一种可连续变形阻力方向舵的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种可连续变形阻力方向舵，属于可变形飞行器技术领域。所述的可连续变形阻力方向舵包括不可变形的刚体部分和可对称开裂并实现连续变形的柔性部分；所述刚体部分占整个翼段长度的前60％?80％，其余为柔性部分；刚体部分和柔性部分为可拆卸连接形式。本发明将连续变形技术应用于阻力方向舵，实现舵面的连续偏转，从而增加了舵面弯度。与传统的阻力方向舵相比，当后缘端点位移相同时，可变形阻力方向舵能够提供更大的压差阻力，从而获得更大的偏航力矩，提高了飞翼布局飞机的偏航效率。
【专利说明】
一种可连续变形阻力方向舵
技术领域
[0001]本发明属于可变形飞行器技术领域，具体涉及一种可连续变形阻力方向舵。
【背景技术】
[0002]飞翼布局飞机取消了立尾和方向舵，具有结构简单、气动效率高、隐身性能好等优点，在各种飞机布局形式中具有较大优势，如世界上最先进的B-2隐身轰炸机。这种新的布局形式具有很多优点，但同时也对飞行器的控制方面和偏航稳定性提出了新的要求。
[0003]飞翼布局飞机主要依靠阻力式偏航装置完成偏航任务。目前常见的阻力式偏航装置包括开裂式阻力方向舵、全动翼尖、嵌入面等，其中开裂式阻力方向舵最为常见。开裂式阻力方向舵通常布置在飞翼布局飞机机翼的副翼外侧，从而获得较大的力臂。当一侧方向舵打开后会引起较大的压差阻力，由于附加阻力较大并且其力臂较长，因此可以获得足够的偏航力矩。但根据现有的资料发现目前所见到的传统阻力方向舵还存在一些不足:1.传统阻力方向舵虽能帮助飞翼布局飞机完成正常的偏航任务，但偏航效率不高；2.舵面均为刚性，无法实现灵活的变形;3.阻力方向舵后方气体流动复杂，而传统阻力方向舵舵面在根部固定，因此舵面后缘存在发生颤振的可能;4.舵面的偏转依靠舵面根部的电机驱动，舵面后缘的气动力经过力臂的放大后作用于电机，对电机的稳定性提出了更高的要求。综上所述，传统的阻力方向舵难以满足人们对飞翼布局飞机多任务、多功能的需求。
[0004]随着近年来可变形机翼的发展，连续可变形机翼成为研究热点。机翼的连续变形将大大提高飞行器的操纵效率以适应更复杂的飞行环境。机翼后缘变形可以显著地改善飞行器的气动特性，对飞机的低速巡航、起飞着陆具有重要意义；下偏时可以巡航减阻，从而节省燃料、增加航程;还可以取代传统控制面，用于飞行控制来改善性能。
【发明内容】
[0005]本发明针对传统阻力方向舵效率偏低，无法实现灵活变形的不足，提供了一种可连续变形阻力方向舵及其内部变形结构，这种新型可连续变形阻力方向舵可以通过增加舵面弯度来增大阻力系数，提高偏航效率，并通过CR)仿真进行了计算验证。同时柔性部分采用桁架结构，可提高承受气动载荷的能力，驱动机构中的蜗轮蜗杆机构具有自锁功能，并且驱动力作用到舵面后缘，降低发生颤振的可能，从而提高了稳定性。
[0006]本发明提供的一种可连续变形阻力方向舵，主要包括两部分:不可变形的刚体部分和可对称开裂并实现连续变形的柔性部分。其中所述不可变形的刚体部分占整个翼段长度的前60%_80%，其余长度部分为柔性部分。所述的刚性部分的内部结构和蒙皮材料与常规飞机机翼相同，此部分主要用来安装伺服电机、行星减速器、蜗轮蜗杆传动装置以及卷扬机构，工作时伺服电机驱动行星减速器，进而带动蜗杆正向或反向转动，通过蜗轮驱动卷扬机构拉动或松开钢索来实现后缘的打开或闭合。所述的可对称开裂并实现连续变形的柔性部分，柔性部分内部由若干可相对转动的桁架结构作为支撑，其材质为铝合金。在每一舵面内侦U，各桁架结构均与一弹簧片滑动连接，它可以使可变形阻力方向舵在没有驱动力作用时快速恢复到原来的位置，柔性部分的可变形蒙皮使用预拉伸弹性复合材料蒙皮，蒙皮与支撑结构之间通过胶接连接，蒙皮的预拉伸可以防止舵面偏转时发生非预期的变形。舵面依靠固定在后缘的钢索牵引来实现偏转，钢索穿过每一桁架上的圆形限位孔连接到刚体部分的卷扬机构上。刚体部分和柔性部分设计成可拆卸形式，两部分装配好后通过螺栓连接，方便维护。
[0007]本发明的优点在于:
[0008](I)本发明将连续变形技术应用于阻力方向舵，实现舵面的连续偏转，从而增加了舵面弯度。与传统的阻力方向舵相比，当后缘端点位移相同时，可变形阻力方向舵能够提供更大的压差阻力，从而获得更大的偏航力矩，提高了飞翼布局飞机的偏航效率。
