一種可連續變形阻力方向舵的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種可連續變形阻力方向舵，屬于可變形飛行器技術領域。所述的可連續變形阻力方向舵包括不可變形的剛體部分和可對稱開裂并實現連續變形的柔性部分；所述剛體部分占整個翼段長度的前60％?80％，其余為柔性部分；剛體部分和柔性部分為可拆卸連接形式。本發明將連續變形技術應用于阻力方向舵，實現舵面的連續偏轉，從而增加了舵面彎度。與傳統的阻力方向舵相比，當后緣端點位移相同時，可變形阻力方向舵能夠提供更大的壓差阻力，從而獲得更大的偏航力矩，提高了飛翼布局飛機的偏航效率。
【專利說明】
一種可連續變形阻力方向舵
技術領域
[0001]本發明屬于可變形飛行器技術領域，具體涉及一種可連續變形阻力方向舵。
【背景技術】
[0002]飛翼布局飛機取消了立尾和方向舵，具有結構簡單、氣動效率高、隱身性能好等優點，在各種飛機布局形式中具有較大優勢，如世界上最先進的B-2隱身轟炸機。這種新的布局形式具有很多優點，但同時也對飛行器的控制方面和偏航穩定性提出了新的要求。
[0003]飛翼布局飛機主要依靠阻力式偏航裝置完成偏航任務。目前常見的阻力式偏航裝置包括開裂式阻力方向舵、全動翼尖、嵌入面等，其中開裂式阻力方向舵最為常見。開裂式阻力方向舵通常布置在飛翼布局飛機機翼的副翼外側，從而獲得較大的力臂。當一側方向舵打開后會引起較大的壓差阻力，由于附加阻力較大并且其力臂較長，因此可以獲得足夠的偏航力矩。但根據現有的資料發現目前所見到的傳統阻力方向舵還存在一些不足:1.傳統阻力方向舵雖能幫助飛翼布局飛機完成正常的偏航任務，但偏航效率不高；2.舵面均為剛性，無法實現靈活的變形;3.阻力方向舵后方氣體流動復雜，而傳統阻力方向舵舵面在根部固定，因此舵面后緣存在發生顫振的可能;4.舵面的偏轉依靠舵面根部的電機驅動，舵面后緣的氣動力經過力臂的放大后作用于電機，對電機的穩定性提出了更高的要求。綜上所述，傳統的阻力方向舵難以滿足人們對飛翼布局飛機多任務、多功能的需求。
[0004]隨著近年來可變形機翼的發展，連續可變形機翼成為研究熱點。機翼的連續變形將大大提高飛行器的操縱效率以適應更復雜的飛行環境。機翼后緣變形可以顯著地改善飛行器的氣動特性，對飛機的低速巡航、起飛著陸具有重要意義；下偏時可以巡航減阻，從而節省燃料、增加航程;還可以取代傳統控制面，用于飛行控制來改善性能。
【發明內容】
[0005]本發明針對傳統阻力方向舵效率偏低，無法實現靈活變形的不足，提供了一種可連續變形阻力方向舵及其內部變形結構，這種新型可連續變形阻力方向舵可以通過增加舵面彎度來增大阻力系數，提高偏航效率，并通過CR)仿真進行了計算驗證。同時柔性部分采用桁架結構，可提高承受氣動載荷的能力，驅動機構中的蝸輪蝸桿機構具有自鎖功能，并且驅動力作用到舵面后緣，降低發生顫振的可能，從而提高了穩定性。
