一种SMA驱动的伸缩机翼结构的制作方法

本发明涉及伸缩机翼领域，尤其涉及一种sma驱动的伸缩机翼结构。

背景技术：

伸缩机翼技术在世界范围内的研究起步很早。1929年，美国飞机设计大师文森特•加斯特斯•博内利设计的gx-3飞机成功首飞，该机集中体现了升力体机身即（bwb布局的雏形）、可变面积机翼（采用伸缩机翼技术）、可变弯度机翼、全翼展高升力襟翼、翼梢小翼、翼尖副翼等多项当时航空领域的新思想，获得了可能是世界上最早的伸缩机翼概念专利。接下来的几十年中，西方各国对伸缩机翼技术的研究一直没有停止过，各方面的研究成果陆续申报了多项伸缩机翼机构与应用概念的发明专利。20世纪末期，在新型材料、结构、机构等技术进步的支持下，伸缩机翼技术被融入变体飞机概念，成为美国变体飞机技术验证计划的重点研究方向之一。

伸缩机翼主要通过改变机翼展长和展弦比来改善全机升阻特性，特别适合于追求续航性能的各类军民用飞行器。对于低翼载、大展弦比或超大展弦比的常规固定翼长航时飞机，在起降与续航性能相近的条件下，采用伸缩机翼技术后，能够通过减小机翼展长、增加机翼当量后掠角提高飞机的加速及冲刺能力。

对于高翼载、中小展弦比的高亚音速固定翼支援保障飞机和作战飞机，在高速飞行性能接近的条件下，采用伸缩机翼技术后，可以获得起降距离、航程、航时等方面的性能收益。

形状记忆合金(shapememoryalloy，简称sma)是一种能够记忆原有形状的智能材料。sma能够作为驱动材料最主要的原因是其具有形状记忆效应（shapememoryeffect，简称sme），即sma材料在加热升温后能够完全消除其在较低的温度下发生的塑性变形，回复其变形前的原始形状，并且此过程可以循环重复。

对于形状记忆合金，通常将马氏体相变中的高温相叫做母相（也称作奥氏体相（a）），低温相叫做马氏体相（m），从母相到马氏体相的相变称为正相变，或马氏体相变，反之则称为马氏体逆相变。形状记忆效应则是在热弹性马氏体逆相变的过程中发生的。

针对可伸缩的机翼结构，目前也有各种不同类型的实现方法，但存在很多的问题，比如：可伸缩翼段在收缩状态下，固定翼段内部空间被占用，影响到机翼内部空间的有效利用；可伸缩段是否有足够的刚度和承载能力，蒙皮部分的变形和承载能力等是否满足真实飞机的需求；机翼厚度很小，机翼内没有足够的空间放置传统的驱动系统，比如：电机、液压等，即使能够采用传统的驱动系统，也存在重量重、结构复杂、空间占用大等问题；

本专利设计的可伸缩机翼结构，占用很小的固定机翼段的空间（导轨和sma丝驱动器），采用形状记忆合金（sma）驱动器，与伸缩机翼结构想融合，具有驱动力大、结构简单、重量轻、占用空间小等优点，可伸缩段采用的蒙皮叠层结构具有刚度大、承载能力强的优点，通过合理的结构设计，能够满足飞行器的实际需求。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种sma驱动的伸缩机翼结构。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种sma驱动的伸缩机翼结构，包含固定翼和活动翼；

所述固定翼包含前翼梁、后翼梁、n个固定翼肋和固定蒙皮，n为大于等4的自然数；

所述n个固定翼肋结构相同、由外至内依次平行等距设置，n个固定翼肋上都分别设有用于和前翼梁、后翼梁相配合的前翼梁安装孔、后翼梁安装孔；

所述前翼梁、后翼梁分别依次穿过n个固定翼肋上的前翼梁安装孔、后翼梁安装孔，和各个固定翼肋固连；

所述固定蒙皮和n固定翼肋的外轮廓固连；

所述活动翼包含前滑杆、后滑杆、联动机构、2m+1个活动翼肋、m张内蒙皮、以及m+1张外蒙皮，m为大于等于1的自然数；

所述2m+1个活动翼肋结构相同、由外至内依次平行设置，其中，第2至第2m+1个活动翼肋、以及第1至第p个固定翼肋上都分别设有用于和前滑杆、后滑杆相配合的前滑杆安装孔、后滑杆安装孔，前滑杆安装孔、后滑杆安装孔上均设有滑动座、且滑动座上设有滑杆孔，p为预设的大于等2且小于n的整数；

