一种分布式无缝主动柔性机翼

1.本发明属于飞机设计技术领域，具体涉及一种分布式无缝主动柔性后缘机翼。


背景技术：

2.客机的机翼是产生升力的主要部件，其需要满足巡航时的高升阻比需求，起飞时的高升力需求，降落时的高升力、高阻力需求。为满足这些需求，刚性机翼上布置了低速副翼、高速副翼、襟翼、缝翼、减速板等部件。这些部件只在特定工况下工作的，在不同的飞行工况下，总是有些部件不会有作用，故造成了死重。
3.主动柔性机翼的变形方案主要有展向变形、弦向变形、扭转变形、平面形状变形这四种。展向变形可以改变上反角与翼展，可以改变飞机的稳定性和升阻比；弦向变形改变控制翼剖面上的翼型弯度，仅凭借弦向变形满足飞机飞行时不同工况下的需求；扭转变形改变各翼剖面的扭转角；平面形状变形改变翼面积、后掠角等。
4.弦向变形是其中一种具备很大潜力的方向。现今大部分的弦向变形柔性机翼存在如下问题：
5.1、各翼段之间没有过渡，当各翼段变形程度不同则会产生缝隙，造成气流分离使得飞机升阻特性变差。
6.2、机翼不规则变形增大气动噪声。
7.因此有必要提出一种弦向变形的分布式无缝主动柔性机翼。


