一种机翼后缘连续变形结构及变形方法
阅读说明：本技术 一种机翼后缘连续变形结构及变形方法 (Continuous deformation structure and deformation method for wing trailing edge ) 是由 王震 杜龙 王红飞 项小平 李彬 张海东 余凌晶 岳鹏阳 刘志远 张宁 于 2021-08-16 设计创作，主要内容包括：一种机翼后缘连续变形结构,包括机翼、蒙皮、后缘骨架及控制电路,其中,所述梁、肋与长桁组成后缘骨架,所述蒙皮包裹在后缘骨架外层,所述后缘骨架上平行设置有多个肋,并将每个肋分成多个肋段,且所述后缘骨架固定在机翼后缘上,所述控制电路与设置在每个肋段上的驱动组件连接,所述驱动组件中的驱动绳索、连接点均为NiTi形状记忆合金制成；本发明利用形状记忆合金材料的形状记忆效应,对机翼后缘结构进行多点驱动,促使机翼后缘连续柔顺变形,以实现机翼后缘的无缝过渡；有效提高机翼的气动效率和飞行器的机动性,减少噪声和耗油率。(A wing trailing edge continuous deformation structure comprises a wing, a skin, a trailing edge framework and a control circuit, wherein the trailing edge framework is formed by beams, ribs and stringers, the skin wraps the outer layer of the trailing edge framework, a plurality of ribs are arranged on the trailing edge framework in parallel, each rib is divided into a plurality of rib sections, the trailing edge framework is fixed on the trailing edge of the wing, the control circuit is connected with a driving assembly arranged on each rib section, and driving ropes and connecting points in the driving assembly are made of NiTi shape memory alloy; the invention utilizes the shape memory effect of the shape memory alloy material to drive the structure of the trailing edge of the wing at multiple points, so as to promote the continuous flexible deformation of the trailing edge of the wing, thereby realizing the seamless transition of the trailing edge of the wing; the aerodynamic efficiency of the wing and the maneuverability of the aircraft are effectively improved, and the noise and the oil consumption rate are reduced.)
技术领域
本发明涉及机翼结构技术领域，尤其涉及一种机翼后缘连续变形结构及变形方法。
背景技术
