CN108910011B - 一种含有可嵌套分节外壳的空间可展的飞行器变形头锥 - Google Patents

Abstract

一种含有可嵌套分节外壳的空间可展的飞行器变形头锥，此头锥由可嵌套的分节式头锥外壳、交叉杆及其传动机构、平行导轨转动机构以及电机螺杆螺母驱动装置组成，本头锥的外壳能够在整体的偏转和伸长运动的过程中保持节与节之间的相互嵌套，保证相邻头锥壳体之间的线接触，因此该头锥的外壳具备的特殊形状特征可以大大提升头锥的密闭性，可以进一步提高变形头锥的可靠性，本头锥的头锥外壳、交叉杆机构以及侧面的平行导轨转动机构共同构成一个运动自由度为2的空间可展结构，在设计加入传动机构后实现分节式头锥外壳的整体联动，得到一个只需要两个驱动进行控制的可变形的头锥，本发明具有变形灵活、驱动少、头锥空间占有少、变体稳定等特点。

Description

一种含有可嵌套分节外壳的空间可展的飞行器变形头锥

技术领域

本发明涉及飞行器技术领域，特别涉及一种含有可嵌套分节外壳的空间可展的飞行器变形头锥。

背景技术

空天飞行器相比于一般的飞行器，空天飞行器往往要经历在大气层和太空中飞行并再入大气层等复杂环境，每个飞行阶段对空天飞行器气动外形的要求有较大的区别。设计空天变体飞行器使其能够自主实现可变气动构型，是空天飞行器结构的未来发展方向。实现空天飞行器结构可变，可以从头锥、翼前缘、后掠翼等部分进行。若头锥具有可变体结构功能，就可以通过上升段和再入段的头锥钝度变化改善受热、消除激波阻力，进而优化飞行器受载情况。目前相关技术中的变体飞行器的设计主要集中在机翼领域，头锥领域的变体技术研究较少。目前现有的飞行器变形头锥仅有中国专利CN105346702A，大部分的飞行器变形头锥设计在分节的头锥壳体间存在着较大的缝隙，造成其具有差的承载性能和空间封闭性能，机身可变形蒙皮技术的发展还不足以弥补其壳体间隙造成的承载性能和封闭性能上的缺点。因此，对于新型的具有密闭嵌套头锥壳体的变形头锥的设计可以解决该类问题，提高变形头锥的承载能力和内部空间的密闭性，对于未来变体飞行器的设计制备具有重要的借鉴意义。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种含有可嵌套分节外壳的空间可展的飞行器变形头锥，在具备变形灵活、驱动少、头锥空间占有少、变体稳定等特点的同时，还具备好的密闭性，可提升自身的承载能力。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种含有可嵌套分节外壳的空间可展的飞行器变形头锥，包括多个头锥外壳1，头锥外壳1之间为相互嵌套的分节式结构，沿轴由第一级到最后一级从前向后布置，所述的头锥外壳1第一级的直径最大，后续的头锥外壳1直径依级数增大而减小，下一级头锥外壳1嵌套在上一级头锥外壳1内部，所述的头锥外壳1相互之间为线接触，相邻两级头锥外壳1之间通过上下设置的交叉杆及其传动机构2和左右设置的平行导轨转动机构3连接，上一级的交叉杆及其传动机构2将运动传递到与下一级连接的交叉杆及其传动机构2上，位于第一级头锥外壳1内部上下端位置分别设置有提供动力的电机，电机驱动使得上下的交叉杆及其传动机构2带动头锥外壳1伸缩和弯曲，最后一级头锥外壳1的壳体带有球冠。

所述的头锥外壳1的主体形状均是薄壁圆台环状，除第一级壳体，在每一级壳体上下靠前的位置存在用于安装交叉杆及其传动机构2的前导杆机构；在每一级壳体两侧靠后的位置存在用于安装转动基座的平台结构；除第六极壳体，在每一级壳体上下靠后的位置存在用于安装交叉杆及其传动机构2的后导杆机构。

