[發明專利]基于SMA的自適應變體機翼后緣

無效

• 申請號: 200910145195.8
• 申請日: 2009-10-13
• 公開（公告）號: CN101693467A
• 公開（公告）日: 2010-04-14
• 發明（設計）人: 徐志偉;李飛;楊媛
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: B64C3/36
• 分類號: B64C3/36
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 唐小紅

技術領域

本發明的基于SMA的自適應變體機翼后緣，屬于一種智能材料與結構相結合的自適應變體機翼結構。

背景技術

“變形機翼”概念的提出，可以追溯到上世紀。早在1916年，英國已有人提出“變形機翼——可改變幾何形狀的機翼”的專利申請，至今已有90多年的歷史。航空技術發展至今已有100多年，飛行器設計技術不斷進步。可收放起落架、襟翼、變后掠機翼等。實際上可以看作是“智能變形飛行器”發展的初始階段。

1979年，美國NASA與波音簽訂合同，發展柔性復合材料“自適應機翼”，可連續變化外形，獲得最大氣動效益，并于1987年進行飛行試驗。1985～1992年，NASA與Rockwell合作，開展“主動彈性機翼(AFW)”計劃，1996以后擴展為“主動氣動彈性機翼(AAW)”計劃。與此同時，美國國防部預研局NASA、空軍等機構聯合開展“智能翼(Smart?Wing)”研究計劃，展示了形狀記憶合金等智能材料的應用潛力。

機翼變形結構經歷了從表面到實質的變化過程。首先是“調整機翼形狀”。現有的一些飛機具備調整機翼形狀的能力，如美國的F-14“熊貓”戰斗機，V-22“魚鷹”傾轉旋翼機及F-117隱聲戰斗機等。這些飛機的機翼均為剛性結構，所謂“調整機翼形狀”實際上就是將機翼的某一部分移動一定角度或為止，與真正的“變形機翼”概念不是一回事。其次是“主動氣動彈性機翼(AAW)”。美國航空航天局和空軍研究實驗室正在驗證主動氣動彈性機翼。其概念也與變形機翼不同，而與萊特兄弟開發的“機翼翹面”控制系統類似，是采用副翼和前緣襟翼等傳統控制面從氣動上誘導輕質“柔性機翼”發生扭曲，以改善高性能軍用噴氣飛機的機動能力。

上述兩種機翼的變化都不是實質性的變化。真正的變形機翼概念是將新型智能材料、動作器、激勵器、傳感器無縫的綜合應用于飛行器的一種新的設計概念。變形機翼通過應用靈敏的傳感器和動作器，光滑而持續地改變記憶的形狀，對不斷改變的飛行條件做出響應，從而使飛機能像鳥一樣隨意的在空中進行盤旋、傾飛和側向滑行。也就是說，變形機翼可從根本上改善飛機的巡航和沖刺能力。

2003年，美國國防部預先研究計劃局(DARPA)正式啟動了“變形飛機結構(MAS)”項目。該項目通過在飛行中改變飛機的氣動外形，使飛機在執行不同任務、在不同飛行包線時都保持最佳的性能。DARPA的MAS研制計劃利用了近10年來在先進材料和控制技術領域的技術進步和研究成果，使機翼的外形得到徹底的改變，據稱這些新技術甚至具有可以使機翼表面積擴大到300％以上的潛在能力。DARPA現階段研制計劃的研制重點是：低聲速和跨聲速變形機翼技術，并提出了三種結構方案，分別是洛克希德·馬丁公司提出的“折疊機翼”方案，新一代航空技術公司提出的“滑動蒙皮”方案，雷聲公司提出的“壓縮機翼”方案。

此外，國內的很多學者對變體機翼結構也進行了大量的基礎性研究，如西北工業大學飛機結構強度研究所開展的變體飛行器結構振動特性研究；北京航空航天大學宇航學院飛行器設計與應用力學系對SMA復合材料層合板和壓電層合板自適應結構的變形進行了分析計算和變形控制；流體力學研究所針對不同馬赫數和攻角下自適應翼型舵面偏置角的規律、自適應機翼優化的氣動外形等進行了詳細的研究。

在變體機翼結構設計方面，2007年，西北工業大學航空學院解江博士在《機械科學與技術》著文“自適應機翼柔性翼肋的受控運動學規律研究”，設計了一種自適應機翼基本部件——柔性翼肋結構，，分析了模型設計的關鍵參數，推導出了單輸入驅動下柔性翼肋變形的運動學規律，并通過軟件仿真和模型實驗驗證了柔性翼肋受控運動規律的正確性。該柔性翼肋是由一些獨立的剛性單元通過轉軸和滑動鉸相互連接而成的，且每個翼肋都可以單獨驅動。柔性翼肋依靠其內部單元的偏轉運動并以一定運動學規律實現預期的機翼剖面形狀變化。翼肋單元由一個“內板”和兩個“外板”構成，每個單元都有4個連接孔，其中外側兩個孔用來安裝滑動鉸，內側兩個孔用來安裝轉軸。但由于該結構通過轉軸和滑動鉸相互連接，結構較為復雜，且偏轉角度受到一定限制。同時，該結構沒有相應的驅動單元，無法實現自動控制，偏轉精度較差。

發明內容

本發明的目的是，研制一種結構簡單、易于控制的自適應變體機翼后緣結構。實現機翼后緣結構快速、穩定、準確的達到預變形的目的。