所述前滑杆一端和第1个活动翼肋固连、另一端依次穿过第2至第2m+1个活动翼肋、以及第1至第p个固定翼肋上的前滑杆安装孔，和第2至第2m+1个活动翼肋、以及第1至第p个固定翼肋滑动连接，能够相对第2至第2m+1个活动翼肋、以及第1至第p个固定翼肋自由滑动；

所述后滑杆一端和第1个活动翼肋固连、另一端依次穿过第2至第2m+1个活动翼肋、以及第1至第p个固定翼肋上的后滑杆安装孔，和第2至第2m+1个活动翼肋、以及第1至第p个固定翼肋滑动连接，能够相对第2至第2m+1个活动翼肋、以及第1至第p个固定翼肋自由滑动；

所述前滑杆、后滑杆远离第一个活动翼肋的一端均设有限位块，以防止前滑杆、后滑杆脱离第p个固定翼肋；

所述第p固定翼肋和第n个固定翼肋之间的翼肋上都分别设有供前滑杆、后滑杆上限位块通过的通孔；

所述第1个活动翼肋和所述第n个固定翼肋对应固连；

所述联动机构采用菱形伸缩架，包含2m+1个在其伸缩方向上运动的长度铰接点、以及2m组在垂直于其伸缩方向上运动的宽度铰接点，每组宽度铰接点均包含两个宽度铰接点；

所述第2个至第2m个活动翼肋上都设有用于和联动机构相配合的联动安装孔；

所述联动机构依次穿过第2个至第2m个活动翼肋，其第1个长度铰接点和第1个活动翼肋相连，第2个至第2m个长度铰接点分别和第2个至第2m个活动翼肋的联动安装孔一一对应相连，第2m+1个长度铰接点和第2m+1个活动翼肋相连；

所述第2i+1个活动翼肋的活动机翼的外轮廓上均设有增厚层，增厚层的厚度等于内蒙皮的厚度，i为大于等于0小于等于m的自然数；

所述m+1张外蒙皮一一对应设置在所述第2i+1个活动翼肋的增厚层上，m张内蒙皮一一对应设置在第2j个活动翼肋的外轮廓上，j为大于等于1且小于等于m的自然数；

所述联动机构的2m组宽度铰接点中，每组宽度铰接点的两个宽度铰接点之间均设有一组用于使得联动机构伸长的第一sma丝；第1个活动翼肋和第n个固定翼肋之间设有若干组用于使得联动机构缩短的第二sma丝，所述第2个至第2m+1个活动翼肋、以及第1个至第n-1个固定翼肋上均设有和所述第二sma丝一一对应的供其穿过的通孔，所述第二sma丝均一端和所述第1个活动翼肋固连、另一端依次穿过第1个至第n-1个固定翼肋上其对应的通孔和第n个固定翼肋固连。

作为本发明一种sma驱动的伸缩机翼结构进一步的优化方案，所述第1个活动翼肋和第n个固定翼肋之间设有2组第二sma丝。

作为本发明一种sma驱动的伸缩机翼结构进一步的优化方案，所述m取2，n取5，p取3。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.联动机构实现机翼活动段的连接的同时，各组第一sma丝同时实现联动机构的变形驱动和位移放大作用；

2.第二sma丝实现机翼可伸缩段的收缩，采用多组第二sma丝可提高其伸缩变形的驱动能力，直径0.5~2mm的丝基本不占据机翼内部的空间，具有结构简单可靠，重量轻驱动力大的优点。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中活动翼沿翼肋弦线剖面示意图；

