CN114291249B - 一种变厚度机翼结构 - Google Patents

Abstract

本申请属于飞行器机翼结构技术领域，具体涉及一种变厚度机翼结构，包括：前缘、翼盒以及后缘，前缘的前梁与后缘的后梁通过翼盒固定连接；柔性蒙皮，铺设在由前缘、翼盒以及后缘构成的整体结构件上；多根驱动轴，分布在翼盒的上下两侧，且每个驱动轴的两端分别与前梁和后梁铰接；驱动器，用于驱动对应的一个驱动轴转动；多个曲盘，每个曲盘通过其连接部固定在对应的驱动轴上，以及通过其扇形部的呈弧形的外轮廓对与其接触的柔性蒙皮进行活动支撑，并同时将柔性蒙皮构造成与其外轮廓的形状相同的外形。本申请的变厚度机翼结构，其结构形式简单、紧凑，工程实用性较高，可以有效的实现机翼上下翼面复杂的厚度变化。

Description

一种变厚度机翼结构

技术领域

本申请属于飞行器机翼结构技术领域，具体涉及一种变厚度机翼结构。

背景技术

“基于曲盘驱动的变厚度机翼结构”是一种通过曲盘驱动机翼蒙皮产生变形，并进而使机翼厚度发生变化的一种变厚度机翼结构。其设计目的是实现机翼随飞行速度的变化进行机翼厚度的自适应调节。随着飞行器飞行速度的提高，其飞行包线所经历的速度范围正在不断的增加，而不同飞行速度下机翼所需的外形是不同的。针对宽速域的飞行器，其在低速时对应的最优气动外形厚度较大，在高速时对应的气动外形较薄。通过机翼厚度的自适应变化，飞行器的阻力、气动效率可得到显著改善。

但是，现有的变厚度机翼结构方案在可靠性、重量等方面仍难以满足高速飞行器的工程应用要求。

发明内容

为了解决现有技术中存在的至少一个技术问题，本申请提供了一种变厚度机翼结构。

本申请公开了一种变厚度机翼结构，包括：

由前向后依次设置的前缘、翼盒以及后缘，所述前缘包括位于其后部的前梁，所述后缘包括位于其前部的且与所述前梁平行设置的后梁，所述翼盒位于所述前梁与后梁之间并将所述前梁与后梁进行固定连接；

柔性蒙皮，其铺设在由所述前缘、翼盒以及后缘构成的整体结构件上；

多根驱动轴，多根所述驱动轴分布在所述翼盒的上下两侧，且每个所述驱动轴的两端分别与所述前梁和后梁铰接，以使得每根所述驱动轴能够在外力作用下绕其轴线转动；

多个驱动器，每个所述驱动器用于驱动对应的一个所述驱动轴转动；

多个曲盘，每个曲盘具有位于中间位置的连接部以及位于外侧的扇形部，多个所述曲盘通过其连接部固定设置在对应的驱动轴上，从而能够跟随所述驱动轴转动，以及，每个所述曲盘通过其扇形部的呈弧形的外轮廓对与其接触的所述柔性蒙皮进行活动支撑，并同时将所述柔性蒙皮构造成与其外轮廓的形状相同的外形，另外，每个所述扇形部的外轮廓线为非圆弧的弧线，该弧线的形状与所述翼盒的预变形形状以及该弧线对应的曲盘在所述翼盒上具体位置相适配。

根据本申请的至少一个实施方式，在所述翼盒的上下两侧的驱动轴的数量相同，以及上侧的多根所述驱动轴或下侧的多根所述驱动轴之间相互平行，且均匀间隔分布。

根据本申请的至少一个实施方式，每根所述驱动轴上的多个所述曲盘沿驱动轴的轴向均匀分布。

根据本申请的至少一个实施方式，所述柔性蒙皮为金属蒙皮，且金属蒙皮的位于机翼结构弦向方向的两端可伸缩。

根据本申请的至少一个实施方式，所述柔性蒙皮为蜂窝蒙皮。

根据本申请的至少一个实施方式，所述驱动器为驱动电机，所述驱动电机设置在所述前梁或后梁上，并与对应的驱动轴连接。

根据本申请的至少一个实施方式，所述翼盒的沿机翼结构弦向方向的截面呈回字形。

本申请至少存在以下有益技术效果：

1)本申请的变厚度机翼结构，通过对不同曲盘的设计组合，理论上可以实现任意的外形，从而可以有效的实现机翼上下翼面复杂的厚度变化；

2)本申请的变厚度机翼结构中，曲盘既可以起到驱动器的作用，又可以起到载荷传递的作用，因此结构形式简单、紧凑，工程实用性较高；

3)本申请的变厚度机翼结构所需驱动为驱动轴转动，驱动形式简单，可以通过传统驱动电机实现，驱动效率高。

附图说明

图1是本申请一具体实例的变厚度机翼结构的结构示意图(立体图)；

图2是与图1相同实例的变厚度机翼结构的结构示意图(主视图)；

图3是与图1相同实例的变厚度机翼结构中翼盒部分的结构示意图(主视图)；

图4是本申请的变厚度机翼结构中其中一种曲盘的结构示意图；

图5是本申请的变厚度机翼结构中其中一种曲盘的旋转驱动原理示意图(其中，图5a是驱动前，图5b是驱动后)。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要理解的是，在本申请的描述中可能涉及到的技术术语，例如“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