机翼为飞机升力来源的最主要部件，其形状直接影响飞机飞行的性能。从第一架有动力且可操控的飞机问世以来，工程师借助鸟类飞行的灵感研发了很多飞行器。研究发现，鸟类在飞行过程中会连续调整它们的翅膀形状和大小以适应不同的飞行任务，从而通过翅膀变形对改变空气动力学性能以获取更优的飞行性能。
对比现有飞机，工程师尽可能将机翼设计靠近鸟类翅膀，从而获取像鸟类翅膀一样优越的空气动力学性能，这样诞生了飞机襟翼、副翼、缝翼、扰流板等一系列可以活动的操纵面及附属装置，这些活动部件使得飞机机翼在外形和尺寸上有所变化，相应地改变飞行过程中空气动力学所带来的影响，但前述设计的机翼不能连续变形，现阶段实现机翼变形主要采用智能变形材料以取代整个机翼后缘或使用机翼弯度变形的装置，前者的缺点是所采用的材料变形响应速度慢或无法承受很大的空气载荷（如橡胶弹性柔性蒙皮和复合材料双稳态板壳），目前使用的双稳态板壳由于受材料和制备方式的限制，仅存在两个形态的切换，无法实现连续变形，且所能承受的空气载荷较小，后者用于机翼弯度变形的装置较多，但是在变形范围、机构重量、机构效率等方面难以到达尽善尽美，其主要采用电机驱动，带动连杆、滑块等装置进行平移、旋转运动，但由于机翼内空间狭窄，变形装置的驱动元件性能往往受限，且机构只能根据机翼形状进行扁平布置，传动性能普遍较差，另外机构运动过程中各组件位置通常发生变化，机翼整体重心变化较大，影响机翼结构特性。
同时现有的固定翼飞机通常采用舵面进行飞行操控，舵面偏转易造成机翼表面空气流动不连续，在大偏角时可能导致气流分离，从而减低机翼的气动性能，增加飞机的噪声和油耗。因此，设计一种能够在飞行过程中连续柔顺变形的机翼，以实现机翼后缘的无缝过渡，高效改变翼型，提高空气动力特性，减小风噪声和燃油消耗，是未来先进航空飞行器的重要特征与发展方向。随着形状记忆合金技术的发展，将其应用在飞机机翼已经成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种机翼后缘连续变形结构及变形方法，以解决上述背景技术中的问题。
本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：
一种机翼后缘连续变形结构，包括机翼、蒙皮、后缘骨架及控制电路，其中，所述梁、肋与长桁组成后缘骨架，所述后缘骨架上平行设置有多个肋，并将每个肋分成多个肋段，且所述后缘骨架通过铆钉固定在机翼后缘上，所述控制电路与设置在每个肋段上的驱动组件连接，所述驱动组件中的驱动绳索、连接点均为NiTi形状记忆合金制成，利用NiTi形状记忆合金特定温度会恢复特定形状的特性，通电加热至特定温度后驱动绳索可以收缩，进而产生驱动拉力，从而带动驱动机翼后缘结构连续变形，以将机翼后缘载荷传递给机翼，蒙皮包裹在后缘骨架外层，具体结构如下：
所述肋段中间通过螺栓连接，且各肋段均能绕螺栓转动，同时在各肋段上部与下部分别设置有驱动组件，通过驱动组件控制肋段偏转，这样可以将原来舵面只有一段偏转，改为多段连续偏转，各段只需要偏转一个较小的角度，累加起来即可使翼形有效弯曲，从而产生操纵载荷；由于各段偏转角都比较小，因此机翼后缘变形也更柔顺，气流更流畅，机翼气动效率更高，噪声、油耗更低；
蒙皮包括上壁板、下壁板、蜂窝夹层，其中，所述上壁板、下壁板通过胶结与蜂窝夹层连接；
且所述上壁板、下壁板采用硅橡胶制成，可以承受较大变形；
所述蜂窝夹层为零泊松比蜂窝结构，可以伸展变形，且能承受能承受垂直于蜂窝夹层的载荷，因此蒙皮可以产生较大的伸展变形，且能承受垂直于蒙皮的气动载荷，而后将载荷传递给后缘骨架上，由后缘骨架将机翼后缘载荷传递给机翼；
所述控制电路包括电源、控制开关及驱动组件，所述驱动组件包括驱动绳索、连接点及电缆，所述连接点包括连接基体与电缆，所述连接基体为NiTi形状记忆合金制成，所述连接基体穿过肋段的椭圆开孔，并固定在肋段上，所述电缆焊接在连接基体两端，所述驱动绳索缠绕在连接点，所述驱动绳索两端焊接有与控制开关连接的电缆，所述控制开关设有上位、中立及下位三个控制状态，所述控制开关与电源连接；