技术实现要素：

8.根据本发明的一个方面，提供了一种具有分布式无缝后缘的机翼，其特征包括：
9.翼梁、翼肋、蒙皮、操纵机构、翼段过渡结构。
10.所述翼梁是机翼的主承力部件，共有两个都由木质层板制成。第一翼梁布置于30％弦长处，第二翼梁布置于50％弦长处。为连接左右两侧的机翼，本发明使用一根矩形碳管穿过左右机翼内侧翼段的翼肋。
11.所述翼肋分为前后两段，前段为刚性翼肋，设有舵机安装孔；后段为柔性翼肋，柔性翼肋下缘与后翼梁粘接。所述柔性翼肋上下缘之间设有同时与二者铰接的支柱，在不影响柔性翼肋变弯的同时，保证翼肋不会发生塌陷。每个翼段的柔性后缘包含三个所述柔性翼肋。中间柔性翼肋受舵机驱动，带动左右两个柔性翼肋变弯度。这三个柔性翼肋分别在柔性后缘前端和后端开两个圆孔，第一连杆、第二连杆分别穿插在翼肋前端和后端的圆孔中。这样保证了翼段整体的变形协调。
12.所述蒙皮，用于维持气动外形，由翼肋支撑。每侧机翼的前半部分覆盖了木质蒙板和热缩蒙皮，而后半部分每个翼段分别在柔性后缘机构的表面覆盖一块pet柔性蒙皮，下表面的pet柔性蒙皮粘接于蒙皮支撑装置底部，上表面的pet柔性蒙皮前端固定于蒙皮滑槽内并允许沿弦向发生滑动。
13.所述操纵机构用于驱动后缘改变弯度。在一些实施例中，所述操纵机构包括舵机
和连杆。每个翼段中有一个舵机，舵机用螺栓安装在中间翼肋的舵机安装孔上，舵机的驱动力通过一个连杆被传递给柔性后缘机构的中间连接点，使整个柔性后缘改变弯度。
14.翼段过渡结构。相邻两个翼段以及翼段和端板之间都由硅胶薄膜连接。硅胶薄膜与pet柔性蒙皮采用硅胶专用胶水粘接。
15.后缘每个翼段能够独立变形且机翼表面光滑连续的机理如下：
16.由于每个翼段各安装有一个舵机，该舵机可被单独控制，且硅胶薄膜能承受大幅度变形，故每个翼段可独立变形而不受其他翼段限制。
17.相邻翼段之间，翼段与端板之间由硅胶薄膜连接。当翼段在上、下极限位置之间变形时，硅胶薄膜产生相应的形变以保持机翼表面光滑连续。
附图说明
18.图1是根据本发明的一个实施例的柔性机翼的内部结构；
19.图2是根据本发明的一个实施例的柔性机构；
20.图3是根据本发明的一个实施例的蒙皮布置；
21.图4是根据本发明的一个实施例的柔性机构的作动范围。
22.附图说明标记
23.具体实施方式
24.以下结合附图详细说明本发明的实施例柔性机翼的内部结构。
25.图1是根据本发明的一个实施例的柔性机翼的内部结构。前翼梁(11)、后翼梁(12)是机翼主要承受弯矩的部件，用2mm椴木层板制作。翼盒(3)是机翼主要承受扭矩的部件。
26.碳方管(21)插入两侧机翼内侧翼段的外侧刚性翼肋方孔(4111)、中间刚性翼肋方孔(4121)、侧刚性翼肋方孔(4131)内，用第一螺栓(22)和第二螺栓(23)锁紧。
27.使用胶水将外侧翼肋连接区域(4011)、中间翼肋连接区域(4021)、内侧翼肋连接区域(4031)与后翼梁(12)粘接。
28.每个翼段有三个柔性翼肋，外侧柔性翼肋(401)，中间柔性翼肋(402)，内侧柔性翼肋(403)；三个刚性翼肋，外侧刚性翼肋(411)，中间刚性翼肋(412)，内侧刚性翼肋(413)。三个柔性翼肋安装有前连杆(51)，维持柔性翼肋前部的协调变形；同样的安装有后连杆(52)，维持柔性翼肋后部的协调变形。
29.图2是根据本发明的一个实施例的柔性机构。第一支柱(711)、第二支柱(712)、第三支柱(713)分别用插销铰接于柔性翼肋的第一对耳片(701)、第二对耳片(702)、第三对耳片(703)。中间刚性翼肋(412)设有舵机安装孔(4122)，舵机(61)安装在舵机安装孔(4122)上。驱动拉杆(63)连接在舵臂(62)和驱动拉杆连接孔(64)上。
30.pet蒙皮(42)覆盖于柔性后缘机构的表面。上下表面的pet蒙皮(42)分别粘接于外侧柔性翼肋(401)、中间柔性翼肋(402)、内侧柔性翼肋(403)、第二翼梁(12)的顶部、底部。上表面未粘接的pet蒙皮(42)放置于蒙皮滑槽(43)内，可以沿弦向发生滑动。当中间柔性翼肋(402)在驱动连杆(63)的带动下发生变形时，外侧柔性翼肋(401)、内侧柔性翼肋(403)跟随中间柔性翼肋(402)一起变形。机翼下表面的pet蒙皮跟随柔性翼肋共同变弯，机翼上表面的pet蒙皮(42)在变弯的同时沿着蒙皮滑槽(43)滑动。每个翼段的变形由一个独立控制的舵机来决定。
31.图3是根据本发明的一个实施例的蒙皮布置。每侧机翼有三个翼段分别为，外侧翼段(81)、中间翼段(82)、内侧翼段(83)。翼尖端板(91)、翼根端板(92)由碳板切割而成。
32.pet蒙皮由0.2mm厚度pet薄膜裁剪而成，用白乳胶粘接在柔性翼肋和后翼梁上(12)。热缩蒙皮覆盖在翼盒(3)上。
33.0.1mm厚度的硅胶蒙皮用硅胶专用胶水粘接在相邻翼段、翼段与端板之间。因为硅胶蒙皮具有很好的弹性。实验中只要舵机偏角在
±
30
°
范围内，整个机翼都可以协调地变形。
34.图4是根据本发明的一个实施例的柔性机构的作动范围。在舵机(61)偏角为0
°
时，每个翼段的翼型都是naca4412。当舵机(61)偏角为上极限角度时，柔性后缘弯度上弯到最大程度即上极限位置；当舵机偏角(61)为下极限角度时，柔性后缘弯度下弯到最大程度即下极限位置。
35.后缘每个翼段能够独立变形且机翼表面光滑连续的机理如下：
36.由于每个翼段各安装有一个舵机，该舵机可被单独控制，且硅胶薄膜能承受大幅度变形，故每个翼段可独立变形而不受其他翼段限制。
37.相邻翼段之间，翼段与端板之间由硅胶薄膜连接。当翼段在上、下极限位置之间变形时，硅胶薄膜产生相应的形变，始终保持机翼表面光滑连续。
38.本发明的有益效果主要体现在：
39.相较于主流的刚性机翼，本发明的柔性机翼没有副翼、襟翼等机构，故有着更小的机构复杂度。
40.每个翼段在变形过程中保持表面光滑连续，相邻翼段、翼段与端板之间的硅胶蒙皮同样保持光滑连续。相较于主流的刚性机翼，本发明的柔性机翼更不易发生气流分离，有着更小的气动噪声。
41.通过调整各翼段柔性后缘的弯度可以达到在不同飞行速度、高度下的最大升阻比，故本发明的柔性机翼可以使飞机的飞行包线范围更大。