[0006]本發明提供的一種可連續變形阻力方向舵，主要包括兩部分:不可變形的剛體部分和可對稱開裂并實現連續變形的柔性部分。其中所述不可變形的剛體部分占整個翼段長度的前60%_80%，其余長度部分為柔性部分。所述的剛性部分的內部結構和蒙皮材料與常規飛機機翼相同，此部分主要用來安裝伺服電機、行星減速器、蝸輪蝸桿傳動裝置以及卷揚機構，工作時伺服電機驅動行星減速器，進而帶動蝸桿正向或反向轉動，通過蝸輪驅動卷揚機構拉動或松開鋼索來實現后緣的打開或閉合。所述的可對稱開裂并實現連續變形的柔性部分，柔性部分內部由若干可相對轉動的桁架結構作為支撐，其材質為鋁合金。在每一舵面內偵U，各桁架結構均與一彈簧片滑動連接，它可以使可變形阻力方向舵在沒有驅動力作用時快速恢復到原來的位置，柔性部分的可變形蒙皮使用預拉伸彈性復合材料蒙皮，蒙皮與支撐結構之間通過膠接連接，蒙皮的預拉伸可以防止舵面偏轉時發生非預期的變形。舵面依靠固定在后緣的鋼索牽引來實現偏轉，鋼索穿過每一桁架上的圓形限位孔連接到剛體部分的卷揚機構上。剛體部分和柔性部分設計成可拆卸形式，兩部分裝配好后通過螺栓連接，方便維護。
[0007]本發明的優點在于:
[0008](I)本發明將連續變形技術應用于阻力方向舵，實現舵面的連續偏轉，從而增加了舵面彎度。與傳統的阻力方向舵相比，當后緣端點位移相同時，可變形阻力方向舵能夠提供更大的壓差阻力，從而獲得更大的偏航力矩，提高了飛翼布局飛機的偏航效率。
[0009](2)本發明中柔性部分的變形結構是由多個桁架結構連接而成，與目前以有的變形結構相比，其能夠提高承受氣動載荷以及其他載荷作用的能力，防止結構在過大的外載荷作用下由于壓潰作用發生變形或破壞。
[0010](3)本發明使用蝸輪蝸桿機構作為傳動裝置，具有自鎖功能，防止自動回位現象的發生，提尚了方向航的穩定性。
[0011](4)本發明相較于驅動力作用于舵面根部的傳統阻力方向舵，其鋼索的驅動力作用于舵面后緣，可以降低舵面在復雜氣動力作用下發生顫振的可能性。
[0012](5)本發明中各部分均采用模塊化處理，除可變形蒙皮外無不可拆卸部分，方便了之后的檢查和維修，并且降低了維修成本。
【附圖說明】
[0013]圖1為可變形阻力方向舵的三維結構示意圖。
[0014]圖2為剛體部分三維結構示意圖。
[0015]圖3為柔性部分三維結構示意圖。
[0016]圖4為桁架模塊示意圖。
[0017]圖5為桁架連接示意圖。
[0018]圖6為剛體部分和柔性部分連接示意圖。
[0019]圖7為傳統方向舵和可變形方向舵阻力系數對比曲線圖。
[0020]圖中:
[0021]1.剛體部分； 2.柔性部分； 3.常規翼肋； 4.蒙皮；
[0022]5.伺服電機； 6.行星減速器；7.蝸輪蝸桿機構；8.卷揚機構；
[0023]9.鋼索；10.桁架結構； 11.可變形蒙皮；12.彈簧片；
[0024]13.支撐架； 14 J力板；15.減重孔； 16.圓形限位孔；
[0025]17.條形限位孔；18.銷釘；19.螺栓孔；20.螺栓。
【具體實施方式】
[0026]為了使本發明的目的及優點更加清楚明白，以下結合附圖對本發明進行進一步說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。
[0027]本發明將連續變形技術應用于阻力方向舵，實現舵面的連續偏轉，從而增加了舵面彎度。與傳統的阻力方向舵相比，當后緣端點位移相同時，可變形阻力方向舵能夠提供更大的壓差阻力，從而獲得更大的偏航力矩，提高了飛翼布局飛機的偏航效率。