所述驱动绳索包括上驱动绳索与下驱动绳索，所述连接点包括上连接点与下连接点，所述划分为首个肋段的上部通过上驱动绳索、上连接点与梁连接，下部通过下驱动绳索、下连接点与梁连接；后续各肋段的上部通过上驱动绳索、上连接点与前一肋段连接，下部通过下驱动绳索、下连接点与前一肋段连接，且上驱动绳索与下驱动绳索的结构、长度、直径均相同，上连接点与下连接点的结构、长度、直径均相同。
在本发明中，所述上驱动绳索串联连接后，再与其它平行肋的上驱动绳索并联，所述下连接点串联连接后，再与其它平行肋的下连接点并联，而后通过控制开关与电源连接；所述下驱动绳索串联连接后，再与其它平行肋的下驱动绳索并联，所述上连接点串联连接后，再与其它平行肋的上连接点并联，而后通过控制开关与电源连接。
一种机翼后缘连续变形结构的变形方法，当将控制开关调到上位状态，所述上驱动绳索、下连接点与电源接通，所述上驱动绳索收缩变形产生驱动拉力，所述下连接点截面变为圆形，此时下连接点转动促使下驱动绳索松弛不承受载荷，机翼后缘向上偏转变形；当将控制开关调到下位状态，所述下驱动绳索、上连接点与电源接通，所述下驱动绳索收缩变形产生驱动拉力，所述上连接点截面变为圆形，此时上连接点转动促使上驱动绳索松弛不承受载荷，机翼后缘向下偏转变形；当将控制开关调到中立状态，电路断路，上连接点、下连接点不能转动，所述驱动绳索能够承受载荷，促使后缘骨架保持中立状态；从而实现机翼后缘连续变形。
在本发明中，所述各个肋段上分别设置有螺栓安装孔。
在本发明中，所述连接基体上设置有用于固定驱动绳索且能通过通电进行变形的圆孔，所述驱动绳索穿过圆孔缠绕在连接基体上。
在本发明中，未通电时，所述连接基体与肋板椭圆开孔配合的截面为椭圆，因此连接基体不能转动，此时驱动绳索紧紧缠绕在连接基体上，驱动绳索可以承受拉力；通电加热后截面恢复为圆形，连接基体可以转动，此时缠绕在连接基体上的驱动绳索松弛，驱动绳索不能承受拉力。
在本发明中，所述相邻连接点之间的距离与肋段高度的比值相等，因驱动绳索的单位长度变形量相同，当各肋段相邻连接点的距离与肋段的高度的比值相等时，驱动绳索通电变形，各肋段的偏转角相同，故肋段偏转角只与通电加热时间成正比，这样可使操纵简化，仅需简单电路即可控制多个驱动绳索协调变形，以保证机翼后缘连续变形。
有益效果：
1、本发明利用形状记忆合金材料的形状记忆效应，将其制作成驱动绳索、连接点，以实现机翼后缘结构的多点驱动，促使机翼后缘连续柔顺变形；有效提高机翼的气动效率和飞行器的机动性，减少噪声和耗油率；
2、本发明采用多点驱动，有效分散驱动载荷，简化驱动机构，大大降低结构重量；
3、本发明结构简洁，操控简单，原理清晰，便于生产，实用性较强，易于推广应用，具有较大的价值。
附图说明
图1为本发明的较佳实施例中的后缘骨架与机翼装配图。
图2为本发明的较佳实施例中的后缘骨架结构示意图。
图3为本发明的较佳实施例中的单个肋装配图。
图4为本发明的较佳实施例中的梁结构示意图。
图5为本发明的较佳实施例中的单个肋段结构示意图。
图6为本发明的较佳实施例中的单个驱动组件结构示意图。
图7为本发明的较佳实施例中的单个连接点结构示意图。
图8为本发明的较佳实施例中的单个连接点截面变形示意图。
图9为本发明的较佳实施例中的蒙皮结构示意图。
图10为本发明的较佳实施例中的控制电路连接示意图。
图11为本发明的较佳实施例中的机翼后缘变形示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
参见图1～11的一种机翼后缘连续变形结构，包括机翼1、梁2、肋3、蒙皮4、长桁5及控制电路6，所述梁2、肋3与长桁5组成后缘骨架，所述后缘骨架通过铆钉固定在机翼1后缘上，所述控制电路6与设置在肋3上的驱动组件连接，所述驱动组件中的驱动绳索为NiTi形状记忆合金制成，利用NiTi形状记忆合金特定温度会恢复特定形状的特性，通电加热至特定温度后驱动绳索可以收缩，进而产生驱动拉力，从而带动驱动机翼后缘结构连续变形，以将机翼后缘载荷传递给机翼1，具体结构如下：
