[发明专利]基于SMA的自适应变体机翼后缘

说明书

技术领域

本发明的基于SMA的自适应变体机翼后缘，属于一种智能材料与结构相结合的自适应变体机翼结构。

背景技术

“变形机翼”概念的提出，可以追溯到上世纪。早在1916年，英国已有人提出“变形机翼——可改变几何形状的机翼”的专利申请，至今已有90多年的历史。航空技术发展至今已有100多年，飞行器设计技术不断进步。可收放起落架、襟翼、变后掠机翼等。实际上可以看作是“智能变形飞行器”发展的初始阶段。

1979年，美国NASA与波音签订合同，发展柔性复合材料“自适应机翼”，可连续变化外形，获得最大气动效益，并于1987年进行飞行试验。1985～1992年，NASA与Rockwell合作，开展“主动弹性机翼(AFW)”计划，1996以后扩展为“主动气动弹性机翼(AAW)”计划。与此同时，美国国防部预研局NASA、空军等机构联合开展“智能翼(Smart Wing)”研究计划，展示了形状记忆合金等智能材料的应用潜力。

机翼变形结构经历了从表面到实质的变化过程。首先是“调整机翼形状”。现有的一些飞机具备调整机翼形状的能力，如美国的F-14“熊猫”战斗机，V-22“鱼鹰”倾转旋翼机及F-117隐声战斗机等。这些飞机的机翼均为刚性结构，所谓“调整机翼形状”实际上就是将机翼的某一部分移动一定角度或为止，与真正的“变形机翼”概念不是一回事。其次是“主动气动弹性机翼(AAW)”。美国航空航天局和空军研究实验室正在验证主动气动弹性机翼。其概念也与变形机翼不同，而与莱特兄弟开发的“机翼翘面”控制系统类似，是采用副翼和前缘襟翼等传统控制面从气动上诱导轻质“柔性机翼”发生扭曲，以改善高性能军用喷气飞机的机动能力。

上述两种机翼的变化都不是实质性的变化。真正的变形机翼概念是将新型智能材料、动作器、激励器、传感器无缝的综合应用于飞行器的一种新的设计概念。变形机翼通过应用灵敏的传感器和动作器，光滑而持续地改变记忆的形状，对不断改变的飞行条件做出响应，从而使飞机能像鸟一样随意的在空中进行盘旋、倾飞和侧向滑行。也就是说，变形机翼可从根本上改善飞机的巡航和冲刺能力。

2003年，美国国防部预先研究计划局(DARPA)正式启动了“变形飞机结构(MAS)”项目。该项目通过在飞行中改变飞机的气动外形，使飞机在执行不同任务、在不同飞行包线时都保持最佳的性能。DARPA的MAS研制计划利用了近10年来在先进材料和控制技术领域的技术进步和研究成果，使机翼的外形得到彻底的改变，据称这些新技术甚至具有可以使机翼表面积扩大到300％以上的潜在能力。DARPA现阶段研制计划的研制重点是：低声速和跨声速变形机翼技术，并提出了三种结构方案，分别是洛克希德·马丁公司提出的“折叠机翼”方案，新一代航空技术公司提出的“滑动蒙皮”方案，雷声公司提出的“压缩机翼”方案。

此外，国内的很多学者对变体机翼结构也进行了大量的基础性研究，如西北工业大学飞机结构强度研究所开展的变体飞行器结构振动特性研究；北京航空航天大学宇航学院飞行器设计与应用力学系对SMA复合材料层合板和压电层合板自适应结构的变形进行了分析计算和变形控制；流体力学研究所针对不同马赫数和攻角下自适应翼型舵面偏置角的规律、自适应机翼优化的气动外形等进行了详细的研究。

在变体机翼结构设计方面，2007年，西北工业大学航空学院解江博士在《机械科学与技术》著文“自适应机翼柔性翼肋的受控运动学规律研究”，设计了一种自适应机翼基本部件——柔性翼肋结构，，分析了模型设计的关键参数，推导出了单输入驱动下柔性翼肋变形的运动学规律，并通过软件仿真和模型实验验证了柔性翼肋受控运动规律的正确性。该柔性翼肋是由一些独立的刚性单元通过转轴和滑动铰相互连接而成的，且每个翼肋都可以单独驱动。柔性翼肋依靠其内部单元的偏转运动并以一定运动学规律实现预期的机翼剖面形状变化。翼肋单元由一个“内板”和两个“外板”构成，每个单元都有4个连接孔，其中外侧两个孔用来安装滑动铰，内侧两个孔用来安装转轴。但由于该结构通过转轴和滑动铰相互连接，结构较为复杂，且偏转角度受到一定限制。同时，该结构没有相应的驱动单元，无法实现自动控制，偏转精度较差。

发明内容

本发明的目的是，研制一种结构简单、易于控制的自适应变体机翼后缘结构。实现机翼后缘结构快速、稳定、准确的达到预变形的目的。