所述的平行导轨转动机构3主要由转动轴承基座3A、侧导杆3B以及导轨3C构成；平行导轨转动机构3对称安装在每两级头锥外壳1之间，转动轴承基座3A与后一级壳体的平台结构连接，导轨3C与前一级壳体平台结构连接，侧导杆3B一端可以沿导轨3C平移，另一端与转动轴承基座3A连接。

所述的侧导杆3B一端为突出轴结构，另一端为滑块结构，突出轴结构与转动轴承基座3A的中轴承相连，另一端滑块结构与导轨3C相连。

所述的交叉杆及其传动机构2存在两组，上下对称地安装在头锥外壳1内部，交叉杆及其传动机构2包括交叉杆机构与传动连杆机构，交叉杆机构由两个交叉杆2A、两个上滑块2C以及两个下滑块2B组成；两个交叉杆2A通过中部孔进行铰接，交叉杆2A两端与上滑块2C或者下滑块2B铰接；传动连杆机构由两个连动杆2D组成，两个连动杆2D分别在两端与前后两个交叉杆机构的相应的滑块铰接。

所述的头锥外壳1除最后一级壳体之外，在每一级壳体与后一级壳体嵌套范围内存在圆柱状的内部形状；除第一级壳体之外，在每一级壳体与前一级壳体的嵌套范围内存在部分球状的外部形状。

所述的头锥外壳1在变形的状态下，相邻的头锥外壳1的球面特征和圆柱面特征仍相切。

所述的头锥外壳1由前到后从一到六分成六级。

所述的头锥外壳1在头锥整体的变形过程中始终实现两级壳体之间的线接触。

本发明的有益效果：

本发明功能在于通过相邻两级壳体之间连接的平行导轨机构以及交叉杆机构与两级壳体自身共同组成一个运动自由度为2的空间可展机构，可以实现相邻两级头锥壳体之间的相对轴向移动和转动；并进一步地设计传动机构实现对于驱动运动的传递，以实现变形头锥整体的伸长和偏转运动的联动；

本发明在联动、少驱动以及头锥内部空间占有小等优点的基础上，对头锥壳体的形状进行创新设计，提出一种可嵌套式的分节外壳的设计方案，头锥外壳在头锥变形的过程中，相邻的单节头锥外壳之间始终相互嵌套，存在着线接触，最终实现理论上的头锥结构的密闭性，因此本发明具有结构稳定，头锥表面密闭性较好的特点。

附图说明

图1是本发明原始状态整体结构示意图。

图2是本发明变形状态整体结构示意图。

图3是本发明原始状态头锥外壳嵌套侧视图。

图4是本发明变形状态头锥外壳嵌套侧视图。

图5是本发明原始状态下交叉杆及其传动机构布置方案图。

图6是本发明原始状态下平行导轨转动机构布置方案图。

图7是本发明飞行器变形头锥第二、三级连接处的示意图。

图8是本发明第二、三级连接处的剖视图。

图9是本发明的交叉杆机构的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1图5所示，包括可相互嵌套的分节式头锥外壳1、交叉杆及其传动机构2以及平行导轨转动机构3构成，所述的可相互嵌套的分节式头锥外壳1共分成六级，沿轴由第一级到第六级向从前向后布置，相邻的两节头锥外壳1之间可以实现在壳体间相互嵌套的基础上的相对平移和转动运动；除第六级头锥机构，头锥外壳1的主体形状是圆台状，第六级壳体的主体形状在圆台状的基础上存在球冠特征；从第一级头锥壳体到第六级头锥壳体平均直径依次递减；第一级头锥壳体作为前端，其余头锥壳体依次嵌套布置，第六级头锥作为最后端，形成头锥锥顶结构。

所述的可相互嵌套的分节式头锥外壳1从直径最大的最前端头锥外壳1作为第一级并以此进行命名，直径最小的头锥外壳为第六级，并约定第一级为整体头锥的前端而第六级壳体作为头锥的后端。第一级至第六级头锥外壳1均具有与相邻头锥壳体嵌套的形状结构、整体的圆台环形结构以及存在于内部的用于与头锥其他机构连接的平台和导杆结构。