[0028]如圖1所示，本發明提供的是一種可連續變形阻力方向舵，包括不可變形的剛體部分I和可對稱開裂并實現連續變形的柔性部分2。所取翼段總長為lm，翼型為NACA0012。優選的，所述不可變形的剛體部分I占整個翼段長度的前75%，所述可對稱開裂并實現連續變形的柔性部分2占整個翼段長度的后25%。
[0029]圖2詳細展示了所述剛體部分I的具體結構。所述的剛體部分I由常規翼肋3和蒙皮4組成，其材質均為鋁合金，內部安裝有伺服電機5、行星減速器6、蝸輪蝸桿機構7以及卷揚機構8。所述的行星減速器6安裝在伺服電機5的輸出軸與蝸輪蝸桿機構7的輸入軸之間，用于降低蝸桿蝸桿機構7的轉速。所述的卷揚機構8與蝸輪蝸桿機構7的輸出軸連接，卷揚機構8與柔性部分2之間通過鋼索9連接。工作時，伺服電機5帶動蝸桿蝸桿機構7正向或反向轉動，并驅動卷揚機構8拉動或松開鋼索9來實現后緣的打開或閉合，同時蝸輪蝸桿機構7具有自鎖功能，防止自動回位現象的發生，提高了結構的穩定性。
[0030]圖3詳細展示了所述柔性部分2的具體結構，所述柔性部分2的可轉動翼肋由若干尺寸隨弦向厚度變化的桁架結構10連接而成，其材質為鋁合金。使用預拉伸彈性復合材料作為可變形蒙皮11包覆在所述的桁架結構10外側，可變形蒙皮11與桁架結構10之間通過膠接連接，可變形蒙皮11的預拉伸可以防止舵面偏轉時發生非預期的變形。在每一舵面內側，各桁架結構10均與一彈簧片12滑動連接。舵面依靠鋼索9牽引來實現偏轉。鋼索9的一端固定于舵面后緣，具有更強的穩定性，降低發生顫振的可能。鋼索9的另一端依次穿過每一桁架結構10上的限位孔連接到剛體部分I的卷揚機構8上。靠近剛體部分I的第一節桁架結構10通過支撐架13與柔性部分2的前端壁面轉動連接。
[0031 ]圖4為單個桁架結構10示意圖，桁架結構10由五塊板組成，其中四塊板組成平行四邊形(本例為菱形)，在所述的平行四邊形結構中間增加了第五塊板一一肋板14，形成以肋板14為底邊的兩個穩定的三角形結構，其能夠提高承受氣動載荷以及其他載荷作用的能力，防止結構在過大的外載荷作用下由于壓潰作用發生變形或破壞。為了減輕結構重量，桁架結構10中的五塊板在不影響結構強度的基礎上開有減重孔15。所述肋板14的兩端分別與平行四邊形的兩個對角連接，在第一個連接處的三塊板上均開有限制鋼索9位置的圓形限位孔16，限制鋼索9運動，防止其在運動過程中與可變形蒙皮11發生摩擦。在第二個連接處的外側設置有沿板寬度方向的條形限位孔17，用來限制彈簧片12的運動。在每個三角形結構的頂角處沿板寬度方向設置有圓孔。
[0032]圖5為桁架結構10連接示意圖，相鄰的兩個桁架結構10的三角形結構的頂角處的圓孔通過銷釘18連接，在保證各桁架結構10之間可以繞銷釘18自由轉動的同時，還可以保證桁架結構10能夠承受較大的拉應力。彈簧片12依次穿過所有桁架結構的條形限位孔17，實現滑動連接，避免了過定位造成的結構破壞。彈簧片12的恢復力可以使柔性舵面在鋼索9拉力減小時快速恢復到原來的位置。
[0033]圖6為剛性部分I與柔性部分2的連接示意圖。阻力方向舵除可變形蒙皮11不可拆卸外，各部分均采用模塊化處理。其中剛體部分I和柔性部分2也設計成可拆卸形式，兩部分在連接處都開設有螺栓孔19，兩部分分別裝配好后通過螺栓20連接，方便了之后的檢查和維修，并且降低了維修成本。
