一种飞行器及可变形机翼

1.本发明涉及飞行器及其周边配套技术领域，特别是涉及一种飞行器及可变形机翼。


背景技术：

2.随着先进制造技术领域的快速发展，提高飞行器的气动效率，是航空工程研究人员一直以来关注和研究的重点。可变形机翼涌现出多种变形结构设计，使用刚性结构可以实现变弯度驱动机翼变形，利用对机翼的优化设计以找出气动效率更优的翼型结构，通过使用柔性蒙皮结构可以实现机翼的可连续变形，使用人工肌肉驱动单元可以实现机翼的弯曲变形。变形机翼可分为大变形、中等变形和局部变形，这种气电耦合可变形机翼结构可以实现大变形。
3.随着科学技术的不断发展，人们对飞行器的气动效率、重量要求、耗油率、噪声、环保、安全和可靠性要求在不断提高。变形是一种很有前途的仿生技术，通过调整机翼形状，在任何飞行条件下获得最佳效率，有可能使飞机更经济、更可持续。为了进一步降低飞行成本和环境污染，需要更彻底地偏离传统的飞机设计，出现的有前途的技术是主动变形，这使得飞机在飞行中能够进行形状转换，实现可持续变形。近年来，形状记忆合金、柔顺机构和压电材料等材料科学的先进发展又使变形成为可能，在线优化具有根据任何特定飞行条件定制机翼形状的潜力，以实现基于飞行中测量的最佳气动性能。智能变形机翼可以感知环境，调整机翼形状，在任何情况下都能达到最佳性能，使其完全适应任务。
4.西安交通大学蔡勇老师的《基于介电弹性体柔性驱动的蒙皮结构的研究》首先提出了一种铰链式机翼骨架结构，以及与骨架结构相对应的蒙皮驱动单元结构。对驱动单元进行了制备，分析和优化了驱动性能。将制备好的蒙皮驱动单元与机翼骨架组装好，电载荷驱动下蒙皮结构产生45
°
弯曲变形，满足弯曲变形角度为15
°
的设计要求。其次是在蒙皮驱动单元中加入纤维层，为驱动单元增加了刚度调节功能，为小型变体无人机的研发提供技术支撑，提高现有的机翼变形技术的智能化程度。对于机械传动结构，在实现弯曲的过程中，会产生较大的摩擦力，影响机翼飞行过程中的气动效率和可控性。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种飞行器及可变形机翼，以解决上述现有技术存在的问题，降低机翼变形过程中的摩擦力，提高机翼的安全可靠性。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种可变形机翼，包括多组依次相连的变形机构，所述变形机构包括依次相连的：
7.前缘机翼；
8.主体部分，所述主体部分包括气囊和设置于所述气囊上下两侧的蒙皮，所述气囊由柔性材质制成，且所述气囊为中空结构且分为上腔体和下腔体，所述上腔体和所述下腔体分别与气源相连通，所述蒙皮与所述气囊相连，所述蒙皮为智能蒙皮，所述蒙皮能够带动
所述气囊产生形变；所述蒙皮与所述气囊之间设置有第一静电吸附变刚度元件，所述气囊的两侧面均连接有第二静电吸附变刚度元件，相邻的所述变形机构的所述主体部分利用所述第二静电吸附变刚度元件吸附相连；
9.后缘机翼，所述后缘机翼的两侧面均连接有第三静电吸附变刚度元件，相邻的所述变形机构的所述后缘机翼利用所述第三静电吸附变刚度元件吸附相连；
10.所述蒙皮、所述第一静电吸附变刚度元件、所述第二静电吸附变刚度元件以及所述第三静电吸附变刚度元件均与电源相连。
11.优选地，所述气囊包括中间隔断，所述中间隔断的上下两侧对称设置有多个分支，所述分支沿所述前缘机翼和所述后缘机翼的连线方向排布，所述分支为中空结构，位于所述中间隔断的同一侧的所述分支的内腔相连通以形成所述上腔体和所述下腔体。
12.优选地，所述分支沿所述前缘机翼和所述后缘机翼的连线方向等间距排布。
13.优选地，沿所述前缘机翼到所述后缘机翼方向，所述分支的高度逐渐降低。
14.优选地，所述中间隔断的两端设置有连接板，所述前缘机翼以及所述后缘机翼均设置有连接槽，所述第一静电吸附变刚度元件的端部、所述蒙皮的端部以及所述连接板均伸入所述连接槽内并固定。
