)的阻力方向舵相比，當(dāng)后緣端點(diǎn)位移相同時(shí)，可變形阻力方向舵能夠提供更大的壓差阻力，從而獲得更大的偏航力矩，提高了飛翼布局飛機(jī)的偏航效率。
[0009](2)本發(fā)明中柔性部分的變形結(jié)構(gòu)是由多個(gè)桁架結(jié)構(gòu)連接而成，與目前以有的變形結(jié)構(gòu)相比，其能夠提高承受氣動(dòng)載荷以及其他載荷作用的能力，防止結(jié)構(gòu)在過大的外載荷作用下由于壓潰作用發(fā)生變形或破壞。
[0010](3)本發(fā)明使用蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)作為傳動(dòng)裝置，具有自鎖功能，防止自動(dòng)回位現(xiàn)象的發(fā)生，提尚了方向航的穩(wěn)定性。
[0011](4)本發(fā)明相較于驅(qū)動(dòng)力作用于舵面根部的傳統(tǒng)阻力方向舵，其鋼索的驅(qū)動(dòng)力作用于舵面后緣，可以降低舵面在復(fù)雜氣動(dòng)力作用下發(fā)生顫振的可能性。
[0012](5)本發(fā)明中各部分均采用模塊化處理，除可變形蒙皮外無不可拆卸部分，方便了之后的檢查和維修，并且降低了維修成本。
【附圖說明】
[0013]圖1為可變形阻力方向舵的三維結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖2為剛體部分三維結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖3為柔性部分三維結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖4為桁架模塊示意圖。
[0017]圖5為桁架連接示意圖。
[0018]圖6為剛體部分和柔性部分連接示意圖。
[0019]圖7為傳統(tǒng)方向舵和可變形方向舵阻力系數(shù)對(duì)比曲線圖。
[0020]圖中:
[0021]1.剛體部分； 2.柔性部分； 3.常規(guī)翼肋； 4.蒙皮；
[0022]5.伺服電機(jī)； 6.行星減速器；7.蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)；8.卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)；
[0023]9.鋼索；10.桁架結(jié)構(gòu)； 11.可變形蒙皮；12.彈簧片；
[0024]13.支撐架； 14 J力板；15.減重孔； 16.圓形限位孔；
[0025]17.條形限位孔；18.銷釘；19.螺栓孔；20.螺栓。
【具體實(shí)施方式】
[0026]為了使本發(fā)明的目的及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0027]本發(fā)明將連續(xù)變形技術(shù)應(yīng)用于阻力方向舵，實(shí)現(xiàn)舵面的連續(xù)偏轉(zhuǎn)，從而增加了舵面彎度。與傳統(tǒng)的阻力方向舵相比，當(dāng)后緣端點(diǎn)位移相同時(shí)，可變形阻力方向舵能夠提供更大的壓差阻力，從而獲得更大的偏航力矩，提高了飛翼布局飛機(jī)的偏航效率。
[0028]如圖1所示，本發(fā)明提供的是一種可連續(xù)變形阻力方向舵，包括不可變形的剛體部分I和可對(duì)稱開裂并實(shí)現(xiàn)連續(xù)變形的柔性部分2。所取翼段總長(zhǎng)為lm，翼型為NACA0012。優(yōu)選的，所述不可變形的剛體部分I占整個(gè)翼段長(zhǎng)度的前75%，所述可對(duì)稱開裂并實(shí)現(xiàn)連續(xù)變形的柔性部分2占整個(gè)翼段長(zhǎng)度的后25%。
[0029]圖2詳細(xì)展示了所述剛體部分I的具體結(jié)構(gòu)。所述的剛體部分I由常規(guī)翼肋3和蒙皮4組成，其材質(zhì)均為鋁合金，內(nèi)部安裝有伺服電機(jī)5、行星減速器6、蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)7以及卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)8。所述的行星減速器6安裝在伺服電機(jī)5的輸出軸與蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)7的輸入軸之間，用于降低蝸桿蝸桿機(jī)構(gòu)7的轉(zhuǎn)速。所述的卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)8與蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)7的輸出軸連接，卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)8與柔性部分2之間通過鋼索9連接。工作時(shí)，伺服電機(jī)5帶動(dòng)蝸桿蝸桿機(jī)構(gòu)7正向或反向轉(zhuǎn)動(dòng)，并驅(qū)動(dòng)卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)8拉動(dòng)或松開鋼索9來實(shí)現(xiàn)后緣的打開或閉合，同時(shí)蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)7具有自鎖功能，防止自動(dòng)回位現(xiàn)象的發(fā)生，提高了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。