图3（a）、图3（b）分别是本发明最大跨度、最小跨度的结构示意图；

图4是单程形状记忆效应的原理图；

图5是本发明中第一、第二sma丝的布置方式示意图。

图中，1-活动翼，2-固定翼，3-联动机构，4-前翼梁，5-后翼梁，6-前滑杆，7-后滑杆，8-外蒙皮，9内蒙皮，10-第一sma丝，11-第二sma丝。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

本发明公开了一种sma驱动的伸缩机翼结构，伸缩机翼整体结构由固定翼和活动翼两部分构成，以单程形状记忆合金（shapememoryalloy，简称sma）丝作为驱动源，采用差动驱动模式，通过控制活动翼的伸缩，实现机翼整体跨度的改变。

固定翼包含前翼梁、后翼梁、n个固定翼肋和固定蒙皮，n为大于等4的自然数；

n个固定翼肋结构相同、由外至内依次平行等距设置，n个固定翼肋上都分别设有用于和前翼梁、后翼梁相配合的前翼梁安装孔、后翼梁安装孔；

前翼梁、后翼梁分别依次穿过n个固定翼肋上的前翼梁安装孔、后翼梁安装孔，和各个固定翼肋固连；

固定蒙皮和n固定翼肋的外轮廓固连；

活动翼包含前滑杆、后滑杆、联动机构、2m+1个活动翼肋、m张内蒙皮、以及m+1张外蒙皮，m为大于等于1的自然数；

2m+1个活动翼肋结构相同、由外至内依次平行设置，其中，第2至第2m+1个活动翼肋、以及第1至第p个固定翼肋上都分别设有用于和前滑杆、后滑杆相配合的前滑杆安装孔、后滑杆安装孔，前滑杆安装孔、后滑杆安装孔上均设有滑动座、且滑动座上设有滑杆孔，p为预设的大于等2且小于n的整数；

前滑杆一端和第1个活动翼肋固连、另一端依次穿过第2至第2m+1个活动翼肋、以及第1至第p个固定翼肋上的前滑杆安装孔，和第2至第2m+1个活动翼肋、以及第1至第p个固定翼肋滑动连接，能够相对第2至第2m+1个活动翼肋、以及第1至第p个固定翼肋自由滑动；

后滑杆一端和第1个活动翼肋固连、另一端依次穿过第2至第2m+1个活动翼肋、以及第1至第p个固定翼肋上的后滑杆安装孔，和第2至第2m+1个活动翼肋、以及第1至第p个固定翼肋滑动连接，能够相对第2至第2m+1个活动翼肋、以及第1至第p个固定翼肋自由滑动；

前滑杆、后滑杆远离第一个活动翼肋的一端均设有限位块，以防止前滑杆、后滑杆脱离第p个固定翼肋；

第p固定翼肋和第n个固定翼肋之间的翼肋上都分别设有供前滑杆、后滑杆上限位块通过的通孔；

第1个活动翼肋和第n个固定翼肋对应固连；

联动机构采用菱形伸缩架，包含2m+1个在其伸缩方向上运动的长度铰接点、以及2m组在垂直于其伸缩方向上运动的宽度铰接点，每组宽度铰接点均包含两个宽度铰接点；

第2个至第2m个活动翼肋上都设有用于和联动机构相配合的联动安装孔；

联动机构依次穿过第2个至第2m个活动翼肋，其第1个长度铰接点和第1个活动翼肋相连，第2个至第2m个长度铰接点分别和第2个至第2m个活动翼肋的联动安装孔一一对应相连，第2m+1个长度铰接点和第2m+1个活动翼肋相连；

