[发明专利]高刚度形状记忆合金驱动的飞机结构

说明书

技术领域

本公开的实施例大体涉及形状记忆合金结构。更具体地，本公开的实施例涉及可操作以影响流体流动的形状记忆合金结构。

背景技术

飞机的机身和发动机在不同的飞行条件下可以产生大量不同的听得见的噪声和湍流阻力。噪声和阻力的一个主要源头是在飞机结构表面周围的气流。前翼表面和尾翼表面、控制面、起落架结构、涡轮风扇发动机表面周围的气流和涡轮风扇发动机废气流均可以产生噪声。随着飞行条件改变，空气和废气的速度、温度、压力、湍流和其他特性可以显著地改变。在起飞和着陆时，外部空气(自由气流空气)速度较低，温度较高，并且发动机排气功率处于最大值(即，起飞阶段)。在巡航阶段，外部空气(自由气流空气)速度较高，温度较低，并且涡轮风扇发动机排气功率处于巡航水平。从地面到巡航高度，对于不同的飞行条件所有这些因素可以按照复杂的非线性方式变化。

为了改善在所有飞行阶段的飞机性能，例如通过在巡航阶段降低起飞噪声和降低阻力同时减少重量，飞机设计应当包括飞机结构的优化的形状和物理特性(例如，刚度)。然而，优化的形状和其他特性依赖于飞行条件而改变。因此，期望飞机结构是动态可重构的，以便使飞机改变从而适应当前的飞行条件。

特别感兴趣的是来自发动机的噪声和阻力。传统的涡轮风扇发动机包括风扇部分和发动机核心。风扇部分的外直径大于发动机核心的外直径。风扇部分和发动机核心关于纵轴顺序地放置并封装在发动机舱内。主要气流(核心流)的环形路径穿过风扇部分和发动机核心(核心喷嘴)，从而生成主要的推力。核心气流路径向外径向放置的风扇流的环形路径穿过风扇部分，并通过喷嘴(扇形喷嘴)排出，从而生成风扇推力。

对于起飞条件和着陆条件的需求不同于对于巡航条件的需求。对于巡航条件而言，期望较小直径的扇形喷嘴，以用于提高巡航性能和使燃料效率最大化，然而，对于起飞条件和着陆条件而言，较小直径的扇形喷嘴不认为是最优的。因此，在很多传统的发动机中，巡航性能和燃料效率通常折中从而确保涡轮风扇发动机在起飞和着陆时的安全性。除了提高效率之外，改变扇形喷嘴面积和因此改变发动机涵道比是降低起飞和靠近期间的城市噪声的极其有效的方式。某些涡轮风扇发动机已经实现了可变面积扇形喷嘴(VAFN)。VAFN能够在巡航条件期间具有较小的扇形喷嘴直径和在起飞条件与着陆条件期间具有较大的扇形喷嘴直径。

关于现代的喷气式飞机，在工业中通常被称为“人字形”的结构已经用于帮助抑制喷气式发动机产生的噪声。人字形通常是三角形突出状元件，其沿风扇的后缘和涡轮风扇喷气发动机的核心喷嘴定位，使得这些元件伸入从风扇和核心喷嘴排出的废气流中。对于大范围的运行条件，已经证明人字形在降低通过混合来自核心喷嘴和扇形喷嘴的气流和混合来自扇形喷嘴和自由气流空气的气流产生的宽频带噪声方面是有效的。由于人字形可以与风扇流直接相互影响，然而，它们也产生阻力和导致推力损失。因此，由于存在人字形，在减弱噪声的需求和最少化推力损失之间存在折衷。

因此，需要一种技术，能够提供所需的噪声减弱但不会在巡航条件期间产生额外的阻力或导致推力损失。

发明内容

本发明公开了一种形状记忆合金(SMA)驱动的飞机结构，其可操作以根据飞行条件动态地改变形状。可变形结构由耦合至可变形结构的面板的SMA致动器驱动。通过驱动SMA致动器的形状改变，驱动SMA致动器产生可变形结构的复杂的形状改变。SMA致动器基于运行条件经由主动温度变化或被动温度变化驱动。SMA驱动的飞机结构可以用于可形变喷嘴，例如喷气式发动机的可变面积扇形喷嘴和/或可变几何形状人字形，从而降低起飞期间的发动机噪声，而不会使巡航期间的燃料燃烧降级。

第一实施例包含形状记忆合金驱动的飞机结构。该形状记忆合金驱动的飞机结构包含第一面板和第二面板。该形状记忆合金驱动的飞机结构进一步包含在第一面板上的至少一个位置耦合至第一面板和在第二面板上的多个位置耦合至第二面板的至少一个形状记忆合金致动器。

第二实施例包含用于响应温度变化使形状记忆合金驱动的飞机结构成形的系统。该系统包含至少一个形状记忆合金驱动的飞机结构，该结构包含第一面板、第二面板和位于第一面板与第二面板之间的至少一个形状记忆合金致动器。该形状记忆合金致动器在第一面板上的至少一个位置耦合至第一面板和在第二面板上的多个位置耦合至第二面板。该系统进一步包含控制器，该控制器可操作以激活至少一个形状记忆合金致动器的至少一个区域，从而改变至少一个形状记忆合金驱动的飞机结构。