下面结合附图1-图5对本申请的变厚度机翼结构做进一步详细说明。

本申请为解决机翼在不同速域下机翼自适应变形的问题，针对复杂机翼变厚度问题给出结构方案，提高飞行器的飞行效率，同时提出结构设计方法。

本申请公开了一种变厚度机翼结构，可以包括由前向后依次设置的前缘7、翼盒5、后缘8，以及柔性蒙皮1、驱动轴3、驱动器和曲盘4。

具体的，如图1和图2所示，前缘7、翼盒5以及后缘8采用常规设计，即由前向后依次布置；并且，前缘7包括位于其后部的前梁2，后缘8包括位于其前部的且与前梁2平行设置的后梁6；另外，翼盒5位于前梁2与后梁6之间，翼盒5的两端(沿机翼结构弦向方向)分别与前梁2与后梁6进行固定，从而实现前梁2与后梁6的固定连接。可以理解的是，翼盒5在前梁2与后梁6之间起到连接作用，因此为了保证其强度，本实施例中优选翼盒5的沿机翼结构弦向方向的截面呈回字形。

柔性蒙皮1同样是与常规蒙皮铺设位置相同，具体是铺设在由前缘7、翼盒5以及后缘8构成的整体结构件上；其中，柔性蒙皮1需满足厚度变化时引起的长度变化，即具备大变形的能力，同时需要满足承载的要求。可以理解的是，柔性蒙皮1可以根据不同的需要选择目前已知的多种适合的材料，本实施例中，优选柔性蒙皮1可以为金属蒙皮或者蜂窝蒙皮；若选择为金属蒙皮，则金属蒙皮的位于机翼结构弦向方向的两端可伸缩；若为蜂窝蒙皮，则必须满足展向高承载。

驱动轴3的数量为多根，多根驱动轴3分布在翼盒5的上下两侧，且每个驱动轴3的两端分别与前梁2和后梁6铰接，以使得每根驱动轴3能够在外力作用下绕其轴线转动。

对应的，驱动器的数量为多个，每个驱动器用于驱动对应的一个驱动轴3转动；同样可以理解的是，驱动器的具体结构可以根据需要进行适合的选择，驱动器的具体安装位置可以根据实际空间和驱动速度进行设计，本实施例中，优选驱动器为驱动电机，驱动电机设置在前梁2或后梁6上(图中未示出)，并与对应的驱动轴3连接。

曲盘4的数量为多个，每个曲盘4的形状如图4或图5所示，具有位于中间位置的连接部41以及位于外侧的扇形部42；其中，多个曲盘4通过其连接部41固定设置在对应的驱动轴3上，从而能够跟随驱动轴3转动；以及，每个曲盘4通过其扇形部42的呈弧形的外轮廓对与其接触的柔性蒙皮1进行活动支撑(也即滑动连接，通过该连接方式，使得曲盘旋转时，其外轮廓与蒙皮之间产生滑动)，并同时将柔性蒙皮1构造成与其外轮廓的形状相同的外形；另外，每个扇形部42的外轮廓线为非圆弧的弧线，该弧线的形状与翼盒5的预变形形状(是通过翼盒5的变形实现机翼厚度的变化)以及该弧线对应的曲盘4在翼盒8上具体位置相适配。

需要说明的是，一方面是在翼盒5的上下两侧的驱动轴3的数量以及设置位置可以根据需要(机翼厚度变化时，上下翼面的具体外形需要)进行适合设置，第二方面是每根驱动轴3上曲盘4的数量及多个曲盘4在轴线的设置位置同样可以根据需要(机翼厚度变化时，上下翼面的具体外形需要)进行适合设置，第三方面，每个位置的曲盘4的外轮廓线(即上述弧线)的具体形状同样可以根据需要(机翼厚度变化时，上下翼面的具体外形需要)进行适合设置。

本实施例中，如图1-图3所示，优选在翼盒5的上下两侧的驱动轴3的数量相同，均未三根，以及上侧的三根驱动轴3或下侧的三根驱动轴3之间相互平行，且均匀间隔分布。进一步，优选每根驱动轴3上的曲盘4的数量为三个，三个曲盘4沿驱动轴3的轴向均匀分布。并且，每个曲盘4上外轮廓线(即上述弧线)上任一点与轴心的半径为变化的。

进一步，本申请的变厚度机翼结构中，曲盘驱动的原理如图5所示，驱动前，曲盘位置如图5a所示，驱动后曲盘位置如图5b所示。由于曲盘4的外轮廓为非圆弧曲线，当曲盘4旋转时，曲盘4与柔性蒙皮1的接触点距驱动轴3轴线的距离将产生变化，且该变化与曲盘轮廓外形直接相关，从而实现柔性蒙皮1的上下运动，即实现机翼的变厚度。