[0009](2)本发明中柔性部分的变形结构是由多个桁架结构连接而成，与目前以有的变形结构相比，其能够提高承受气动载荷以及其他载荷作用的能力，防止结构在过大的外载荷作用下由于压溃作用发生变形或破坏。
[0010](3)本发明使用蜗轮蜗杆机构作为传动装置，具有自锁功能，防止自动回位现象的发生，提尚了方向航的稳定性。
[0011](4)本发明相较于驱动力作用于舵面根部的传统阻力方向舵，其钢索的驱动力作用于舵面后缘，可以降低舵面在复杂气动力作用下发生颤振的可能性。
[0012](5)本发明中各部分均采用模块化处理，除可变形蒙皮外无不可拆卸部分，方便了之后的检查和维修，并且降低了维修成本。
【附图说明】
[0013]图1为可变形阻力方向舵的三维结构示意图。
[0014]图2为刚体部分三维结构示意图。
[0015]图3为柔性部分三维结构示意图。
[0016]图4为桁架模块示意图。
[0017]图5为桁架连接示意图。
[0018]图6为刚体部分和柔性部分连接示意图。
[0019]图7为传统方向舵和可变形方向舵阻力系数对比曲线图。
[0020]图中:
[0021]1.刚体部分； 2.柔性部分； 3.常规翼肋； 4.蒙皮；
[0022]5.伺服电机； 6.行星减速器；7.蜗轮蜗杆机构；8.卷扬机构；
[0023]9.钢索；10.桁架结构； 11.可变形蒙皮；12.弹簧片；
[0024]13.支撑架； 14 J力板；15.减重孔； 16.圆形限位孔；
[0025]17.条形限位孔；18.销钉；19.螺栓孔；20.螺栓。
【具体实施方式】
[0026]为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明进行进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0027]本发明将连续变形技术应用于阻力方向舵，实现舵面的连续偏转，从而增加了舵面弯度。与传统的阻力方向舵相比，当后缘端点位移相同时，可变形阻力方向舵能够提供更大的压差阻力，从而获得更大的偏航力矩，提高了飞翼布局飞机的偏航效率。
[0028]如图1所示，本发明提供的是一种可连续变形阻力方向舵，包括不可变形的刚体部分I和可对称开裂并实现连续变形的柔性部分2。所取翼段总长为lm，翼型为NACA0012。优选的，所述不可变形的刚体部分I占整个翼段长度的前75%，所述可对称开裂并实现连续变形的柔性部分2占整个翼段长度的后25%。
[0029]图2详细展示了所述刚体部分I的具体结构。所述的刚体部分I由常规翼肋3和蒙皮4组成，其材质均为铝合金，内部安装有伺服电机5、行星减速器6、蜗轮蜗杆机构7以及卷扬机构8。所述的行星减速器6安装在伺服电机5的输出轴与蜗轮蜗杆机构7的输入轴之间，用于降低蜗杆蜗杆机构7的转速。所述的卷扬机构8与蜗轮蜗杆机构7的输出轴连接，卷扬机构8与柔性部分2之间通过钢索9连接。工作时，伺服电机5带动蜗杆蜗杆机构7正向或反向转动，并驱动卷扬机构8拉动或松开钢索9来实现后缘的打开或闭合，同时蜗轮蜗杆机构7具有自锁功能，防止自动回位现象的发生，提高了结构的稳定性。
[0030]图3详细展示了所述柔性部分2的具体结构，所述柔性部分2的可转动翼肋由若干尺寸随弦向厚度变化的桁架结构10连接而成，其材质为铝合金。使用预拉伸弹性复合材料作为可变形蒙皮11包覆在所述的桁架结构10外侧，可变形蒙皮11与桁架结构10之间通过胶接连接，可变形蒙皮11的预拉伸可以防止舵面偏转时发生非预期的变形。在每一舵面内侧，各桁架结构10均与一弹簧片12滑动连接。舵面依靠钢索9牵引来实现偏转。钢索9的一端固定于舵面后缘，具有更强的稳定性，降低发生颤振的可能。钢索9的另一端依次穿过每一桁架结构10上的限位孔连接到刚体部分I的卷扬机构8上。靠近刚体部分I的第一节桁架结构10通过支撑架13与柔性部分2的前端壁面转动连接。
[0031 ]图4为单个桁架结构10示意图，桁架结构10由五块板组成，其中四块板组成平行四边形(本例为菱形)，在所述的平行四边形结构中间增加了第五块板一一肋板14，形成以肋板14为底边的两个稳定的三角形结构，其能够提高承受气动载荷以及其他载荷作用的能力，防止结构在过大的外载荷作用下由于压溃作用发生变形或破坏。为了减轻结构重量，桁架结构10中的五块板在不影响结构强度的基础上开有减重孔15。所述肋板14的两端分别与平行四边形的两个对角连接，在第一个连接处的三块板上均开有限制钢索9位置的圆形限位孔16，限制钢索9运动，防止其在运动过程中与可变形蒙皮11发生摩擦。在第二个连接处的外侧设置有沿板宽度方向的条形限位孔17，用来限制弹簧片12的运动。在每个三角形结构的顶角处沿板宽度方向设置有圆孔。
