[發(fā)明專利]一種壓電纖維材料驅(qū)動(dòng)的后緣可變彎度機(jī)翼

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010121861.0
• 申請(qǐng)日: 2020-02-26
• 公開（公告）號(hào): CN111232186B
• 公開（公告）日: 2022-12-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 周文雅;張宗宇;王冠珺;李陽;胡欣涵;牟澤輝;王澤霖;呂維梁
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號(hào): B64C3/44
• 分類號(hào): B64C3/44
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責(zé)任公司 21212
• 代理人: 徐華燊;李洪福

本發(fā)明提供一種壓電纖維材料驅(qū)動(dòng)的后緣可變彎度機(jī)翼。本發(fā)明包括彎度不可變的前緣固定段、彎度可變的后緣柔性變形段和用于調(diào)節(jié)后緣柔性變形段變化程度的壓電纖維復(fù)合材料驅(qū)動(dòng)器。所述后緣柔性變形段包括柔性翼肋、桁條、變形蒙皮、分段變形蒙皮和分段變形蒙皮固定裝置。通過對(duì)壓電纖維復(fù)合材料驅(qū)動(dòng)器施加電壓激勵(lì)，將其產(chǎn)生的力矩通過蒙皮傳遞至柔性翼肋結(jié)構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)機(jī)翼后緣形狀連續(xù)光滑的改變。本發(fā)明能大幅度降低機(jī)翼結(jié)構(gòu)質(zhì)量，減少噪音和提高隱身特性，結(jié)合相應(yīng)的變形控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)飛行過程中機(jī)翼彎度變化的精準(zhǔn)控制，改善飛機(jī)的機(jī)動(dòng)和失速特性，大大增強(qiáng)了飛機(jī)的任務(wù)適應(yīng)性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及航空產(chǎn)品技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種壓電纖維材料驅(qū)動(dòng)的后緣可變彎度機(jī)翼。

背景技術(shù)

隨著軍民領(lǐng)域?qū)︼w行器性能要求的不斷提高，傳統(tǒng)機(jī)翼在改善飛行器任務(wù)適應(yīng)性和提升飛行器氣動(dòng)效率等方面存在瓶頸，亟需探討有效可行的解決方案。機(jī)翼變形技術(shù)為改善飛行器任務(wù)適應(yīng)性提供了新方法與新思路。

變形機(jī)翼設(shè)計(jì)理念由來已久。1903年，萊特兄弟的第一架飛機(jī)就采用機(jī)翼扭轉(zhuǎn)變形的方式實(shí)現(xiàn)了飛行狀態(tài)的控制。1920年，Parker提出了將機(jī)械運(yùn)動(dòng)和順應(yīng)性結(jié)構(gòu)結(jié)合的變彎度機(jī)翼設(shè)計(jì)構(gòu)想。20世紀(jì)80年代始，機(jī)翼主動(dòng)變形技術(shù)引起廣泛關(guān)注，美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室(AFRL)、國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPL)及美國(guó)航空航天局(NASA)等研究機(jī)構(gòu)先后開展了任務(wù)自適應(yīng)機(jī)翼(MAW)、主動(dòng)柔性機(jī)翼(AFW)、智能機(jī)翼(Smart Wing)和主動(dòng)氣動(dòng)彈性機(jī)翼(AAW)等一系列項(xiàng)目的研究；歐洲相關(guān)國(guó)家也相繼進(jìn)行了機(jī)翼主動(dòng)變形技術(shù)的研究，其大部分項(xiàng)目是在歐盟框架計(jì)劃內(nèi)開展的，目前已開展過的或正在進(jìn)行的相關(guān)項(xiàng)目主要有CHANGE、SARISTU、SMS和3AS項(xiàng)目等。國(guó)內(nèi)針對(duì)變形機(jī)翼研究起步較晚，但也取得了較為豐碩的研究成果，相關(guān)研究成果主要集中在北京航空航天大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)等。

變形機(jī)翼相較于傳統(tǒng)機(jī)翼擁有眾多優(yōu)勢(shì)。首先，其能夠根據(jù)飛行環(huán)境和任務(wù)的變化，主動(dòng)改變形狀以改善氣動(dòng)性能，滿足在變化飛行條件下完成多任務(wù)的要求；此外，變形機(jī)翼多采用連續(xù)、光滑的變形結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)離散形式的操縱舵面，能夠最大限度地維持附著流動(dòng)，優(yōu)化壓力分布，提高隱身性能，降低噪音污染。

如上所述，變形機(jī)翼的設(shè)計(jì)與研制具有重要的科研價(jià)值和較高的研究熱度。當(dāng)前階段，國(guó)內(nèi)外研究人員雖對(duì)機(jī)翼變形技術(shù)開展了大量研究，但仍存在若干問題限制了該技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展。如在美國(guó)的任務(wù)自適應(yīng)機(jī)翼項(xiàng)目中，針對(duì)F-111飛機(jī)設(shè)計(jì)了含有多鉸接的自適應(yīng)變彎度結(jié)構(gòu)，采用傳統(tǒng)液壓驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)機(jī)翼發(fā)生彎度變化，但最終由于變形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量損失大等原因停止了該項(xiàng)目的進(jìn)一步研究。南京航空航天大學(xué)及西北工業(yè)大學(xué)的相關(guān)研究學(xué)者也先后設(shè)計(jì)過由多個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的多鉸接可變彎度自適應(yīng)機(jī)翼，同樣存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、易卡死等缺點(diǎn)，由機(jī)翼變形所帶來的氣動(dòng)收益甚至無法抵消由于增設(shè)變形結(jié)構(gòu)所帶來的重量損失。除了電機(jī)、液壓等傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)外，氣動(dòng)肌肉、形狀記憶合金、超聲電機(jī)等智能材料驅(qū)動(dòng)器也被廣泛應(yīng)用于變形機(jī)翼的設(shè)計(jì)中，但也均存在相應(yīng)的局限性，如形狀記憶合金的驅(qū)動(dòng)速率較慢，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)針對(duì)機(jī)翼變形指令的快速精確跟蹤。氣動(dòng)肌肉的控制精度一般，且存在遲滯效應(yīng)。超聲電機(jī)的使用壽命及耐疲勞程度能否滿足機(jī)翼長(zhǎng)時(shí)間服役的性能需求尚有待考證。

現(xiàn)階段的變彎度機(jī)翼設(shè)計(jì)方案的主要難點(diǎn)集中在以下兩個(gè)方面：(1)兼具氣動(dòng)承載能力與柔順靈活變形能力的輕量化柔性支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；(2)輕質(zhì)高輸出驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)。

發(fā)明內(nèi)容

根據(jù)上述提出的技術(shù)問題，而提供一種由壓電纖維復(fù)合材料驅(qū)動(dòng)的可變后緣彎度機(jī)翼，采用高能量密度的復(fù)合材料MFC作為機(jī)翼變形驅(qū)動(dòng)器，機(jī)翼的翼肋結(jié)構(gòu)中采用波紋結(jié)構(gòu)，其具有極端各向異性性能，既解決了柔順變形能力與氣動(dòng)承載能力之間的矛盾，又克服了傳統(tǒng)多鉸接變形翼肋設(shè)計(jì)中的存在結(jié)構(gòu)縫隙及難以與機(jī)翼蒙皮相適應(yīng)的缺點(diǎn)。本發(fā)明采用的技術(shù)手段如下：