综上，本申请变厚度机翼结构中，可以通过对沿弦向的多个曲盘4的布置以及在对不同位置处的曲盘4的外轮廓进行设计，实现在驱动轴3转动时柔性蒙皮1沿弦向产生不同的轮廓。同样，也可以通过对沿展向的多个曲盘4的布置以及对不同位置处的曲盘4的外轮廓进行设计，实现驱动轴3转动时柔性蒙皮1沿展向产生不同的轮廓。进一步的，通过上述弦向和展向的曲盘4的外轮廓设计，可产生整个机翼上下翼面的复杂外形变化。

进一步的，本申请的变厚度机翼结构的设计步骤如下：

1)机翼初始外形和目标外形的确定；

通过采用气动优化软件，以不同工况下机翼的气动效率作为目标，采用基于类形状变换的参数化方法进行机翼气动外形的描述，并采用气动优化设计工具，进行不同工况下机翼气动外形的优化设计，获得各种工况下的最优气动外形。工况的数量可以根据飞机常用的使用工况数量进行确定。

2)以蜂窝式柔性蒙皮为例，该蒙皮的选型及结构设计；

根据气动载荷大小、材料力学性能参数，采用柔性蜂窝单胞拓扑优化设计工具，进行蜂窝式柔性蒙皮的设计，确定蜂窝式柔性蒙皮的型式及其于曲盘的连接方式。

3)曲盘轮廓理论分析；

根据第1)步中所确定的不同工况下的最优气动外形，通过插值方法确定弦向各位置处机翼厚度(主要指翼盒5的厚度)沿时间的变化曲线，根据该曲线确定曲盘的外形轮廓。

4)曲盘数量、位置优化；

根据变厚度机翼的变形精度吻合要求、结构重量要求，进行曲盘沿弦向的数量、位置优化，采用基于多目标的启发式优化算法进行设计。

5)变厚度机翼详细设计与驱动系统设计；

根据以上设计结果，进行变厚度机翼工程样机的详细设计，其中包括各连接结构的详细设计。此外，根据曲盘驱动速率、旋转范围、驱动载荷，确定变厚度机翼驱动系统电机的型号。

6)机翼变厚度功能验证。

最后，针对所设计变厚度机翼工程样机，设计相关的夹具及试验系统，进行变厚度的功能验证。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种变厚度机翼结构，其特征在于，包括：

由前向后依次设置的前缘(7)、翼盒(5)以及后缘(8)，所述前缘(7)包括位于其后部的前梁(2)，所述后缘(8)包括位于其前部的且与所述前梁(2)平行设置的后梁(6)，所述翼盒(5)位于所述前梁(2)与后梁(6)之间并将所述前梁(2)与后梁(6)进行固定连接；

柔性蒙皮(1)，其铺设在由所述前缘(7)、翼盒(5)以及后缘(8)构成的整体结构件上；

多根驱动轴(3)，多根所述驱动轴(3)分布在所述翼盒(5)的上下两侧，且每个所述驱动轴(3)的两端分别与所述前梁(2)和后梁(6)铰接，以使得每根所述驱动轴(3)能够在外力作用下绕其轴线转动；

多个驱动器，每个所述驱动器用于驱动对应的一个所述驱动轴(3)转动；

多个曲盘(4)，每个曲盘(4)具有位于中间位置的连接部(41)以及位于外侧的扇形部(42)，多个所述曲盘(4)通过其连接部(41)固定设置在对应的驱动轴(3)上，从而能够跟随所述驱动轴(3)转动，以及，每个所述曲盘(4)通过其扇形部(42)的呈弧形的外轮廓对与其接触的所述柔性蒙皮(1)进行活动支撑，并同时将所述柔性蒙皮(1)构造成与其外轮廓的形状相同的外形，另外，每个所述扇形部(42)的外轮廓线为非圆弧的弧线，该弧线的形状与所述翼盒(5)的预变形形状以及该弧线对应的曲盘(4)在所述翼盒(5)上具体位置相适配。

2.根据权利要求1所述的变厚度机翼结构，其特征在于，在所述翼盒(5)的上下两侧的驱动轴(3)的数量相同，以及上侧的多根所述驱动轴(3)或下侧的多根所述驱动轴(3)之间相互平行，且均匀间隔分布。

3.根据权利要求2所述的变厚度机翼结构，其特征在于，每根所述驱动轴(3)上的多个所述曲盘(4)沿驱动轴(3)的轴向均匀分布。

4.根据权利要求1所述的变厚度机翼结构，其特征在于，所述柔性蒙皮(1)为金属蒙皮，且金属蒙皮的位于机翼结构弦向方向的两端可伸缩。

5.根据权利要求1所述的变厚度机翼结构，其特征在于，所述柔性蒙皮(1)为蜂窝蒙皮。

6.根据权利要求1所述的变厚度机翼结构，其特征在于，所述驱动器为驱动电机，所述驱动电机设置在所述前梁(2)或后梁(6)上，并与对应的驱动轴(3)连接。

7.根据权利要求1所述的变厚度机翼结构，其特征在于，所述翼盒(5)的沿机翼结构弦向方向的截面呈回字形。