[0032]图5为桁架结构10连接示意图，相邻的两个桁架结构10的三角形结构的顶角处的圆孔通过销钉18连接，在保证各桁架结构10之间可以绕销钉18自由转动的同时，还可以保证桁架结构10能够承受较大的拉应力。弹簧片12依次穿过所有桁架结构的条形限位孔17，实现滑动连接，避免了过定位造成的结构破坏。弹簧片12的恢复力可以使柔性舵面在钢索9拉力减小时快速恢复到原来的位置。
[0033]图6为刚性部分I与柔性部分2的连接示意图。阻力方向舵除可变形蒙皮11不可拆卸外，各部分均采用模块化处理。其中刚体部分I和柔性部分2也设计成可拆卸形式，两部分在连接处都开设有螺栓孔19，两部分分别装配好后通过螺栓20连接，方便了之后的检查和维修，并且降低了维修成本。
[0034]图7为传统方向舵和可变形方向舵在攻角0°、舵偏角20°工况下的阻力系数对比曲线图。从阻力系数迭代曲线可以看出，稳定后可变形阻力方向舵的时均阻力系数约为0.28，而常规阻力方向舵的阻力系数为0.2。可以看出可变形阻力方向舵可以有效提高阻力系数，获得更大的偏航力矩，从而提尚偏航效率。
[0035]需要指出的是，以上所述，仅为本发明的具体实施实例，实例中所使用的数据和图表仅用于说明本方法的具体思路。对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，可轻易想到的变化或同等替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
【主权项】
1.一种可连续变形阻力方向舵，其特征在于:包括不可变形的刚体部分和可对称开裂并实现连续变形的柔性部分;所述刚体部分占整个翼段长度的前60%-80%，其余为柔性部分;刚体部分和柔性部分为可拆卸连接形式。2.根据权利要求1所述的一种可连续变形阻力方向舵，其特征在于:所述的刚体部分由常规翼肋和蒙皮组成，内部安装有伺服电机、行星减速器、蜗轮蜗杆机构以及卷扬机构，所述的行星减速器安装在伺服电机的输出轴与蜗轮蜗杆机构的输入轴之间，所述的卷扬机构与蜗轮蜗杆机构的输出轴连接，卷扬机构与柔性部分之间通过钢索连接;工作时，伺服电机带动蜗杆蜗杆机构正向或反向转动，并驱动卷扬机构拉动或松开钢索来实现后缘的打开或闭合。3.根据权利要求2所述的一种可连续变形阻力方向舵，其特征在于:所述的蜗轮蜗杆机构具有自锁功能，防止自动回位现象的发生。4.根据权利要求1所述的一种可连续变形阻力方向舵，其特征在于:所述的柔性部分的可转动翼肋由若干尺寸随弦向厚度变化的桁架结构连接而成，使用预拉伸弹性复合材料作为可变形蒙皮包覆在所述的桁架结构外侧，可变形蒙皮与桁架结构之间通过胶接连接，在每一舵面内侧，各桁架结构均与一弹簧片滑动连接，舵面依靠钢索牵引来实现偏转;钢索的一端固定于舵面后缘，另一端依次穿过每一桁架结构上的圆形限位孔连接到刚体部分的卷扬机构上。5.根据权利要求4所述的一种可连续变形阻力方向舵，其特征在于:每个桁架结构由五块板组成，其中四块板组成平行四边形，在所述的平行四边形结构中间增加了第五块板一一肋板，形成以肋板为底边的两个稳定的三角形结构，所述肋板的两端分别与平行四边形的两个对角连接，分别称为第一连接处和第二连接处，在第一连接处的三块板上均开有限制钢索位置的圆形限位孔，防止其在运动过程中与可变形蒙皮发生摩擦;在第二连接处的外侧设置有沿板宽度方向的条形限位孔，用来限制弹簧片的运动;在每个三角形结构的顶角处沿板宽度方向设置有圆孔;相邻的两个桁架结构的三角形结构的顶角处的圆孔通过销钉连接，弹簧片依次穿过所有桁架结构的条形限位孔，实现滑动连接，弹簧片的恢复力可以使柔性舵面在钢索拉力减小时快速恢复到原来的位置。6.根据权利要求5所述的一种可连续变形阻力方向舵，其特征在于:桁架结构中的五块板上开有减重孔。
【文档编号】B64C9/00GK105966600SQ201610320494
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年5月16日
【发明人】李道春, 向锦武, 刘其琛, 吴沂宁
【申请人】北京航空航天大学