所述后缘骨架上平行设置有多个肋3，且每个肋3分成4段，分别是一号肋段9、二号肋段10、三号肋段11、四号肋段12，且在各肋段上分别设置有螺栓安装孔，通过螺栓与前面结构连接，各肋段均可绕螺栓转动，同时在各肋段之间通过驱动组件控制肋段偏转，这样可以将原来舵面只有一段偏转，改为四段连续偏转，各段只需要偏转一个较小的角度，累加起来即可使翼形有效弯曲，从而产生操纵载荷；由于各段偏转角都比较小，因此机翼后缘变形也更柔顺，气流更流畅，机翼气动效率更高，噪声、油耗更低；此处每个肋3分成4段，一号肋段9即为首个肋段，以此类推；
蒙皮4包括上壁板21、下壁板22、蜂窝夹层23，其中，所述上壁板21、下壁板22通过胶结与蜂窝夹层23连接，蒙皮4包裹在后缘骨架外层，并通过铆钉连接；
且所述上壁板21、下壁板22采用硅橡胶制成，可以承受较大变形；
所述蜂窝夹层23为零泊松比蜂窝结构，可以伸展变形，且能承受能承受垂直于蜂窝夹层23的载荷，因此蒙皮4可以产生较大的伸展变形，且能承受垂直于蒙皮4的气动载荷，而后将载荷传递给后缘骨架上，由后缘骨架将机翼后缘载荷传递给机翼1；
控制电路6包括一号上驱动绳索13、一号下驱动绳索14、二号上驱动绳索15、二号下驱动绳索16、三号上驱动绳索17、三号下驱动绳索18、四号上驱动绳索19、四号下驱动绳索20、电源24、控制开关25、一号上连接点29、一号下连接点30、二号上连接点31、二号下连接点32、三号上连接点33、三号下连接点34、四号上连接点35、四号下连接点36、五号上连接点37、五号下连接点38、六号上连接点39、六号下连接点40、七号上连接点41、七号下连接点42、八号上连接点43及八号下连接点44，其中，一号肋段9中间通过螺栓与梁2连接；一号肋段9上部通过二号上连接点31与一号上驱动绳索13连接，一号上驱动绳索13通过一号上连接点29与梁2连接，一号肋段9下部通过二号下连接点32与一号下驱动绳索14连接，一号下驱动绳索14通过一号下连接点30与梁2连接；二号肋段10中间通过螺栓与一号肋段9连接，二号肋段10上部通过四号上连接点35与二号上驱动绳索15连接，二号上驱动绳索15通过三号上连接点33与一号肋段9连接，二号肋段10下部通过四号下连接点36与二号下驱动绳索16连接，二号下驱动绳索16通过三号下连接点34与一号肋段9连接；三号肋段11中间通过螺栓与二号肋段10连接，三号肋段11上部通过六号上连接点39与三号上驱动绳索17连接，三号上驱动绳索17通过五号上连接点37与二号肋段10连接；三号肋段11下部通过六号下连接点40与下三号下驱动绳索18连接，三号下驱动绳索18通过四号下连接点36与二号肋段10连接；四号肋段12中间通过螺栓与三号肋段11连接，四号肋段12上部通过八号上连接点43与四号上驱动绳索19连接，四号上驱动绳索19通过七号上连接点41与三号肋段11连接，四号肋段12下部通过八号下连接点44与四号下驱动绳索20连接，四号下驱动绳索20通过七号下连接点42与三号肋段11连接，上述连接将一号肋段9、二号肋段10、三号肋段11、四号肋段12组成一个完整的肋3，肋3平行布置，并通过铆钉与长桁5连接；且一号上驱动绳索13、二号上驱动绳索15、三号上驱动绳索17及四号上驱动绳索19串联连接，与其它平行肋3的上驱动绳索并联；一号下连接点30、二号下连接点32、三号下连接点34、四号下连接点36、五号下连接点38、六号下连接点40、七号下连接点42及八号下连接点44串联连接，与其它平行肋3的下连接点并联；串联后的上驱动绳索与串联后的下连接点并联，而后通过控制开关25连接至电源24；下一号下驱动绳索14、二号下驱动绳索16、三号下驱动绳索18及四号下驱动绳索20串联连接，与其它平行肋3的下驱动绳索并联；一号上连接点29、二号上连接点31、三号上连接点33、四号上连接点35、五号上连接点37、六号上连接点39、七号上连接点41及八号上连接点43串联连接，与其它平行肋3的上连接点并联，串联后的下驱动绳索与串联后的上连接点并联，而后通过控制开关25连接至电源24上；启动控制开关25向连接点通电进而对与之连接的驱动绳索加热，驱动绳索收缩产生驱动拉力促使肋段发生偏转；
