一种可变厚度的变形机翼及变形方法

本发明属于航天航空设备，具体涉一种可变厚度的变形机翼及变形方法。

背景技术：

1、机翼是飞行器的重要组成部分，决定着飞行器的气动性能。随着飞行器需求的增多，现代飞行器的飞行包线越来越广阔，既要能够满足高空巡航飞行的飞行性能，又要在降落时能够适应低空低速的飞行条件，这对飞行器气动性能提出了挑战。

2、一些翼型在高空高速中，表现优异，但是在低速情况下，气动性能大幅降低，导致飞行器飞行品质降低。在不同飞行条件下，机翼翼型的厚度和弯度对飞行器气动性能影响最为明显。为了使飞行器适应飞行包线，经常需要根据实际情况改变机翼的自身气动外形来改变自身的升阻比、气动载荷分布等。

3、由于变形机翼技术通过改变飞行器机翼的厚度可以平滑地改善整体翼肋形状，而不破坏翼型的整体外型，近年来变形机翼技术种种优势更加凸显，各国进行了大量研究，研究方向主要包括：一是基于曲盘驱动的变形方法；二是，利用形状记忆合金通过柔性变形，来改变整个机翼的翼型，进而改变整个机翼的气动特性。

4、现有的曲盘驱动的变形方法主要通过一种类似椭圆扇面的曲盘，通过几根驱动轴转动来带动曲盘支撑蒙皮伸展，将其厚度改变，这种方法的问题在于驱动轴在转动过程中受到蒙皮施加的压力，集中在曲盘和旋转轴的接触位置，使得接触轴承受巨大的气动载荷，可靠性不高，且曲盘与机翼蒙皮的接触面积较小，基本是点接触，蒙皮在气动载荷的作用下，会使得未与曲盘接触的蒙皮凹陷，使其变厚度的效果大打折扣。

5、而形状记忆合金具有非线性行为，须使用pid控制器、比例控制器和变量增益控制器去控制形状记忆合金，增加了飞行器控制系统设计难度。另外，形状记忆合金受温度影响较大，需要在飞行器上附加其他设备来监测形状记忆合金的情况，给飞行器额外增加了不必要的重量。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决现有机翼变形方法跨度大、整体变形产生载荷过大，变形过程不稳定以及可靠性差的问题，而提供一种可变厚度的变形机翼及变形方法。

2、本发明在设计过程中，从飞行器机翼在复杂飞行条件下提高气动性能的目的出发，综合考虑飞行器所受气动载荷，通过对clark w翼型下弧面进行仿真变形，发现机翼下弧面的变化能够大幅提升机翼在低速低空的气动性能。

3、基于此，本发明在实现机翼结构材料兼顾承受飞行器所需的气动载荷和传动机构作用于机翼的载荷约束条件下，在机翼翼肋的中段设计变形驱动控制单元，通过单个主动控制舵机联动调节变形驱动单元中下翼面蒙皮控制板转动变形，实现机翼中段下蒙皮厚度和下弧线角度的改变，并且能够大面积支撑机翼下蒙皮，以获得不同飞行条件飞行器所需的机翼气动外形，提升飞行器机翼气动性能，使得飞行器能够适应现代长飞行包线的飞行需求。

4、为实现上述目的，本发明所提供的技术解决方案是：

5、一种可变厚度的变形机翼，其特殊之处在于，包括多个翼肋、桁架组件、翼梁以及覆盖在所述翼肋和桁架组件上的蒙皮；

6、所述翼肋沿机翼展向设置，翼肋包括翼肋前缘段、翼肋中段和翼肋后缘段；相邻所述翼肋的前缘段和后缘段分别通过沿展向设置的桁架组件连接；

7、所述翼梁沿机翼展向依次穿过所述翼肋中段，将所述翼肋连接组成所述机翼；

8、每个所述翼肋中段底部设有拱形通孔，所述拱形通孔内设有一变形控制单元；

9、所述变形控制单元包括主动控制舵机、主动控制摇臂、随动摇臂、下翼面蒙皮控制板和限幅摇臂；

10、所述下翼面蒙皮控制板的板面贴合固定在机翼下蒙皮内表面上，下翼面蒙皮控制板包括下翼面蒙皮控制板前段、下翼面蒙皮控制板中段和下翼面蒙皮控制板后段，下翼面蒙皮控制板中段两端分别与下翼面蒙皮控制板前段和下翼面蒙皮控制板后段的一端面转动连接；所述下翼面蒙皮控制板前段和下翼面蒙皮控制板后段的另一端面与所述拱形通孔开口两端转动连接；