技术特征：
1.一种具有分布式无缝柔性后缘的机翼，其主要特征包括：前翼梁(11)、后翼梁(12)、是机翼的主要承受弯矩的部件，用2mm椴木层板制作。前缘翼盒(3)是机翼主要承受扭矩的部件。碳方管(21)插入两侧机翼内侧翼段的外侧刚性翼肋方孔(4111)、中间刚性翼肋方孔(4121)、侧刚性翼肋方孔(4131)内，用第一螺栓(22)和第二螺栓(23)锁紧。使用胶水将外侧翼肋连接区域(4011)、中间翼肋连接区域(4021)、内侧翼肋连接区域(4031)与后翼梁(12)粘接。每个翼段有三个柔性翼肋，外侧柔性翼肋(401)，中间柔性翼肋(402)，内侧柔性翼肋(403)；三个刚性翼肋，外侧刚性翼肋(411)，中间刚性翼肋(412)，内侧刚性翼肋(413)。三个柔性翼肋安装有前连杆(51)，维持柔性翼肋前部的协调变形；同样的安装有后连杆(52)，维持柔性翼肋后部的协调变形。第一支柱(711)、第二支柱(712)、第三支柱(713)分别用插销铰接于柔性翼肋的第一对耳片(701)、第二对耳片(702)、第三对耳片(703)。中间刚性翼肋(412)设有舵机安装孔(4122)，舵机(61)安装其上。驱动拉杆(63)连接在舵臂(62)和驱动拉杆连接孔(64)上。pet蒙皮(42)覆盖于柔性后缘机构的表面。上下表面的pet蒙皮(42)分别粘接于外侧柔性翼肋(401)、中间柔性翼肋(402)、内侧柔性翼肋(403)、第二翼梁(12)的顶部、底部。上表面未粘接的pet蒙皮(42)放置于蒙皮滑槽(43)内，其可以沿弦向发生滑动。当中间柔性翼肋(402)在驱动连杆(63)的带动下发生变形时，外侧柔性翼肋(401)、内侧柔性翼肋(403)跟随中间柔性翼肋(402)一起变形。机翼下表面的pet蒙皮跟随柔性翼肋共同变弯，机翼上表面的pet蒙皮(42)在变弯的同时沿着蒙皮滑槽(43)滑动。每个翼段的变形由一个独立控制的舵机来决定，这给控制器提供了六个自由度。每侧机翼有三个翼段分别为，外侧翼段(81)、中间翼段(82)、内侧翼段(83)。翼尖端板(91)、翼根端板(92)由碳板切割而成。pet蒙皮由0.2mm厚度pet薄膜裁剪而成。其，用白乳胶粘接在柔性翼肋和后翼梁上(12)。热缩蒙皮覆盖在翼盒(3)上。硅胶蒙皮用硅胶专用胶水粘接在相邻翼段、翼段与端板之间。因为硅胶蒙皮具有很好的弹性。实验中只要舵机偏角在
±
30
°
范围内，整个机翼都可以协调地变形。2.根据权利要求1所述的机翼，其特征在于：每个翼段变形时不受其他翼段的变形限制，变形范围见图4。每个翼段中有三个柔性翼肋，舵机驱动中间的柔性翼肋。为实现三个柔性翼肋的相同变形，用两根碳圆管连接三个柔性翼肋。机翼半展长933mm,外端板与外侧翼段、内端板与内侧翼段之间的硅胶蒙皮宽度48.5mm,翼段之间的硅胶蒙皮宽度93mm，翼段后缘pet蒙皮宽度216mm。pet蒙皮厚0.2mm，硅胶蒙皮厚0.1mm。经试验，如此布置硅胶蒙皮和pet蒙皮恰好可以使得各种变形情况下的机翼都可以保持表面光滑，并且硅胶蒙皮面积占比最小。用硅胶专用胶水实现硅胶蒙皮和pet蒙皮柔性粘接，并且在粘接时对硅胶蒙皮施加适当的预紧力。如此提高了硅胶蒙皮的面外刚度，并保持硅胶蒙皮表面平整。3.根据权利要求1所述的机翼，其特征在于：气动扭转：通过改变机翼弯度分配不同翼段上的升力,近似得到椭圆升力分布，减小诱
导阻力。扩展飞行包线：在一定飞行高度、速度下选择合适的弯度以提高升阻比。对增升装置的替代：在起降时,增大各个翼段弯度做到增升的作用。其中内侧翼段的弯度较外侧翼段的更大，这样减小了翼根弯矩。对高速副翼和低速副翼的替代：在高速飞行时，飞机依赖内侧翼段的变形调整滚转角；而在低速飞行时，则依赖外侧的翼段的变形调整滚转角。实现这些功能的方法：预先设定起飞、降落、巡航、机动等工况下与之匹配的，飞行中根据飞行工况切换。(a为副翼舵量，v为空速，为滚转角,为舵机偏角)。

技术总结
本发明设计一种分布式无缝主动柔性机翼。该机翼由多段独立的翼段组成，各翼段可独立分布式地改变弯度，每个独立的变弯度翼段由舵机、分段铰接翼肋、滑动蒙皮组成。且相邻的两个翼段之间由柔性薄膜连接，使得分布式变弯度翼段间的变形连续光滑。相较于传统客机机翼，本发明采用了分布式主动柔性变形的方案，通过各翼段的独立的柔性变形，实现了传统襟翼、副翼的功能，减小了机翼的机构复杂度，减轻了机翼重量；另一方面由于机翼整体无缝隙，在舵面作动时不会产生间隙，避免了由间隙产生的气流分离，提高了气动效率，同时减弱了气动噪声，是未来一种十分有潜力的无缝操纵舵面的方式。来一种十分有潜力的无缝操纵舵面的方式。来一种十分有潜力的无缝操纵舵面的方式。


技术研发人员：陈东和 戴玉婷 田博丞 姚鑫彤
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：2022.04.18
技术公布日：2023/3/28