一种具有全向摆动能力的变形头锥

本发明涉及飞行器，特别是涉及一种具有全向摆动能力的变形头锥。

背景技术：

1、变构型空天飞行器可以根据飞行环境和任务工况的变化调整自身气动外形气动构型，相比于传统飞行器拥有更好的飞行性能与更广的任务包线。空天飞行器变构型方式包括机翼变后掠、变展长、变弦长、变弯度、低速飞翼与高速乘波体组合变形等，探索新型的变构型方式及其实现形式是近年来国内外航空航天领域的研究热点之一。

2、空天飞行器的头锥部分一方面起到安装任务载荷的作用；另一方面，头锥部分的几何外形对飞行器的气动特性和飞行姿态均有着重要影响。根据仿真分析与实验验证，头锥摆动变形可以直接改变飞行器气动力分布，实现飞行控制；并且为空天飞行器带来额外的机头指向能力，提升任务载荷功效，具有大幅度提升空天飞行器机动特性与飞行效能的潜力。然而，空天飞行器在高速飞行时会产生剧烈的气动加热效应，因此空天飞行器均采用相应的热防护措施，包括主动式、热沉式、烧蚀式及辐射式等，以保证飞行器的安全，并使内部载荷处于允许的温度和压力范围内。

3、现有的变形头锥虽然本身具有一定的静力与抗冲击性能，也能承受较高的温度并且可以实现头锥摆动，但是存在如下缺陷：

4、(1)传统的变形头锥热防护结构主要为三明治夹层结构，其表面以平板形式直接作为表面蒙皮结构，但该结构无法匹配头锥变形时产生的应变，将会导致蒙皮结构产生屈服，进而无法满足头锥变形需要；

5、(2)目前空天飞机器头锥大多设计方案并不能实现头锥的全向摆动，无法全向摆动的头锥限制了空天飞机器气动力分布的改变范围，限制了空天飞机器的飞行能力。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种具有全向摆动能力的变形头锥，以解决上述现有技术存在的问题，实现变形头锥的全向摆动，从而利于提升空天飞行器机动特性与飞行效能。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、本发明提供一种具有全向摆动能力的变形头锥，包括：

4、头锥本体，所述头锥本体包括沿所述头锥本体的轴向分布的一个锥形尖端、多个锥形环和多个热防护结构，所述锥形环与所述热防护结构交错分布，且述锥形尖端与相邻的所述锥形环之间设置有一个所述热防护结构，所述头锥本体一端为所述锥形尖端、另一端为一个所述锥形环，所述锥形尖端和每个所述锥形环都与相邻的所述热防护结构固连；所述热防护结构包括沿所述头锥本体的径向由内至外依次分布的内锥形套筒、中间锥形套筒和外锥形套筒，所述内锥形套筒的侧壁和所述外锥形套筒的侧壁都采用波纹板，所述内锥形套筒的侧壁上的波纹板的波纹沿所述内锥形套筒的母线方向排列，所述外锥形套筒的侧壁上的波纹板的波纹沿所述外锥形套筒的母线方向排列，所述中间锥形套筒的侧壁采用蜂窝芯材；

5、驱动机构，所述驱动机构包括第一驱动装置、第二驱动装置、摆杆、套筒、主动锥齿轮和与所述主动锥齿轮啮合的从动锥齿轮，所述第一驱动装置和所述第二驱动装置分别与安装所述头锥本体的飞行器的机架固连，所述头锥本体安装在所述飞行器上时，所述头锥本体中最远离所述锥形尖端的所述锥形环与所述机架固连；所述第二驱动装置的输出轴和所述主动锥齿轮都与所述头锥本体中最远离所述锥形尖端的所述锥形环同轴，所述第一驱动装置用于驱动所述主动锥齿轮自转，所述套筒转动套设在所述从动锥齿轮的转轴上，所述套筒与所述第二驱动装置的输出轴固连，所述从动锥齿轮的转轴和所述套筒的轴向都与所述第二驱动装置的输出轴垂直，所述摆杆一端与所述从动锥齿轮的转轴固连、另一端与所述锥形尖端固连。

6、优选的，每个所述锥形环的内径都由靠近所述锥形尖端的一端至另一端逐渐增大；任意两个所述锥形环中，远离所述锥形尖端的所述锥形环的最小内径大于另一个所述锥形环的最大内径。