第2i+1个活动翼肋的活动机翼的外轮廓上均设有增厚层，增厚层的厚度等于内蒙皮的厚度，i为大于等于0小于等于m的自然数；

m+1张外蒙皮一一对应设置在第2i+1个活动翼肋的增厚层上，m张内蒙皮一一对应设置在第2j个活动翼肋的外轮廓上，j为大于等于1且小于等于m的自然数；

联动机构的2m组宽度铰接点中，每组宽度铰接点的两个宽度铰接点之间均设有一组用于使得联动机构伸长的第一sma丝；第1个活动翼肋和第n个固定翼肋之间设有若干组用于使得联动机构缩短的第二sma丝，第2个至第2m+1个活动翼肋、以及第1个至第n-1个固定翼肋上均设有和第二sma丝一一对应的供其穿过的通孔，第二sma丝均一端和第1个活动翼肋固连、另一端依次穿过第1个至第n-1个固定翼肋上其对应的通孔和第n个固定翼肋固连。

如图1所示，m取2，n取5，p取3，在伸缩机翼中，活动翼与固定翼通过伸缩翼梁和联动机构相连接。伸缩翼梁既要与端肋相固接，又要与活动翼中除端肋外的其余翼肋和固定翼中的部分翼肋通过滑动部件相连接；联动机构在将活动翼中端肋和各个翼肋通过铰接相互关联的同时，又要与固定翼中距机身最远端的翼肋相铰接。活动翼中，蒙皮分段铆接于每个翼肋上，相邻翼肋轮廓通过设置增厚层使得外蒙皮、内蒙皮存在蒙皮厚度的阶差，进而使外蒙皮和内蒙皮可以交错层叠，以便保证活动翼能够实现伸缩功能。阶差存在形式如图2所示。固定翼中，采用双翼梁结构，分别布置前翼梁和后翼梁作为主要承力部件，各个翼肋分别与翼梁相固定，蒙皮铆接于翼肋上。

机翼伸长时，相对固定翼，伸缩翼梁沿固定翼中滑动部件的约束方向向外滑动；活动翼中端肋以及各个翼肋在联动机构的约束下，沿伸缩翼梁的纵向等距离同步向外延伸，其中，伸缩翼梁与端肋作为整体进行滑动，与活动翼中除端肋外的其余翼肋产生相对滑动；联动机构沿伸缩翼梁的纵向伸长；外蒙皮和内蒙皮组成的层叠蒙皮相互接触面积变小。同理，机翼收缩时，相对固定翼，伸缩翼梁沿固定翼中滑动部件的约束方向向内滑动；活动翼中端肋以及各个翼肋在联动机构的约束下，沿伸缩翼梁的纵向等距离同步向内收缩其中，伸缩翼梁与端肋作为整体进行滑动，与活动翼中除端肋外的其余翼肋产生相对滑动；联动机构沿伸缩翼梁的纵向收缩；层叠蒙皮相互接触面积变大。

活动翼中的限位结构与固定翼相配合约束了伸缩翼梁滑动的最大和最小距离，进而定义了伸缩机翼的整体最大和最小跨度。如图3（a）所示，延伸至最大跨度延伸时，活动翼中的相邻的外蒙皮、内蒙皮依然相互搭接，伸缩翼梁仍会与部分翼肋保持连接状态，以允许将外侧载荷有效地通过外蒙皮、内蒙皮传递给活动翼的翼肋，继而传递给伸缩翼梁，然后进一步传递到固定翼的翼肋上，最后传递给固定翼的前、后翼梁。如图3（b）所示，收缩至最小跨度时，层叠蒙皮相互接触面积达到最大，内蒙皮完全被外蒙皮覆盖，相邻的外蒙皮处于对接状态。

基于机翼的结构形式和联动机构的机械特征，对活动翼中的翼肋、伸缩翼梁或者联动机构任意一项施加相对应的驱动力，均可延伸或收缩机翼。本文以单程sma丝作为驱动源，采用差动驱动模式，分别对翼肋和联动机构施加驱动力，实现机翼的延伸和收缩。以sma的动作特性划分，形状记忆效应可分为三种类型：单程（oneway）形状记忆效应、双程（twoway）形状记忆效应以及全程（allround）记忆效应。本文伸缩机翼就是利用sma的单程记忆效应来实现机翼的伸缩运动。