所述一号上驱动绳索13、一号下驱动绳索14、二号上驱动绳索15、二号下驱动绳索16、三号上驱动绳索17、三号下驱动绳索18、四号上驱动绳索19及四号下驱动绳索20的结构、长度、直径均相同，因此驱动绳索电阻相同，串联后相同时间内通电产生的热量相同，驱动绳索被加热的温度相同，单位长度收缩的变形量也相同；
每个驱动组件均包括驱动绳索26、连接点27及电缆28，所述驱动绳索26穿过连接点27上的圆孔缠绕在连接点27，电缆28焊接在驱动绳索26两端，以一号上驱动绳索13为例，这个驱动组件包括一号上连接点29、二号上连接点31及一号上驱动绳索13；
每个连接点27均包括连接基体48、电缆45、肋段46及螺母47，其中，所述连接基体48为NiTi形状记忆合金制成，所述连接基体48穿过肋段46的椭圆开孔，并通过螺母47固定在肋段46上，所述电缆48焊接在连接基体45两端，并在连接基体48上设置有圆孔，用于固定驱动绳索26；
所述控制开关25设有上位、中立、下位，三个控制状态，控制开关25处于上位状态时，促使上驱动绳索、下连接点与电源24连接；控制开关25处于下位状态时，促使下驱动绳索、下连接点与电源24连接；控制开关25处于中立状态时，电路处于断路状态；
当将控制开关25调到上位状态，所有的上驱动绳索及下连接点与电源24连通，上驱动绳索收缩变形产生驱动拉力，下连接点截面变为圆形，下连接点转动使下驱动绳索松弛不承受载荷，机翼后缘向上偏转变形；当将控制开关25调到下位状态，所有的下驱动绳索及上连接点与电源24连接，下驱动绳索收缩变形产生驱动拉力，上连接点截面变为圆形，上连接点转动使上驱动绳索松弛不承受载荷，机翼后缘向下偏转变形；当将控制开关25调到中立状态，电路断路，上连接点、下连接点不能转动，驱动绳索可以承受载荷，使后缘保持中立状态；前述所有的上驱动绳索包括一号上驱动绳索13、二号上驱动绳索15、三号上驱动绳索17、四号上驱动绳索19，所有的下连接点包括一号下连接点30、二号下连接点32、三号下连接点34、四号下连接点36、五号下连接点38、六号下连接点40、七号下连接点42及八号下连接点44，所有的下驱动绳索包括一号下驱动绳索14、二号下驱动绳索16、三号下驱动绳索18、四号下驱动绳索20，所有的上连接点包括一号上连接点29、二号上连接点31、、三号上连接点33、四号上连接点35、五号上连接点37、六号上连接点39、七号上连接点41及八号上连接点43；
以图6、图7所示的驱动绳索26为例，未通电时，所述连接基体48与椭圆开孔配合的截面为椭圆，因此连接基体48不能转动，此时驱动绳索26紧紧缠绕在连接基体48上，驱动绳索26可以承受拉力；通电加热后截面恢复为圆形，连接基体48可以转动，此时缠绕在连接基体48上的驱动绳索26松弛，驱动绳索26不能承受拉力；此处说明的肋段46为单独一个连接点27的统称，以二号上连接点31为例，肋段即为一号肋段9，四号上连接点35安装的肋段即为二号肋段10，以此类推。
在本实施例中，所述相邻连接点之间的距离与肋段高度的比值相等，如一号下连接点30到二号下连接点32的距离，与一号肋段9高度的比值，和三号下连接点34到四号下连接点36的距离，与二号肋段10高度的比值相等，
因驱动绳索的单位长度变形量相同，当各肋段相邻连接点的距离与肋段的高度的比值相等时，驱动绳索通电变形，各肋段的偏转角相同，故肋段偏转角只与通电加热时间成正比，这样可使操纵简化，仅需简单电路即可控制多个驱动绳索协调变形，以保证机翼后缘连续变形。
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