所述可相互嵌套的分节式头锥外壳1在每级头锥外壳的后端和前端存在部分特殊形状结构；除去第一级壳体，在各级头锥壳体的前端，其外部形状具有部分球面的特征，该部分球面形状外壳的球心是该级头锥壳体相对前一级头锥壳体转动的旋转轴的中点；除去第六级壳体，在各级壳体的后端，其内部形状具有一定长度圆柱面的特征，该内圆柱面特征直径与后一级壳体的球面特征直径相等；因此，在变形头锥伸长和偏转的过程中，各相邻壳体之间相对平移和转动时可以实现连续嵌套。

所述可相互嵌套的分节式头锥外壳1内部存在用于安装平行导轨转动机构中的转动轴承基座3A和导轨3C的平台结构特征以及用于安装交叉杆及其传动机构2中的滑块的圆柱导杆结构；除第一级壳体，各级壳体均有用于安装转动轴承基座3A的平台结构以及安装滑块的前圆柱导杆结构；除第六极壳体，各级壳体均有用于安装导轨3C的平台结构以及安装滑块的后圆柱导杆结构。

所述的交叉杆及其传动机构2主要由对称安装在头锥上下的两组机构构成；每组交叉杆及其传动机构2主要由五组交叉杆机构和四组交叉杆传动机构组成；交叉杆机构通过与前一级壳体的后圆柱导杆结构以及后一级壳体的前圆柱导杆结构相连接实现相邻头锥外壳1连接；交叉杆机构主要由两个相同的交叉杆2A以及两组共四个滑块组成，两个交叉杆2A在中部以铰接的形式连接，两个交叉杆2A两端分别与一组滑块以铰链的形式连接，滑块与该交叉杆机构连接的前/后头锥壳体的后/前圆柱导轨连接；交叉杆传动机构由两个连动杆2D组成，两个连动杆2D两端分别以铰链的形式连接所需连接的滑块；因此，只对第一级壳体中连接的两个滑块进行驱动，使其相对移动，可以通过交叉杆传动机构将滑块的运动传动到每一组交叉杆机构的两组滑块处，实现整体机构的联动。

所述的平行导轨转动机构3对称安装在头锥外壳1左右两侧；每一侧各安装有五组平行导轨转动机构3，一共十组平行导轨转动机构3；每一组平行导轨转动机构3均由转动轴承基座3A、侧导杆3B以及导轨3C构成；转动轴承基座3A与第二至六级壳体的平台特征相连接；导轨3C与第一至五级壳体的平台特征相连接；侧导杆3B一端突出圆柱轴与转动轴承基座3A相连接，另一端存在滑块特征与导轨3C连接；每相邻的两级头锥外壳1及两者之间的平行导轨转动机构3与交叉杆机构共同构成一个运动自由度为2的空间可展机构。

图1是本发明的含有可嵌套分节外壳的空间可展的飞行器变形头锥的原始状态下整体结构示意图。此头锥主要由头锥外壳1，交叉杆及其传动机构2以及平行导轨转动机构3组成。其中可嵌套的头锥壳体一共有六级，主体形状均是薄壁圆台环状，最后一级壳体带有球冠。

图2是本发明的含有可嵌套分节外壳的空间可展的飞行器变形头锥的变形状态整体结构示意图。在对交叉杆及其传动机构2进行驱动后，在上下差动的条件下，头锥实现伸长和偏转的运动，可嵌套的分节式头锥壳体在头锥变形的过程仍保持相互嵌套。

图3是本发明的含有可嵌套分节外壳的空间可展的飞行器变形头锥的原始状态部分剖切的头锥外壳的嵌套侧视图。在原始状态下，由于头锥外壳1中每两个相互嵌套的头锥壳体在需要嵌套的范围内，存在着内部圆柱面形状特征和外部球面形状特征，因此，在原始状态下可以实现头锥外壳相互嵌套的密闭效果。

