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CN102167155A - 一种机翼可扭转飞行器 - Google Patents

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CN102167155A CN2011100813944A CN201110081394A CN102167155A CN 102167155 A CN102167155 A CN 102167155A CN 2011100813944 A CN2011100813944 A CN 2011100813944A CN 201110081394 A CN201110081394 A CN 201110081394A CN 102167155 A CN102167155 A CN 102167155A
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孙健
陈以金
刘力搏
冷劲松
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Abstract

本发明提供一种智能材料驱动或机械驱动的速度快、航程远、油耗低、可垂直起降、可空中悬停的机翼可扭转飞行器。它是由机身、分段弯曲可扭转机翼、电致活性聚合物蒙皮、片状宏纤维压电复合材料条、变形蜂窝填芯、反转平台和可变桨距螺旋桨发动机组成的，两台可变桨距螺旋桨发动机对称装在机翼后缘，电致活性聚合物蒙皮作为机翼蒙皮，片状宏纤维压电复合材料条在机翼中性层上，变形蜂窝填芯填充在机翼蒙皮和片状宏纤维压电复合材料条之间，反转平台置于机身内部旋转中心处。本发明利用智能驱动器作为机翼扭转的驱动源，其质量轻、机构简单、效率高、维修方便，通过机翼扭转可以快速在平飞和悬停的飞行方式中切换。