15.优选地，所述蒙皮包括薄膜和设置于所述薄膜上的胶带电极、粗细玻璃条，所述胶带电极与所述电源相连，所述粗细玻璃条的数量为多根，所述粗细玻璃条沿所述前缘机翼和所述后缘机翼的连线方向排布，所述粗细玻璃条与所述分支相连。
16.优选地，所述分支具有插槽，所述粗细玻璃条与所述插槽插接相连。
17.优选地，所述后缘机翼的侧面还连接有弹性体，所述弹性体为中空结构，所述弹性体与气源相连通，所述弹性体位于所述后缘机翼与所述第三静电吸附变刚度元件之间。
18.优选地，所述弹性体与所述第三静电吸附变刚度元件之间还设置有硬片。
19.本发明还提供一种飞行器，包括上述的可变形机翼。
20.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：本发明的可变形机翼，包括多组依次相连的变形机构，变形机构包括依次相连的前缘机翼、主体部分和后缘机翼，其中，主体部分包括气囊和设置于气囊上下两侧的蒙皮，气囊由柔性材质制成，且气囊为中空结构且分为上腔体和下腔体，上腔体和下腔体分别与气源相连通，蒙皮与气囊相连，蒙皮为智能蒙皮，蒙皮能够带动气囊产生形变；蒙皮与气囊之间设置有第一静电吸附变刚度元件，气囊的两侧面均连接有第二静电吸附变刚度元件，相邻的变形机构的主体部分利用第二静电吸附变刚度元件吸附相连；后缘机翼的两侧面均连接有第三静电吸附变刚度元件，相邻的变形机构的后缘机翼利用第三静电吸附变刚度元件吸附相连；蒙皮、第一静电吸附变刚度元件、第二静电吸附变刚度元件以及第三静电吸附变刚度元件均与电源相连。
21.本发明的可变形机翼，包括多组变形机构，变形机构包括前缘机翼、主体部分和后缘机翼，其中，气囊包括上腔体和下腔体，气源向上腔体充气时，主体部分产生向下的弯曲，当气源向下腔体充气时，主体部分产生向上的弯曲；气囊上下两侧均设置蒙皮，蒙皮为智能蒙皮，当气囊上部的蒙皮通电时，蒙皮能够带动气囊产生向下的弯曲变形，当气囊下部的蒙皮通电时，蒙皮能够带动气囊产生向上的弯曲变形，在蒙皮和气囊的共同作用下，变形机构能够产生连续变形，当变形机构变形到预设角度时，位于蒙皮与气囊之间的第一静电吸附变刚度元件通电，撤去施加在气囊上的气压和蒙皮上的电压，第一静电吸附变刚度元件能
够使变形机构稳定在此预设的变形角度。本发明的可变形机翼包括多组依次相连的变形机构，气囊的两侧面均设置有第二静电吸附变刚度元件，以实现相邻变形机构的主体部分的吸附连接，相邻变形机构的后缘机翼利用第三静电吸附变刚度元件实现吸附连接，在独立控制每一个变形机构实现其对应变形量的同时，通过控制第二静电吸附变刚度元件和第三静电吸附变刚度元件，能够控制多组变形机构实现连续变形。本发明的可变形机翼，采用气动和电动相结合的控制方式，相较于现有技术中的电机机械驱动，减小了弯曲过程中的摩擦力，有利于提高机翼飞行过程中的可控性，同时减小了机翼质量。本发明还提供一种飞行器，包含上述的可变形机翼，某一组变形机构出现故障时，不影响其他变形机构的正常工作，提高了飞行器飞行过程中机翼的安全可靠性。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1为本发明的可变形机翼的结构示意图；
24.图2为本发明的可变形机翼的变形机构的结构示意图；
25.图3为本发明的可变形机翼的前缘机翼的结构示意图；
26.图4为本发明的可变形机翼的后缘机翼的结构示意图；
27.图5为本发明的可变形机翼的气囊的结构示意图；
28.图6为本发明的可变形机翼的蒙皮的结构示意图；
29.图7为本发明的可变形机翼的第二静电吸附变刚度元件的结构示意图；
30.图8为本发明的可变形机翼的其他实施例中后缘机翼的结构示意图。
31.其中，100为可变形机翼，200为变形机构；