[0030]圖3詳細(xì)展示了所述柔性部分2的具體結(jié)構(gòu)，所述柔性部分2的可轉(zhuǎn)動(dòng)翼肋由若干尺寸隨弦向厚度變化的桁架結(jié)構(gòu)10連接而成，其材質(zhì)為鋁合金。使用預(yù)拉伸彈性復(fù)合材料作為可變形蒙皮11包覆在所述的桁架結(jié)構(gòu)10外側(cè)，可變形蒙皮11與桁架結(jié)構(gòu)10之間通過膠接連接，可變形蒙皮11的預(yù)拉伸可以防止舵面偏轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生非預(yù)期的變形。在每一舵面內(nèi)側(cè)，各桁架結(jié)構(gòu)10均與一彈簧片12滑動(dòng)連接。舵面依靠鋼索9牽引來實(shí)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)。鋼索9的一端固定于舵面后緣，具有更強(qiáng)的穩(wěn)定性，降低發(fā)生顫振的可能。鋼索9的另一端依次穿過每一桁架結(jié)構(gòu)10上的限位孔連接到剛體部分I的卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)8上?？拷鼊傮w部分I的第一節(jié)桁架結(jié)構(gòu)10通過支撐架13與柔性部分2的前端壁面轉(zhuǎn)動(dòng)連接。
[0031 ]圖4為單個(gè)桁架結(jié)構(gòu)10示意圖，桁架結(jié)構(gòu)10由五塊板組成，其中四塊板組成平行四邊形(本例為菱形)，在所述的平行四邊形結(jié)構(gòu)中間增加了第五塊板一一肋板14，形成以肋板14為底邊的兩個(gè)穩(wěn)定的三角形結(jié)構(gòu)，其能夠提高承受氣動(dòng)載荷以及其他載荷作用的能力，防止結(jié)構(gòu)在過大的外載荷作用下由于壓潰作用發(fā)生變形或破壞。為了減輕結(jié)構(gòu)重量，桁架結(jié)構(gòu)10中的五塊板在不影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上開有減重孔15。所述肋板14的兩端分別與平行四邊形的兩個(gè)對(duì)角連接，在第一個(gè)連接處的三塊板上均開有限制鋼索9位置的圓形限位孔16，限制鋼索9運(yùn)動(dòng)，防止其在運(yùn)動(dòng)過程中與可變形蒙皮11發(fā)生摩擦。在第二個(gè)連接處的外側(cè)設(shè)置有沿板寬度方向的條形限位孔17，用來限制彈簧片12的運(yùn)動(dòng)。在每個(gè)三角形結(jié)構(gòu)的頂角處沿板寬度方向設(shè)置有圓孔。
[0032]圖5為桁架結(jié)構(gòu)10連接示意圖，相鄰的兩個(gè)桁架結(jié)構(gòu)10的三角形結(jié)構(gòu)的頂角處的圓孔通過銷釘18連接，在保證各桁架結(jié)構(gòu)10之間可以繞銷釘18自由轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，還可以保證桁架結(jié)構(gòu)10能夠承受較大的拉應(yīng)力。彈簧片12依次穿過所有桁架結(jié)構(gòu)的條形限位孔17，實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)連接，避免了過定位造成的結(jié)構(gòu)破壞。彈簧片12的恢復(fù)力可以使柔性舵面在鋼索9拉力減小時(shí)快速恢復(fù)到原來的位置。
[0033]圖6為剛性部分I與柔性部分2的連接示意圖。阻力方向舵除可變形蒙皮11不可拆卸外，各部分均采用模塊化處理。其中剛體部分I和柔性部分2也設(shè)計(jì)成可拆卸形式，兩部分在連接處都開設(shè)有螺栓孔19，兩部分分別裝配好后通過螺栓20連接，方便了之后的檢查和維修，并且降低了維修成本。
[0034]圖7為傳統(tǒng)方向舵和可變形方向舵在攻角0°、舵偏角20°工況下的阻力系數(shù)對(duì)比曲線圖。從阻力系數(shù)迭代曲線可以看出，穩(wěn)定后可變形阻力方向舵的時(shí)均阻力系數(shù)約為0.28，而常規(guī)阻力方向舵的阻力系數(shù)為0.2?？梢钥闯隹勺冃巫枇Ψ较蚨婵梢杂行岣咦枇ο禂?shù)，獲得更大的偏航力矩，從而提尚偏航效率。