Description

一种机翼可扭转飞行器
(一)技术领域
本发明涉及航空航天技术，具体说就是一种机翼可扭转飞行器。
(二)背景技术
固定翼飞行器自问世以来，便以速度快、航程远的优势迅速发展，但飞机起降必须依赖跑道或弹射器，且由于不能旋停，很难对目标进行持续不间断的侦察。而直升机类可悬停飞行器则无此缺憾，但不足的是因受旋翼的限制，飞行速度难以超过300km/h，航程也较短。近些年，一些国家掀起了一股热潮，竞相研制集固定翼飞机和直升机的性能优点为一身的垂直起降飞行器。垂直起降飞行器(VTOL)的准确定义是：能够以零速度起飞/着陆，具备悬停能力，并能以固定翼飞机的方式水平飞行。与传统飞机相比，垂直起降飞行器对跑道无依赖，且具有可悬停的优势；与传统直升机相比，垂直起降飞行器具有高得多的前飞速度，并具有更大的航程。具有垂直起降或空中悬停能力的飞行器可以执行包括战场侦察监视，实时传递信息；空中预警和协调指挥；目标指示、校正弹着、战果评估、无线电中继；干扰、破坏敌方通信指挥系统、雷达系统，对重要目标实施空袭等很多任务。这类飞行器具有兼具高低速性能、机动灵活、航程远、隐蔽性强、环境适应性强的优点，装备精确制导武器后可成为武装飞行器，大大提高对地面和海上目标的突击能力。
近些年来，垂直起降技术应用于无人飞行器取得了较大的发展。和有人驾驶飞机相比，垂直起降无人飞行器尺寸及需用功率小，飞行速度低。目前绝大部分垂直起降无人机属于旋翼类飞行器。都是靠一些机械机构使旋翼换向或机身换向来实现悬停与平飞的转换。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种智能材料驱动或机械驱动的速度快、航程远、油耗低、可垂直起降、可空中悬停的机翼可扭转飞行器。
本发明的目的是这样实现的：它是由机身、分段弯曲可扭转机翼、电致活性聚合物蒙皮、片状宏纤维压电复合材料条、变形蜂窝填芯、反转平台和可变桨距螺旋桨发动机组成的机身与可扭转机翼组成飞翼布局飞行器，两台可变桨距螺旋桨发动机对称装在机翼后缘，电致活性聚合物蒙皮作为机翼蒙皮，片状宏纤维压电复合材料条在机翼中性层上，变形蜂窝填芯填充在机翼蒙皮和片状宏纤维压电复合材料条之间，反转平台置于机身内部旋转中心处。
本发明一种可扭转机翼飞行器，同时具有固定翼飞行器和直升机类飞行器的优点，同现有的垂直起降飞行器相比，具有质量轻、机翼结构简单、可靠性高、研制成本低、容易操作、飞行性能高等优点，从而可以大大地提高武器系统的作战性能和安全性，减少了武器在服役过程中的风险性和维护成本。本发明所采用的基于电致活性聚合物和宏纤维压电复合材料的智能材料驱动器具有响应速度快、运动稳定性好、能量密度高、可靠性高和低密度等优点。本发明机翼扭转前后保持了蒙皮表层的光滑性和连续性，扭转过程中对驱动能的要求低。本发明不仅可以应用于飞行器，利用本发明的相关技术还可以用于机器人、半自动装载系统、可变翼巡飞弹和舰船潜艇等民用和军用结构系统中，为实现结构系统的安全化、智能化、自适应化提供有力的基础保障，大大地提高了结构系统在工作时的各种性能。
(四)附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为可扭转机翼剖面图；
图3为片状宏纤维压电复合材料条分布示意图；
图4为机翼扭转和变弯度图；
图5为本发明的飞行状态示意图。
(五)具体实施方式
下面结合附图举例对本发明作进一步说明。
实施例1：结合图1～图2，本发明一种可扭转机翼飞行器，它是由机身(1)、分段弯曲可扭转机翼(2)、电致活性聚合物蒙皮(3)、片状宏纤维压电复合材料条(4)、变形蜂窝填芯(5)、反转平台(6)和可变桨距螺旋桨发动机(7)组成的，机身(1)与分段弯曲可扭转机翼(2)组成飞翼布局飞行器，两台可变桨距螺旋桨发动机(7)对称装在机翼后缘，电致活性聚合物蒙皮(3)作为机翼蒙皮，片状宏纤维压电复合材料条(4)在机翼中性层上，变形蜂窝填芯(5)填充在机翼蒙皮和片状宏纤维压电复合材料条(4)之间，反转平台(6)置于机身内部旋转中心处，通过转轴与机体连接并能由电机驱动绕转轴旋转，当机翼可扭转飞行器处于自旋状态时，反转平台以相同角速度反方向旋转，使其与地面保持相对静止。反转平台上布置导航控制设备和对地观测设备。
实施例2：结合图2～图4，本发明一种可扭转机翼飞行器，所述的片状宏纤维压电复合材料条由压电纤维与指叉电极交互结构而成。多个片状宏纤维压电复合材料条相互平行延翼展方向贴在机翼中性层上。上述片状宏纤维压电复合材料条在特定外加电场诱导下，压电纤维产生机械应力，片状宏纤维压电复合材料条表现出主动弯曲的能力。单独片状宏纤维压电复合材料条弯曲变形可带动对应机翼部分弯曲，实现机翼分段弯曲，多个片状宏纤维压电复合材料条弯曲变形可带动机翼组合弯曲和整体弯曲，这样可以改变机翼的弯度和翼型，增大升阻比。该宏纤维压电复合材料具有挠性好、良好性强、机电耦合系数高、轻质、制造容易等优点，并可应用于曲面结构。