11、所述主动控制摇臂一端能够在所述主动控制舵机的驱动下转动，另一端与下翼面蒙皮控制板后段的上表面转动连接；

12、所述随动摇臂两端分别与下翼面蒙皮控制板中段的上表面以及主动控制摇臂本体下侧壁转动连接；

13、所述限幅摇臂两端分别与所述拱形通孔顶部侧壁以及所述主动控制摇臂本体上侧壁转动连接；

14、所述主动控制舵机在接收到飞行器控制系统输入的展开或收拢信号后，能够驱动所述变形控制单元各部件向外或向内转动，并能够在达到预设展开或收拢角度时，停止驱动并锁定。

15、进一步地，所述翼肋前缘段后端上下边缘对称设有开口向外的卡槽；

16、所述桁架组件包括前上桁架和前下桁架，所述前上桁架和前下桁架分别沿翼展方向依次卡接在相邻所述翼肋前缘段上下边缘设置的卡槽中；

17、所述卡槽为矩形卡槽，所述前上桁架和前下桁架为与所述矩形卡槽相配合的矩形杆；

18、所述翼肋前缘段设有若干减重孔。

19、进一步地，所述桁架组件还包括后上桁架和后下桁架；所述翼肋后缘段前端上下两侧边缘对称设有开口向外的卡槽；

20、所述后上桁架和后下桁架分别沿翼展方向依次卡接在所述翼肋后缘段上下边缘设置的卡槽中；

21、所述卡槽为矩形卡槽，所述后上桁架和后下桁架为与该矩形卡槽相配合的矩形杆；

22、所述翼肋后缘段设有若干减重孔。

23、进一步地，所述主动控制摇臂上侧壁沿自身长度方向开有长条限幅孔，所述限幅摇臂端部通过转轴卡接在所述限幅孔内，所述转轴能够在所述限幅摇臂转动时沿所述限幅孔滑动；

24、所述限幅孔用于在机翼向外变形伸展时，防止因主动控制舵机信号误差，导致主动控制摇臂伸展过度而破坏机翼蒙皮。

25、进一步地，所述翼肋中段的前端和后端设有圆形通孔；

26、所述翼梁包括前翼梁和后翼梁，所述前翼梁和后翼梁分别依次穿过所述圆形通孔，将每个翼肋连接；

27、所述拱形通孔顶部两侧设有凹槽，所述主动控制舵机固定连接在一侧凹槽中；

28、另一侧凹槽两端设有安装通孔，所述主动控制舵机的输出轴穿过其中一所述安装通孔，与主动控制摇臂转动连接；

29、另一安装通孔用于与所述限幅摇臂连接。

30、进一步地，所述主动控制舵机输出轴外壁设有外轮齿；

31、所述主动控制摇臂端部设有通孔，所述通孔内壁设有与所述外轮齿啮合的内轮齿。

32、进一步地，所述拱形通孔开口两端内侧壁以及下翼面蒙皮控制板中段两端，沿机翼展向设有圆弧凸台，圆弧凸台两端设有圆弧凹槽；

33、所述下翼面蒙皮控制板前段和下翼面蒙皮控制板后段两端部，设有与下翼面蒙皮控制板中段端部以及所述拱形通孔开口端内侧壁上的圆弧凸台和圆弧凹槽相匹配的圆弧凹槽和圆弧凸台。