[0034]圖7為傳統方向舵和可變形方向舵在攻角0°、舵偏角20°工況下的阻力系數對比曲線圖。從阻力系數迭代曲線可以看出，穩定后可變形阻力方向舵的時均阻力系數約為0.28，而常規阻力方向舵的阻力系數為0.2。可以看出可變形阻力方向舵可以有效提高阻力系數，獲得更大的偏航力矩，從而提尚偏航效率。
[0035]需要指出的是，以上所述，僅為本發明的具體實施實例，實例中所使用的數據和圖表僅用于說明本方法的具體思路。對于本領域的技術人員來說，凡在本發明的精神和原則之內，可輕易想到的變化或同等替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應以所述權利要求的保護范圍為準。
【主權項】
1.一種可連續變形阻力方向舵，其特征在于:包括不可變形的剛體部分和可對稱開裂并實現連續變形的柔性部分;所述剛體部分占整個翼段長度的前60%-80%，其余為柔性部分;剛體部分和柔性部分為可拆卸連接形式。2.根據權利要求1所述的一種可連續變形阻力方向舵，其特征在于:所述的剛體部分由常規翼肋和蒙皮組成，內部安裝有伺服電機、行星減速器、蝸輪蝸桿機構以及卷揚機構，所述的行星減速器安裝在伺服電機的輸出軸與蝸輪蝸桿機構的輸入軸之間，所述的卷揚機構與蝸輪蝸桿機構的輸出軸連接，卷揚機構與柔性部分之間通過鋼索連接;工作時，伺服電機帶動蝸桿蝸桿機構正向或反向轉動，并驅動卷揚機構拉動或松開鋼索來實現后緣的打開或閉合。3.根據權利要求2所述的一種可連續變形阻力方向舵，其特征在于:所述的蝸輪蝸桿機構具有自鎖功能，防止自動回位現象的發生。4.根據權利要求1所述的一種可連續變形阻力方向舵，其特征在于:所述的柔性部分的可轉動翼肋由若干尺寸隨弦向厚度變化的桁架結構連接而成，使用預拉伸彈性復合材料作為可變形蒙皮包覆在所述的桁架結構外側，可變形蒙皮與桁架結構之間通過膠接連接，在每一舵面內側，各桁架結構均與一彈簧片滑動連接，舵面依靠鋼索牽引來實現偏轉;鋼索的一端固定于舵面后緣，另一端依次穿過每一桁架結構上的圓形限位孔連接到剛體部分的卷揚機構上。5.根據權利要求4所述的一種可連續變形阻力方向舵，其特征在于:每個桁架結構由五塊板組成，其中四塊板組成平行四邊形，在所述的平行四邊形結構中間增加了第五塊板一一肋板，形成以肋板為底邊的兩個穩定的三角形結構，所述肋板的兩端分別與平行四邊形的兩個對角連接，分別稱為第一連接處和第二連接處，在第一連接處的三塊板上均開有限制鋼索位置的圓形限位孔，防止其在運動過程中與可變形蒙皮發生摩擦;在第二連接處的外側設置有沿板寬度方向的條形限位孔，用來限制彈簧片的運動;在每個三角形結構的頂角處沿板寬度方向設置有圓孔;相鄰的兩個桁架結構的三角形結構的頂角處的圓孔通過銷釘連接，彈簧片依次穿過所有桁架結構的條形限位孔，實現滑動連接，彈簧片的恢復力可以使柔性舵面在鋼索拉力減小時快速恢復到原來的位置。6.根據權利要求5所述的一種可連續變形阻力方向舵，其特征在于:桁架結構中的五塊板上開有減重孔。
【文檔編號】B64C9/00GK105966600SQ201610320494
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月16日
【發明人】李道春, 向錦武, 劉其琛, 吳沂寧
【申請人】北京航空航天大學