实施例3：结合图2～图4，本发明所述的蒙皮材料为电致活性聚合物，多个片状宏纤维压电复合材料条相互平行延翼展方向贴在机翼中性层上，变形蜂窝填芯填充在蒙皮与中性层之间。上述电致活性聚合物，在外加电场诱导下，通过材料内部构造改变产生弯曲、拉伸或压缩变形。如此设置，电致活性聚合物蒙皮表现出主动扭转变形的能力。机翼前后缘铺设的片状宏纤维压电复合材料条弯曲方向相反变形带动机翼扭转。电致活性聚合物蒙皮与片状宏纤维压电复合材料条共同作用使机翼能产生较大扭转角，改变机翼的迎角。变形蜂窝填芯协调电致活性聚合物和宏纤维压电复合材料的变形，承受气动载荷，维持机翼形状。该电致活性聚合物具有超大变形、高效率、超短反应时间、高疲劳寿命、高循环次数等特点。
实施例4：结合图1～图5，本发明一种机翼可扭转的飞行器，在起飞时，左右机翼扭转方向相反，产生相反迎角，一侧机翼后缘变为前缘，一侧可变桨距螺旋桨发动机变为负桨距，两台发动机产生反向力偶使飞行器旋转，机翼可扭转飞行器将如螺旋桨一样产生向下的推力，当推力大于自身重力时，便实现垂直起飞。在垂直上升到一定高度后两侧发动机同时改变桨距，使自选快速停止，在下落过程中，左右机翼向同一方向扭转，左右机翼弯度同时改变，产生相同迎角和翼型，两侧发动机变回正桨距，产生同向的推力，机翼可扭转飞行器变为正常飞翼式飞行器，在下落过程中积累速度，变为平飞状态。左右机翼迎角和弯度的微小变化可以产生控制力矩控制飞行器俯仰、滚转和偏航。机翼可扭转飞行器在平飞过程中，一侧发动机变负桨距，飞机开始偏航，并产生翻滚趋势，此时该侧机翼结构扭转(此扭转方向与旋翼扭转方向相反)，产生与滚转力矩相反的力矩平衡飞行器，不断地调整机翼扭转角度，使飞行器盘旋飞行，并减少初始平飞方向的速度，达到临界速度时，左右翼迅速反向改变扭转角度(变到旋翼扭转方向)，加大发动机推力，整机将绕固定体轴进行自旋，产生升力，通过改变扭转角度和发动机推力，实现机翼可扭转飞行器的悬停。
实施例5：机翼可扭转飞行器的机身由高强度碳纤维复合材料制成，分段弯曲可扭转机翼的中性层由柔韧性好的铝片或尼龙材料制成并连接到机身上，中性层上下分布有片状宏纤维压电复合材料条，电致活性聚合物蒙皮包覆在变形蜂窝填芯上形成光滑的机翼表面，两台安装可变桨距螺旋桨的无刷电动机对称装在机翼后缘。机翼可扭转飞行器翼展两米，起飞重量5千克。在起飞时，左右机翼扭转方向相反，产生相反的5°迎角，一侧机翼后缘变为前缘，该侧可变桨距螺旋桨变为负桨距，两台无刷电动机产生反向力偶使飞行器旋转，机翼可扭转飞行器将如螺旋桨一样产生向下的推力，当自旋速度达到300rpm时，推力大于自身重力，便实现垂直起飞。在垂直上升到一定高度后两侧螺旋桨同时改变桨距，使自选快速停止，在下落过程中，左右机翼向同一方向扭转，左右机翼弯度同时改变，产生相同迎角和翼型，两侧螺旋桨变回正桨距，产生同向的推力，机翼可扭转飞行器变为正常飞翼式飞行器，在下落过程中积累速度，当速度达到60km/h时变为平飞状态。左右机翼迎角和弯度的微小变化可以产生控制力矩控制飞行器俯仰、滚转和偏航。机翼可扭转飞行器在平飞过程中，一侧发动机变负桨距，飞机开始偏航，并产生翻滚趋势，此时该侧机翼结构扭转(此扭转方向与旋翼扭转方向相反)，产生与滚转力矩相反的力矩平衡飞行器，不断的调整机翼扭转角度，使飞行器盘旋飞行，并减少初始平飞方向的速度，达到临界速度时，左右翼迅速反向改变扭转角度(变到旋翼扭转方向)，加大发动机推力，整机将绕固定体轴进行自旋，产生升力，通过改变扭转角度和发动机推力，实现机翼可扭转飞行器的悬停。

Claims (1)

1.一种机翼可扭转飞行器，它是由机身(1)、分段弯曲可扭转机翼(2)、电致活性聚合物蒙皮(3)、片状宏纤维压电复合材料条(4)、变形蜂窝填芯(5)、反转平台(6)和可变桨距螺旋桨发动机(7)组成的，其特征在于：机身(1)与分段弯曲可扭转机翼(2)组成飞翼布局飞行器，两台可变桨距螺旋桨发动机(7)对称装在机翼后缘，电致活性聚合物蒙皮(3)作为机翼蒙皮，片状宏纤维压电复合材料条(4)在机翼中性层上，变形蜂窝填芯(5)填充在机翼蒙皮和片状宏纤维压电复合材料条(4)之间，反转平台(6)置于机身内部旋转中心处。
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