图4是本申请的含有可嵌套分节外壳的空间可展的飞行器变形头锥的变形状态部分剖切的头锥外壳的嵌套侧视图。在头锥变形的状态下，在需要的尺寸范围内，相邻的头锥外壳1的球面特征和圆柱面特征仍相切，这使得相邻的头锥外壳1在头锥变形时仍实现相互嵌套。

图5是本申请的含有可嵌套分节外壳的空间可展的飞行器变形头锥的原始状态下交叉杆及其传动机构布置方案图。交叉杆及其传动机构2由交叉杆2A、下滑块2B、上滑块2C以及传动连杆2D组成，头锥上下对称地安装布置两组相同的交叉杆及其传动机构2，头锥外壳1内部具有导杆特征，利用导杆结构与上滑块2C以及下滑块2B连接，另外头锥壳体内部还具有平台结构特征与平行导轨转动机构3中的转动轴承基座3A以及导轨3C连接。

图6是本申请的含有可嵌套分节外壳的空间可展的飞行器变形头锥的原始状态下平行导轨转动机构布置方案图。平行导轨转动机构3由转动轴承基座3A、侧导杆3B以及导轨3C组成，每两个相邻的头锥外壳1之间均左右对称安装有两组平行导轨转动机构3。侧导杆3B一端可以沿导轨3C平移，另一端与转动轴承基座3A连接，这使得下一级头锥外壳1可以相对上一级头锥转动和轴向移动。

图7是本申请的含有可嵌套分节外壳的空间可展的飞行器变形头锥第二、三级连接处的示意图。二、三级头锥壳体之间在上下对称安装有交叉杆及其传动机构2，左右对称安装有平行导轨转动机构3。交叉杆及其传动机构2中的传动连杆2D可以将同一圆柱导轨结构上的上滑块2C和下滑块2B的相对靠近或远离的运动形式传递下去。

图8是本申请的含有可嵌套分节外壳的空间可展的飞行器变形头锥第二、三级连接处的剖视图。

图9是本申请的含有可嵌套分节外壳的空间可展的飞行器变形头锥的交叉杆机构的结构示意图。上滑块2C连接的交叉杆2A安装在下滑块2B连接的交叉杆2A上方，上滑块2C与下滑块2B只是在高度上存在不同。

以下具体说明含有可嵌套分节外壳的空间可展的飞行器变形头锥的运动形式以及对应的变形过程。

本头锥中，相邻两节头锥外壳1和上下对称安装的交叉杆机构以及左右对称安装的平行导轨转动机构3一同构成一个运动自由度为2的空间可展机构。因此在交叉杆传动机构的联动作用下，本头锥整体只需要两个驱动，分布在第一级头锥外壳1中，主要分别使第一级头锥外壳1内部上下两个圆柱导杆结构各连接的上滑块2C和下滑块2B相对滑动靠近和远离。当连接同一圆柱导轨的上、下滑块距离改变时，依靠交叉杆及其传动机构2，可以将滑块的运动转化为交叉杆构成的剪式机构的相对转动，并将滑块的相对运动传递下去，使得每一级头锥外壳1相对其前的相邻壳体相对移动和转动，最终使得整体变形头锥产生伸长和偏转的运动。本发明的变形头锥具有相互嵌套的分节式头锥壳体，利用头锥壳体在嵌套范围内的特殊圆柱内表面和球面外表面特征实现头锥壳体在整体变形头锥变形的过程中相互嵌套，保证相邻头锥壳体间的线接触。

本变形头锥的驱动较少，机构稳定性较好，经过对机构运动原理的研究计算发现，在头锥上下两个驱动的差动输入的不同条件下，可以实现整体头锥在形状上的伸长和弯曲运动，并能在不同的输入条件下实现单独弯曲、单独伸长或者同时伸长弯曲等不同的变形形式，十分灵活。此外，本变形头锥具有相互嵌套的分节式头锥壳体，在头锥进行变形的过程中，头锥壳体之间相互嵌套，保持线接触，这使得整体头锥的密闭性得到很大的提升，变形头锥结构的稳定性和气密性得到较大的提升，为用于飞行器的头锥设备的成功研发制备提供重要的借鉴意义。

Claims (8)