32.1为前缘机翼，2为气囊，201为中间隔断，202为分支，203为连接板，204为进气口，3为蒙皮，301为薄膜，302为胶带电极，303为粗细玻璃条，4为后缘机翼，5为第二静电吸附变刚度元件，6为弹性体，7为第三静电吸附变刚度元件，8为硬片。
具体实施方式
33.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.本发明的目的是提供一种飞行器及可变形机翼，以解决上述现有技术存在的问题，降低机翼变形过程中的摩擦力，提高机翼的安全可靠性。
35.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
36.本发明提供一种可变形机翼100，包括多组依次相连的变形机构200，变形机构200包括依次相连的前缘机翼1、主体部分和后缘机翼4，其中，主体部分包括气囊2和设置于气
囊2上下两侧的蒙皮3，气囊2由柔性材质制成，且气囊2为中空结构且分为上腔体和下腔体，上腔体和下腔体分别与气源相连通，蒙皮3与气囊2相连，蒙皮3为智能蒙皮3，蒙皮3能够带动气囊2产生形变；蒙皮3与气囊2之间设置有第一静电吸附变刚度元件，气囊2的两侧面均连接有第二静电吸附变刚度元件5，相邻的变形机构200的主体部分利用第二静电吸附变刚度元件5吸附相连；后缘机翼4的两侧面均连接有第三静电吸附变刚度元件7，相邻的变形机构200的后缘机翼4利用第三静电吸附变刚度元件7吸附相连；蒙皮3、第一静电吸附变刚度元件、第二静电吸附变刚度元件5以及第三静电吸附变刚度元件7均与电源相连。
37.本发明的可变形机翼100，包括多组变形机构200，变形机构200包括前缘机翼1、主体部分和后缘机翼4，其中，气囊2包括上腔体和下腔体，气源向上腔体充气时，主体部分产生向下的弯曲，当气源向下腔体充气时，主体部分产生向上的弯曲；气囊2上下两侧均设置蒙皮3，蒙皮3为智能蒙皮3，当气囊2上部的蒙皮3通电时，蒙皮3能够带动气囊2产生向下的弯曲变形，当气囊2下部的蒙皮3通电时，蒙皮3能够带动气囊2产生向上的弯曲变形，在蒙皮3和气囊2的共同作用下，变形机构200能够产生连续变形，当变形机构200变形到预设角度时，位于蒙皮3与气囊2之间的第一静电吸附变刚度元件通电，撤去施加在气囊2上的气压和蒙皮3上的电压，第一静电吸附变刚度元件能够使变形机构200稳定在此预设的变形角度。本发明的可变形机翼100包括多组依次相连的变形机构200，气囊2的两侧面均设置有第二静电吸附变刚度元件5，以实现相邻变形机构200的主体部分的吸附连接，相邻变形机构200的后缘机翼4利用第三静电吸附变刚度元件7实现吸附连接，在独立控制每一个变形机构200实现其对应变形量的同时，通过控制第二静电吸附变刚度元件5和第三静电吸附变刚度元件7，能够控制多组变形机构200实现连续变形。本发明的可变形机翼100，采用气动和电动相结合的控制方式，相较于现有技术中的电机机械驱动，减小了弯曲过程中的摩擦力，有利于提高机翼飞行过程中的可控性，同时减小了机翼质量。另外，某一组变形机构200出现故障时，不影响其他变形机构200的正常工作，提高了飞行过程中机翼的安全可靠性。
38.此处需要解释说明的是，第一静电吸附变刚度元件、第二静电吸附变刚度元件5以及第三静电吸附变刚度元件7均为静电吸附变刚度结构，静电吸附变刚度结构为本领域技术人员的公知常识，此处不再赘述。另外，在本具体实施方式中，第一静电吸附变刚度元件、第二静电吸附变刚度元件5以及第三静电吸附变刚度元件7主要用到油墨、pi膜、pet膜、导电胶带组成，通过丝网印刷工艺印刷制成。