7、优选的，所述套筒的侧壁对应所述摆杆设置有弧形滑槽，所述摆杆穿过所述弧形滑槽且与所述弧形滑槽滑动配合。

8、优选的，所述第一驱动装置和所述第二驱动装置都采用电液驱动器。

9、优选的，所述锥形环、所述锥形尖端、所述内锥形套筒、所述中间锥形套筒和所述外锥形套筒的材料都为金属。

10、优选的，所述主动锥齿轮与所述第一驱动装置的输出轴同轴，且所述主动锥齿轮固设在所述第一驱动装置的输出轴上。

11、优选的，同一个所述热防护结构中，所述内锥形套筒和所述外锥形套筒与所述中间锥形套筒之间都存在间隔。

12、优选的，所述内锥形套筒、所述中间锥形套筒和所述外锥形套筒都一端与一个所述锥形环固连、另一端与另一个所述锥形环或所述锥形尖端固连。

13、优选的，所述第一驱动装置通过第一固定支架与所述机架固连，所述第二驱动装置通过第二固定支架与所述机架固连。

14、优选的，还包括套筒，所述从动锥齿轮的转轴通过轴承与所述套筒转动配合。

15、本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

16、本发明的具有全向摆动能力的变形头锥一方面通过波纹板与蜂窝结构的结合，显著提高了热防护结构的变形适应性和热防护性能；另一方面驱动机构的设计，实现了头锥的全向摆动，拓展了变形头锥的应用场景，特别是在需要高机动性和复杂环境下的应用，如航天器姿态调整和飞行器机动飞行等领域，展现出巨大的潜力和优势。

17、进一步的，本发明通过设置内锥形套筒、中间锥形套筒和外锥形套筒三层设计的热防护结构，内锥形套筒的侧壁和外锥形套筒的侧壁都采用波纹板，为头锥本体提供了显著的各向异性特征，即在波纹排列方向上表现出柔韧性，而在垂直波纹板的方向上保持高刚度，既放大了变形效果又有效抵御外界气动载荷。中间锥形套筒的侧壁采用蜂窝芯材不仅减轻了整体重量，还增强了结构的抗热能力和气动载荷承载能力，实现了轻量化与高强度的完美结合。

18、进一步的，本发明采用了电液驱动器作为主驱动力源，通过锥齿轮传动机构将扭矩高效传递给摆杆，通过摆杆带动锥形尖端摆动，进而实现头锥整体的精准摆动。第二驱动装置的设置能够灵活调整从动锥齿轮的周向位置，确保头锥在任意方向上的平滑摆动，满足了全向摆动的需求。这种独特的驱动机制克服了传统连杆机构在实现全向摆动方面的不足，极大地提升了系统的灵活性和适用范围。

技术特征：

1.一种具有全向摆动能力的变形头锥，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的具有全向摆动能力的变形头锥，其特征在于：每个所述锥形环的内径都由靠近所述锥形尖端的一端至另一端逐渐增大；任意两个所述锥形环中，远离所述锥形尖端的所述锥形环的最小内径大于另一个所述锥形环的最大内径。

3.根据权利要求1所述的具有全向摆动能力的变形头锥，其特征在于：所述套筒的侧壁对应所述摆杆设置有弧形滑槽，所述摆杆穿过所述弧形滑槽且与所述弧形滑槽滑动配合。

4.根据权利要求1所述的具有全向摆动能力的变形头锥，其特征在于：所述第一驱动装置和所述第二驱动装置都采用电液驱动器。

5.根据权利要求1所述的具有全向摆动能力的变形头锥，其特征在于：所述锥形环、所述锥形尖端、所述内锥形套筒、所述中间锥形套筒和所述外锥形套筒的材料都为金属。

6.根据权利要求1所述的具有全向摆动能力的变形头锥，其特征在于：所述主动锥齿轮与所述第一驱动装置的输出轴同轴，且所述主动锥齿轮固设在所述第一驱动装置的输出轴上。

7.根据权利要求1所述的具有全向摆动能力的变形头锥，其特征在于：同一个所述热防护结构中，所述内锥形套筒和所述外锥形套筒与所述中间锥形套筒之间都存在间隔。

8.根据权利要求1所述的具有全向摆动能力的变形头锥，其特征在于：所述内锥形套筒、所述中间锥形套筒和所述外锥形套筒都一端与一个所述锥形环固连、另一端与另一个所述锥形环或所述锥形尖端固连。

9.根据权利要求1所述的具有全向摆动能力的变形头锥，其特征在于：所述第一驱动装置通过第一固定支架与所述机架固连，所述第二驱动装置通过第二固定支架与所述机架固连。

10.根据权利要求1所述的具有全向摆动能力的变形头锥，其特征在于：所述从动锥齿轮的转轴通过轴承与所述套筒转动配合。

技术总结
本发明公开了一种具有全向摆动能力的变形头锥，涉及飞行器技术领域，包括：头锥本体，头锥本体包括沿头锥本体的轴向分布的一个锥形尖端、多个锥形环和多个热防护结构，锥形环与热防护结构交错分布，且述锥形尖端与相邻的锥形环之间设置有一个热防护结构，头锥本体一端为锥形尖端、另一端为一个锥形环，锥形尖端和每个锥形环都与相邻的热防护结构固连；热防护结构包括沿头锥本体的径向由内至外依次分布的内锥形套筒、中间锥形套筒和外锥形套筒；驱动机构，驱动机构用于驱动头锥本体摆动。一方面通过波纹板与蜂窝结构的结合，显著提高了热防护结构的变形适应性和热防护性能；另一方面驱动机构的设计，实现了头锥的全向摆动。

技术研发人员：王晨,何子懿,刘全,沈星,王韬熹,万里亮
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/29