34、进一步地，所述拱形通孔上圆弧凸台和圆弧凹槽的上方设有与其相切的弧形通槽，用以提高所述翼肋结构强度。

35、进一步地，所述变形机翼翼型采用clark w翼型。

36、一种可变厚度的变形机翼的变形方法，其特殊之处在于，包括机翼收拢过程和机翼伸展过程；

37、所述机翼收拢过程具体包括：

38、步骤1，飞行器控制系统发送机翼变形控制信号，所述主动控制舵机接收信号，解锁并驱动所述主动控制摇臂向上转动；

39、步骤2，所述主动控制摇臂驱动所述随动摇臂向上转动，同时驱动下翼面蒙皮控制板后段和所述限幅摇臂向上转动；

40、所述随动摇臂驱动下翼面蒙皮控制板中段向上转动并平动；下翼面蒙皮控制板中段驱动所述下翼面蒙皮控制板前段向上转动；

41、步骤3，所述主动控制舵机转动至预设角度时，主动控制舵机停止转动并锁定，所述主动控制摇臂、限幅摇臂和随动摇臂将所述下翼面蒙皮控制板前段、下翼面蒙皮控制板中段和下翼面蒙皮控制板后段限定在当前状态，构成飞行器所需气动外形；收拢过程结束；

42、所述机翼伸展过程包括：

43、步骤a,飞行器控制系统发送机翼伸展变形控制信号，所述主动控制舵机接收信号，解锁并驱动所述主动控制摇臂向下转动；

44、步骤b，所述主动控制摇臂驱动所述随动摇臂向下转动，同时驱动下翼面蒙皮控制板后段和所述限幅摇臂向下转动；

45、所述随动摇臂驱动下翼面蒙皮控制板中段向下转动并平动；下翼面蒙皮控制板中段驱动所述下翼面蒙皮控制板前段向下转动；

46、步骤c，所述主动控制舵机转动至预设展开角度时，主动控制舵机停止转动并锁定，所述主动控制摇臂、限幅摇臂和随动摇臂将所述下翼面蒙皮控制板前段、下翼面蒙皮控制板中段和下翼面蒙皮控制板后段限定在当前状态，构成飞行器所需气动外形；机翼伸展过程结束。

47、本发明的优点是：

48、1、本发明在翼肋中段下方设置变形驱动单元，所述变形控制单元包括主动控制舵机、主动控制摇臂、随动摇臂、下翼面蒙皮控制板和限幅摇臂，根据飞行器气动特性需求，通过主动控制舵机驱动主动控制摇臂和随动摇臂转动，进而带动贴合固定于机翼下蒙皮内表面上的下翼面蒙皮控制板向内收拢或向外展开，在保证飞行器结构强度的前提下，精准实现机翼下翼面厚度和弯度的改变，提高了机翼的气动性能，尤其是在低速低空时性能，大大提高了飞行器的飞行特性及飞行器的适应性飞行能力；下翼面蒙皮控制板的设计增大了变形过程中对飞行器下翼面蒙皮的支撑力，保证了飞行器机翼的整体气动外形，提高了机翼蒙皮变形效果，且变形过程稳定可靠，避免了因接触面积少而造成蒙皮凹陷导致气动性能降低的情况，以及集中载荷过大导致蒙皮受损及驱动机构损坏的问题。

49、2、本发明中变形控制单元作为翼肋的一部分，在满足机翼结构强度的情况下，对机翼前缘段和后缘段进行减重设计，避免了在机翼结构基础上额外设计变形机构，造成机构复杂化、重量增加的问题，本发明机翼变形机翼结构在能够承受柔性蒙皮所带来的气动载荷的同时，减轻了机翼整体重量。

50、3、本发明变形控制单元中各驱动部件、随动部件以及连接翼肋的翼梁和桁架构成所述变形机翼，具有抵抗气动载荷的能力，并能够更加有效地控制机翼状态，在机翼下翼面达到飞行器飞行所需气动外形时，所述主动控制舵机能够锁定，使机翼下翼面处于所需状态，无需额外增加监控装置，减少额外监控装置重量对飞行器飞行能力的影响。

51、4、本发明中机翼前缘采用拱形结构，能够很好地抵抗来流的气动载荷，在保证了前缘的结构强度的同时，减轻了重量；由于采用改变飞行器机翼厚度来改变飞行器气动特性，不再需要对飞行器气动外形进行处理，保证了机翼整体的完整性，不会破坏机翼的总体气动特性；又因为机翼后缘所受气动载荷小，后缘在保证外形的情况下，通过增加减重孔尽量减少不必要的重量。

52、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。