单程形状记忆效应即通常所说的形状记忆效应，如图4，图中ms表示母相开始转变为马氏体相的温度，af表示马氏体相向母相逆转变完成的温度。在低温马氏体状态下，通过外力使sma产生塑性变形后，加热到af以上发生逆相变，sma便回到高温奥氏体状态的形状，但再次冷却后并不能回到低温马氏体相时的形状。

除了具有形状记忆效应之外，sma还具有特殊的机械力学性能，这也是其能够作为驱动元件的主要原因。通常在室温（低于ms）时，全部由马氏体构成的sma屈服应力很小，而随着温度的升高，sma开始发生马氏体逆相变，屈服应力也随之变大，当马氏体逆相变完成后，屈服应力达到最大。利用sma的单程记忆效应和低温时屈服应力相对较小、高温时屈服应力相对较大的机械特性，可以将sma作为单向驱动器。

依据sma单程形状记忆效应和机械特性，为实现机翼的延伸和收缩，均需要对sma丝在低于马氏体开始相变温度（ms）的情况下进行预拉伸处理。因此采取一种sma丝差动驱动模式，即在伸缩机翼的某一确定的延伸（或收缩）状态下，驱动联动机构的sma丝与驱动活动翼端肋的sma丝均处于合适的预拉伸状态（合适的预拉伸状态指在此状态下可以实现机翼伸缩的最大与最小跨度）。

为实现sma丝差动驱动，将机翼结构中单程sma丝的布置分为两种方式，如图5所示。一种布置方式为：设置第一sma丝，使得联动机构每组在垂直于其伸缩方向上运动的宽度铰接点之间都被一组第一sma丝连接，通过第一sma丝直接驱动联动机构。在联动机构每组宽度铰接点之间都布置第一sma丝的目的是为机翼的延展提供足够的驱动力。另一种布置方式为：设置若干组第二sma丝，每组第二sma丝的一端与固定翼最靠近机身的翼肋相连接，然后依次穿过其余翼肋上为sma丝预留的孔位，最后连接在活动翼的第1个翼肋上。为保证有足够的驱动力，至少布置两组第二sma丝，可在机翼上下布置。

在第一sma丝、第二sma丝互动驱动模式下，如需延展机翼，则依靠第一sma丝驱动联动机构来实现。使各组第二sma丝温度处于ms以下，对各组第一sma丝进行加热。当温度高于马氏体相向母相逆转变完成的温度（af）时，各组第一sma丝便回到预拉伸之前的长度。在这一过程中各组第二sma丝产生应变的同时也产生了回复力。联动机构将由各组第一sma丝产生的沿机翼弦向的回复力转换为沿机翼展向的驱动力。驱动力一方面通过联动机构的传递，推动活动翼翼肋和相对应的蒙皮以及伸缩翼梁沿滑动部件的约束方向向外延伸，实现伸缩机翼的展向伸长；另一方面对各组第二sma丝施加拉力，进一步对其进行预拉伸，保证机翼收缩过程有足够的回复力。

同理，在sma丝互动驱动模式下，如需收缩机翼，则依靠第二sma丝直接驱动活动翼的第一翼肋来实现。使各组第一sma丝温度处于ms以下，对各组第二sma丝进行加热，则各组第二sma丝产生形变的同时也产生了回复力，回复力一方面直接作用于活动翼的端肋上，通过联动机构的传递，拉动活动翼翼肋和相对应的蒙皮以及伸缩翼梁沿滑动部件的约束方向向内收缩，实现伸缩机翼的展向缩短；另一方面由于联动机构的变形，间接对各组第一sma丝施加拉力，进一步对其进行预拉伸，以便有足够的回复力来驱动机翼延伸。

第一、第二sma丝互动驱动模式采用两种不同的驱动作用方式分时工作，在实现机翼的延伸（或收缩）的同时，对第二（或第一）的sma丝进行了进一步的预拉伸，为后续机翼收缩（或延伸）过程拥有足够的回复力提供了保证。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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