[0035]需要指出的是，以上所述，僅為本發(fā)明的具體實(shí)施實(shí)例，實(shí)例中所使用的數(shù)據(jù)和圖表僅用于說明本方法的具體思路。對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，可輕易想到的變化或同等替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以所述權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種可連續(xù)變形阻力方向舵，其特征在于:包括不可變形的剛體部分和可對(duì)稱開裂并實(shí)現(xiàn)連續(xù)變形的柔性部分;所述剛體部分占整個(gè)翼段長(zhǎng)度的前60%-80%，其余為柔性部分;剛體部分和柔性部分為可拆卸連接形式。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可連續(xù)變形阻力方向舵，其特征在于:所述的剛體部分由常規(guī)翼肋和蒙皮組成，內(nèi)部安裝有伺服電機(jī)、行星減速器、蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)以及卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)，所述的行星減速器安裝在伺服電機(jī)的輸出軸與蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)的輸入軸之間，所述的卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)與蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)的輸出軸連接，卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)與柔性部分之間通過鋼索連接;工作時(shí)，伺服電機(jī)帶動(dòng)蝸桿蝸桿機(jī)構(gòu)正向或反向轉(zhuǎn)動(dòng)，并驅(qū)動(dòng)卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)拉動(dòng)或松開鋼索來實(shí)現(xiàn)后緣的打開或閉合。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種可連續(xù)變形阻力方向舵，其特征在于:所述的蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)具有自鎖功能，防止自動(dòng)回位現(xiàn)象的發(fā)生。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可連續(xù)變形阻力方向舵，其特征在于:所述的柔性部分的可轉(zhuǎn)動(dòng)翼肋由若干尺寸隨弦向厚度變化的桁架結(jié)構(gòu)連接而成，使用預(yù)拉伸彈性復(fù)合材料作為可變形蒙皮包覆在所述的桁架結(jié)構(gòu)外側(cè)，可變形蒙皮與桁架結(jié)構(gòu)之間通過膠接連接，在每一舵面內(nèi)側(cè)，各桁架結(jié)構(gòu)均與一彈簧片滑動(dòng)連接，舵面依靠鋼索牽引來實(shí)現(xiàn)偏轉(zhuǎn);鋼索的一端固定于舵面后緣，另一端依次穿過每一桁架結(jié)構(gòu)上的圓形限位孔連接到剛體部分的卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)上。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種可連續(xù)變形阻力方向舵，其特征在于:每個(gè)桁架結(jié)構(gòu)由五塊板組成，其中四塊板組成平行四邊形，在所述的平行四邊形結(jié)構(gòu)中間增加了第五塊板一一肋板，形成以肋板為底邊的兩個(gè)穩(wěn)定的三角形結(jié)構(gòu)，所述肋板的兩端分別與平行四邊形的兩個(gè)對(duì)角連接，分別稱為第一連接處和第二連接處，在第一連接處的三塊板上均開有限制鋼索位置的圓形限位孔，防止其在運(yùn)動(dòng)過程中與可變形蒙皮發(fā)生摩擦;在第二連接處的外側(cè)設(shè)置有沿板寬度方向的條形限位孔，用來限制彈簧片的運(yùn)動(dòng);在每個(gè)三角形結(jié)構(gòu)的頂角處沿板寬度方向設(shè)置有圓孔;相鄰的兩個(gè)桁架結(jié)構(gòu)的三角形結(jié)構(gòu)的頂角處的圓孔通過銷釘連接，彈簧片依次穿過所有桁架結(jié)構(gòu)的條形限位孔，實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)連接，彈簧片的恢復(fù)力可以使柔性舵面在鋼索拉力減小時(shí)快速恢復(fù)到原來的位置。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種可連續(xù)變形阻力方向舵，其特征在于:桁架結(jié)構(gòu)中的五塊板上開有減重孔。
【文檔編號(hào)】B64C9/00GK105966600SQ201610320494
【公開日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2016年5月16日
【發(fā)明人】李道春, 向錦武, 劉其琛, 吳沂寧
【申請(qǐng)人】北京航空航天大學(xué)