1.一种含有可嵌套分节外壳的空间可展的飞行器变形头锥，其特征在于，包括多个头锥外壳(1)，头锥外壳(1)之间为相互嵌套的分节式结构，沿轴由第一级到最后一级从前向后布置，所述的头锥外壳(1)第一级的直径最大，后续的头锥外壳(1)直径依级数增大而减小，下一级头锥外壳(1)嵌套在上一级头锥外壳(1)内部，所述的头锥外壳(1)相互之间为线接触，相邻两级头锥外壳(1)之间通过上下设置的交叉杆及其传动机构(2)和左右设置的平行导轨转动机构(3)连接，上一级的交叉杆及其传动机构(2)将运动传递到与下一级连接的交叉杆及其传动机构(2)上，位于第一级头锥外壳(1)内部上下端位置分别设置有提供动力的电机，电机驱动使得上下的交叉杆及其传动机构(2)带动头锥外壳(1)伸缩和弯曲，所述的头锥外壳(1)的最后一级壳体带有球冠；

所述的平行导轨转动机构(3)主要由转动轴承基座(3A)、侧导杆(3B)以及导轨(3C)构成；平行导轨转动机构(3)对称安装在每两级头锥外壳(1)之间，转动轴承基座(3A)与后一级壳体的平台结构连接，导轨(3C)与前一级壳体平台结构连接，侧导杆(3B)一端可以沿导轨(3C)平移，另一端与转动轴承基座(3A)连接。

2.根据权利要求1所述的一种含有可嵌套分节外壳的空间可展的飞行器变形头锥，其特征在于，所述的头锥外壳(1)的主体形状均是薄壁圆台环状，除第一级壳体，在每一级壳体上下靠前的位置存在用于安装交叉杆及其传动机构(2)的前导杆机构；在每一级壳体两侧靠后的位置存在用于安装转动基座的平台结构；除第六极壳体，在每一级壳体上下靠后的位置存在用于安装交叉杆及其传动机构(2)的后导杆机构。

3.根据权利要求1所述的一种含有可嵌套分节外壳的空间可展的飞行器变形头锥，其特征在于，所述的侧导杆(3B)一端为突出轴结构，另一端为滑块结构，突出轴结构与转动轴承基座(3A)的中轴承相连，另一端滑块结构与导轨(3C)相连。

4.根据权利要求1所述的一种含有可嵌套分节外壳的空间可展的飞行器变形头锥，其特征在于，所述的交叉杆及其传动机构(2)存在两组，上下对称地安装在头锥外壳(1)内部，交叉杆及其传动机构(2)包括交叉杆机构与传动连杆机构，交叉杆机构由两个交叉杆(2A)、两个上滑块(2C)以及两个下滑块(2B)组成；两个交叉杆(2A)通过中部孔进行铰接，交叉杆(2A)两端与上滑块(2C)或者下滑块(2B)铰接；传动连杆机构由两个连动杆(2D)组成，两个连动杆(2D)分别在两端与前后两个交叉杆机构的相应的滑块铰接。

5.根据权利要求1所述的一种含有可嵌套分节外壳的空间可展的飞行器变形头锥，其特征在于，所述的头锥外壳(1)除最后一级壳体之外，在每一级壳体与后一级壳体嵌套范围内存在圆柱状的内部形状；除第一级壳体之外，在每一级壳体与前一级壳体的嵌套范围内存在部分球状的外部形状。

6.根据权利要求1所述的一种含有可嵌套分节外壳的空间可展的飞行器变形头锥，其特征在于，所述的头锥外壳(1)在变形的状态下，相邻的头锥外壳(1)的球面特征和圆柱面特征仍相切。

7.根据权利要求1所述的一种含有可嵌套分节外壳的空间可展的飞行器变形头锥，其特征在于，所述的头锥外壳(1)由前到后从一到六分成六级。

8.根据权利要求1所述的一种含有可嵌套分节外壳的空间可展的飞行器变形头锥，其特征在于，所述的头锥外壳(1)在头锥整体的变形过程中始终实现两级壳体之间的线接触。

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