39.具体地，气囊2包括中间隔断201，中间隔断201的上下两侧对称设置有多个分支202，分支202沿前缘机翼1和后缘机翼4的连线方向排布，分支202为中空结构，位于中间隔断201的同一侧的分支202的内腔相连通以形成上腔体和下腔体，其中，位于中间隔断201上侧的分支202的内腔相连通形成上腔体，位于中间隔断201下侧的分支202的内腔相连通形成下腔体，气囊2包括中间隔断201和分支202的结构，保证了气囊2具有较强的变形能力，从而提高变形机构200的变形范围。
40.在本具体实施方式中，分支202沿前缘机翼1和后缘机翼4的连线方向等间距排布，等间距排布的分支202提高了气囊2的受力均匀性，在蒙皮3带动气囊2产生弯曲变形时，提高气囊2的变形均匀性。
41.在实际应用中，沿前缘机翼1到后缘机翼4方向，可设置分支202的高度逐渐降低，以实现前缘机翼1和后缘机翼4的圆滑过渡。在实际应用中，还可以根据实际情况调整分支
202的高度变化趋势，以适应不同飞行器的需求。
42.为了方便连接，中间隔断201的两端设置有连接板203，前缘机翼1以及后缘机翼4均设置有连接槽，第一静电吸附变刚度元件的端部、蒙皮3的端部以及连接板203均伸入连接槽内并固定，实际操作中，可先将连接板203伸入连接槽内，并利用螺栓固定，然后将蒙皮3覆盖在气囊2的上下表面并利用定位销固定，以确保连接紧固。与前缘机翼1相连的连接板203上还设置有两个进气口204，分别用于向上腔体和下腔体内充气，前缘机翼1上还设置连通口，方便充气气管伸入并与进气口204相连通。
43.实际应用中，气囊2可采用3d打印方式制成，降低加工制造难度，气囊2可选用tpu超弹性材料打印制作而成，同样地，前缘机翼1和后缘机翼4可选用环氧树脂材料打印制成。
44.在本具体实施方式中，蒙皮3包括薄膜4和设置于薄膜4上的胶带电极302、粗细玻璃条303，胶带电极302与电源相连，粗细玻璃条303的数量为多根，粗细玻璃条303沿前缘机翼1和后缘机翼4的连线方向排布，粗细玻璃条303与分支202相连。制作蒙皮3时，首先对vhb4910薄膜进行4x4倍数的预拉伸，用金属隔框裁剪下来固定好，再用激光切割机切出对应的碳膏电极形状，分别贴在薄膜单元的上下表面，用导电电极引出，方便与电源相连，然后在贴好碳膏电极的薄膜单元上下两个表面分别用硅橡胶粘结剂粘接好粗细玻璃条303，用烘干机烘干，裁剪下来即可使用。
45.更具体地，分支202具有插槽，粗细玻璃条303与插槽插接相连，提高蒙皮3与气囊2的连接便捷性。此处需要说明的是，第一静电吸附变刚度元件的尺寸较蒙皮3的尺寸小，避免影响蒙皮3与气囊2的连接。
46.进一步地，后缘机翼4的侧面还连接有弹性体6，弹性体6为中空结构，弹性体6与气源相连通，弹性体6位于后缘机翼4与第三静电吸附变刚度元件7之间，在相邻的变形机构200均发生变形时，可向弹性体6充气，弹性体6变形，从而沿远离后缘机翼4的方向将第三静电吸附变刚度元件7“顶”出去，确保相邻的变形机构200能够吸附相连，从而实现机翼的连续变形。同样地，与气囊2相连的第二静电吸附变刚度元件5在气囊2形变的作用下，保证了相邻变形机构200的主体部分的吸附相连。
47.在本发明的其他具体实施方式中，弹性体6与第三静电吸附变刚度元件7之间还设置有硬片8，保证第三静电吸附变刚度元件7的受力均匀性，提高机翼的结构稳定性。
48.进一步地，本发明还提供一种飞行器，包括上述的可变形机翼100，通过减小机翼弯曲过程中的摩擦力，有利于提高飞行器飞行过程中的气动效率。
49.本发明的可变形机翼100，采用气电耦合控制的方式，采用多组变形机构200的叠加，利用气囊2和蒙皮3共同驱动机翼的弯曲变形，在蒙皮3与气囊2之间设置第一静电吸附变刚度元件，可以控制机构弯曲稳定到一定的角度，通过相邻的变形机构200之间的第二静电吸附变刚度元件5，实现机翼的可连续变形，实现多组变形机构200之间的平滑过渡，消除现有机翼结构在弯曲时产生的空腔。每一组变形机构200的气囊2，由比例阀和计算机控制输入的压强值，能够实现某个形状的可协调连续变形，第二静电吸附变刚度元件5和气囊2的设计可以提高机翼单元的刚度和承载能力。
