[發明專利]一種基于壓電纖維復合材料MFC驅動的智能變形翼梢小翼

在審

• 申請號: 202211575471.6
• 申請日: 2022-12-08
• 公開（公告）號: CN115892444A
• 公開（公告）日: 2023-04-04
• 發明（設計）人: 肖江海;李群;陳祥華;張堰銘
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: B64C3/38
• 分類號: B64C3/38
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 弋才富

一種基于壓電纖維復合材料MFC驅動的智能變形翼梢小翼，包括機翼，在機翼翼梢開有安裝槽，安裝槽內設置有尺寸小于安裝槽的壓電材料MFC驅動元件，壓電材料MFC驅動元件與通過鉸鏈連接小翼，壓電材料MFC驅動元件通低電壓；利用壓電材料MFC片作為驅動元件，通過鉸鏈將MFC的彎曲變形轉化為翼梢小翼的旋轉變形；本發明基于壓電纖維復合材料MFC驅動的智能變形翼梢小翼，既可以減小翼尖渦與誘導阻力，同時還能在飛行器飛行過程中根據飛行狀態和任務主動自適應調整自身幾何參數及布局方式，柔順地改變機翼的形狀，從而在飛行各個階段都能通過低輸入電壓控制飛行器趨近于最佳氣動性能。

技術領域

本發明屬于智能飛行器結構與壓電材料技術領域，特別涉及一種基于壓電纖維復合材料MFC驅動的智能變形翼梢小翼。

背景技術

飛機在飛行過程中，機翼下翼面的高壓氣流會繞過翼稍流向上翼面形成強烈的渦旋氣流，并從機翼向后延伸很長的距離。這些氣流會帶走能量，同時增加誘導阻力。因此，飛機在降落時在后方會拖曳出高強度的尾渦，需要2～3分鐘才能消散。在漩渦沒有完全耗散時，后續跟進的飛機將會發生激烈的滾轉或猛烈的下降，甚至會導致飛機墜毀。

為了抑制翼尖渦的產生，NASA的技術人員，R·T·惠特科姆在'ADesignApproachandSelectedWind-TunnelResultsatHighSubsonicSpeedsFor?Wing-TipMountedWinglets'《高亞音速翼尖安裝小翼的設計方法和選定風洞結果》中描述了‘小翼’的基本設計和操作效能，翼稍小翼是與翼面成一定角度的小翼結構，通過降低因翼尖渦引起的誘導阻力來提高飛行效率。其能夠抑制翼尖渦的原理在于，翼梢小翼本身可看作一個小型機翼，能夠產生翼尖渦，且所產生的翼尖渦的方向與主機翼產生的翼尖渦的方向相反，且相距很近。在粘性耗散的作用之下，兩股渦流互相纏繞，相互抵消，因此達到減少誘導阻力的目的。且翼梢小翼的安裝可以對機翼下表面的繞流起到阻擋作用，有有效地削弱翼尖渦的強度。

翼梢小翼的幾何參數以及布局方式均會對其效果產生影響。優化翼梢小翼的設計參數，能夠在飛機巡航階段有效地提升機翼的效率；但是在飛機的起飛與爬升階段，針對于巡航階段所設計的翼梢小翼只能帶來很小的氣動增量，有時甚至還會產生負增益的效果。因此，為了實現全航段優化氣動性能的作用，提出了能夠根據飛行任務和狀態自適應變形的翼梢小翼的解決方案很有必要。

發明內容

為了克服上述現有技術的缺陷，本發明的目的在于提供一種基于壓電纖維復合材料MFC驅動的智能變形翼梢小翼，基于MFC驅動的智能變形翼梢小翼，既可以減小翼尖渦與誘導阻力，同時還能在飛機飛行過程中根據飛行狀態和任務主動自適應調整自身幾何參數及布局方式，柔順地改變飛機的形狀，從而在飛行各個階段都能使飛機更加趨近于最佳的氣動性能，同時，極大地降低了驅動裝置的重量和體積，為智能飛行器的小型化、智能化提供了基礎和條件，驗證了通過低輸入電壓控制壓電材料驅動智能飛行器實現自適應變形的可行性。

為了達到上述目的，本發明所采用的技術方案是：

一種基于壓電纖維復合材料MFC驅動的智能變形翼梢小翼，利用壓電材料MFC片作為驅動元件，將壓電材料MFC的彎曲變形轉化為小翼的旋轉變形。

一種基于壓電纖維復合材料MFC驅動的智能變形翼梢小翼，包括機翼1，在機翼2翼梢開有安裝槽5，安裝槽5內設置有尺寸小于安裝槽5的壓電材料MFC驅動元件2，壓電材料MFC驅動元件2與通過鉸鏈4連接小翼3，壓電材料MFC驅動元件2通0-5V的低電壓。

所述的壓電材料MFC驅動元件2采用的MFC為P₁型。

所述小翼3與垂直面之間的角度定義為外傾角α，外傾角的變化Δα通過公式(1)獲得：

其中，S是與小翼3連接的鉸鏈4的短柄長度；y是壓電材料MFC驅動元件2豎直方向位移y的彎曲高度。