50.本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容
不应理解为对本发明的限制。

技术特征：
1.一种可变形机翼，其特征在于，包括多组依次相连的变形机构，所述变形机构包括依次相连的：前缘机翼；主体部分，所述主体部分包括气囊和设置于所述气囊上下两侧的蒙皮，所述气囊由柔性材质制成，且所述气囊为中空结构且分为上腔体和下腔体，所述上腔体和所述下腔体分别与气源相连通，所述蒙皮与所述气囊相连，所述蒙皮为智能蒙皮，所述蒙皮能够带动所述气囊产生形变；所述蒙皮与所述气囊之间设置有第一静电吸附变刚度元件，所述气囊的两侧面均连接有第二静电吸附变刚度元件，相邻的所述变形机构的所述主体部分利用所述第二静电吸附变刚度元件吸附相连；后缘机翼，所述后缘机翼的两侧面均连接有第三静电吸附变刚度元件，相邻的所述变形机构的所述后缘机翼利用所述第三静电吸附变刚度元件吸附相连；所述蒙皮、所述第一静电吸附变刚度元件、所述第二静电吸附变刚度元件以及所述第三静电吸附变刚度元件均与电源相连。2.根据权利要求1所述的可变形机翼，其特征在于：所述气囊包括中间隔断，所述中间隔断的上下两侧对称设置有多个分支，所述分支沿所述前缘机翼和所述后缘机翼的连线方向排布，所述分支为中空结构，位于所述中间隔断的同一侧的所述分支的内腔相连通以形成所述上腔体和所述下腔体。3.根据权利要求2所述的可变形机翼，其特征在于：所述分支沿所述前缘机翼和所述后缘机翼的连线方向等间距排布。4.根据权利要求2所述的可变形机翼，其特征在于：沿所述前缘机翼到所述后缘机翼方向，所述分支的高度逐渐降低。5.根据权利要求2所述的可变形机翼，其特征在于：所述中间隔断的两端设置有连接板，所述前缘机翼以及所述后缘机翼均设置有连接槽，所述第一静电吸附变刚度元件的端部、所述蒙皮的端部以及所述连接板均伸入所述连接槽内并固定。6.根据权利要求2所述的可变形机翼，其特征在于：所述蒙皮包括薄膜和设置于所述薄膜上的胶带电极、粗细玻璃条，所述胶带电极与所述电源相连，所述粗细玻璃条的数量为多根，所述粗细玻璃条沿所述前缘机翼和所述后缘机翼的连线方向排布，所述粗细玻璃条与所述分支相连。7.根据权利要求6所述的可变形机翼，其特征在于：所述分支具有插槽，所述粗细玻璃条与所述插槽插接相连。8.根据权利要求1所述的可变形机翼，其特征在于：所述后缘机翼的侧面还连接有弹性体，所述弹性体为中空结构，所述弹性体与气源相连通，所述弹性体位于所述后缘机翼与所述第三静电吸附变刚度元件之间。9.根据权利要求8所述的可变形机翼，其特征在于：所述弹性体与所述第三静电吸附变刚度元件之间还设置有硬片。10.一种飞行器，其特征在于：包括权利要求1-9任一项所述的可变形机翼成。

技术总结
本发明公开一种可变形机翼，包括多组变形机构，变形机构包括前缘机翼、主体部分和后缘机翼，在蒙皮和气囊的共同作用下，变形机构能够产生连续变形，当变形机构变形到预设角度时，位于蒙皮与气囊之间的第一静电吸附变刚度元件通电，能够使变形机构稳定在此预设的变形角度。气囊的两侧面均设置有第二静电吸附变刚度元件，以实现相邻变形机构的主体部分的吸附连接，相邻变形机构的后缘机翼利用第三静电吸附变刚度元件实现吸附连接，在独立控制每一个变形机构实现其对应变形量的同时，通过控制第二静电吸附变刚度元件和第三静电吸附变刚度元件，能够控制多组变形机构实现连续变形。本发明还提供一种飞行器，包含上述的可变形机翼。翼。翼。


技术研发人员：张军诗 刘磊 张栋梁 张凡 朱继宏 张卫红
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：2023.01.04
技术公布日：2023/4/5