一种用于风洞试验的非对称变形飞行器的变形方法与流程

1.本发明涉及一种用于风洞试验的非对称变形飞行器的变形方法，属于可变形飞行器折叠翼领域。


背景技术：

2.传统固定构型飞行器通常是采用定设计点设计，只能够在一定的飞行剖面中保持高性能的飞行，但是超出设计点后飞行性能急剧下降，甚至可能带来飞行器失控的风险。可变形飞行器则是融合不同构型飞行器气动外形特点，根据飞行环境的变化主动改变气动外形，大幅度提高全任务飞行能力，在不同流态下实现最佳飞行性能。可变形飞行器的发展已经成为未来飞行器性能突破的重要途径，也引起国内外众多学者的关注。
3.一般的可变形飞行器是机翼对称结构，主要来改变作用飞行器气动力的大小。非对称飞行器伸缩翼变形是可变形飞行器的一种特殊模式，它通过机翼非对称变形，不仅可以改变作用于飞行器的气动力大小，还可以改变力的方向，从而产生影响滚转通道的控制力矩，极大的提升了飞行器控制效果。目前关于非对称可变形飞行器的研究不够深入，主要集中在非对称飞行器建模、飞行器非对称变形控制方法以及非对称飞行器气动特性计算机仿真计算三大方向。由于飞行器需要进行大尺度外形变化，一方面，飞行器无法避免地会出现外形面间断、连接缝隙等局部结构，另一方面，流场状态发生相应改变，上述现象的存在导致可变形飞行器气动特性和环境载荷十分复杂。风洞试验作为空气动力学的基础研究方法，能够实现飞行器变形产生的非定常气动特性精确测量，对于非对称飞行器的研究有着非常重要的意义。由于飞行器翼面较大，飞行器的气动特性对于翼面变形量的变化非常敏感，翼面变形尺度直接影响试验测量结果，因此在风洞试验条件下，如何实现翼面的精准控制成为亟待解决的工程问题。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，解决了飞行器的非对称变形问题。
5.本发明目的通过以下技术方案予以实现：
6.一种用于风洞试验的非对称变形飞行器的变形方法，采用非对称变形飞行器；
7.所述非对称变形飞行器结构，包括：飞行器前段、飞行器后段、拔紧螺钉、天平、丝杠轴承、丝杠、电机、左翼滑块、左翼连杆、左翼、右翼连杆、右翼、右翼滑块；
8.飞行器前段和飞行器后段连接后组成飞行器结构的主体；
9.拔紧螺钉与天平连接，拔紧螺钉的螺帽部分与飞行器后段配合，使天平与飞行器后段连接；天平用于进行气动力测量；
10.丝杠，一端与电机输出端配合，另一端与丝杠轴承配合，左翼滑块、右翼滑块安装在丝杠上，丝杠上对应左翼滑块、右翼滑块安装处的螺距不同且螺纹方向相反；
11.左翼连杆，一端与左翼滑块连接，另一端与左翼连接；
12.右翼连杆，一端与右翼滑块连接，另一端与右翼连接；
13.所述变形方法包括：利用电机驱动丝杠转动，使得左翼滑块、右翼滑块在丝杠上相向或反向移动，带动相应的左翼连杆、右翼连杆移动，并进一步带动相应的左翼、右翼同时从成飞行器结构主体的两侧伸出或缩回；
14.丝杠上对应左翼滑块、右翼滑块安装处的螺距不同，使得左翼、右翼伸出或缩回的速度不同，实现非对称变形。
15.优选的，所述非对称变形飞行器还包括压紧垫片、隔热垫片、隔热锥套；
16.压紧垫片安装在拔紧螺钉与飞行器后段之间；隔热垫片安装在压紧垫片和飞行器后段之间；
17.隔热锥套，外锥面与飞行器后段配合，内锥面与天平头部外锥面配合。
18.优选的，所述非对称变形飞行器还包括电机隔热套，电机隔热套的外径面与飞行器后段配合，内径面与电机配合。
19.优选的，所述非对称变形飞行器还包括天平测量系统密封盖、翼面传动系统密封盖；
20.天平测量系统密封盖、翼面传动系统密封盖均安装在飞行器结构主体的尾部；
21.天平测量系统密封盖用于减少热气流对于天平测量的影响；
22.翼面传动系统密封盖用于防止流场杂质影响左翼、右翼的伸出或缩回。
23.优选的，所述非对称变形飞行器还包括电机法兰，安装在飞行器后段与电机之间固定电机。
24.优选的，所述飞行器后段内为空腔，并设有隔板，将空腔分隔为翼面传动系统空腔室和天平测量系统空腔室。
25.优选的，所述拔紧螺钉、天平均位于天平测量系统空腔室内。
26.优选的，所述丝杠轴承、丝杠、电机、左翼滑块、左翼连杆、右翼连杆、右翼滑块均位于翼面传动系统空腔室内。
27.优选的，所述翼面传动系统空腔室内设有滑块轨道，左翼滑块、右翼滑块沿滑块轨道方向滑动。
28.优选的，翼面运动距离的确定方法为：
29.δl＝d
·
sin(α'1+α'2)-d
·
sin(α1+α2)
[0030][0031][0032][0033][0034]
式中，a为翼机身转轴到翼连杆转轴的距离；b为翼机身转轴到滑块连杆转轴z向距离；c为翼机身转轴到滑块连杆转轴x向距离；d为连杆滑块连杆转轴到翼连杆转轴距离；n为
电机转速；t为电机运转时间；h为丝杠螺纹螺距。坐标系采用前上右坐标系，坐标原点位于飞行器头部顶点，x轴指向飞行器前方，y轴位于纵向对称面内垂直于x轴向上，z轴按右手定则确定。
[0035]
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
[0036]
(1)本发明的翼面变形方法，解析翼面运动与丝杠运动的相对关系，构建翼面变形数字化模型，实现翼面运动的精准控制；
[0037]
(2)本发明的双翼面控制方法，以时间作为参考坐标系，在同一时间维度下创建双翼面运动方程，从而能够准确获知双翼面的相对关系，为试验条件下翼面变形尺度提供理论支撑；
[0038]
(3)本发明的翼面传动机构，设计伺服电机作为驱动能量源，将电机的旋转运动转换为翼面的旋转运动。同时机构内部传动部件均设计为刚性结构，一方面保证了传动机构结构强度，另一方面避免运动打滑现象的出现，保证翼面运动精度。
附图说明
[0039]
图1为本发明实施例的外部结构示意图；
[0040]
图2为本发明实施例的内部结构示意图；
[0041]
图3为本发明实施例的飞行器后段示意图；
[0042]
图4为本发明实施例的电机、电机隔热套、丝杠、左翼滑块、右翼滑块、丝杠轴承连接示意图；
[0043]
图5为本发明实施例的左翼滑块结构示意图；
[0044]
图6为本发明实施例的电机法兰结构示意图；
[0045]
图7为本发明实施例的翼面运动的控制参数示意图。
具体实施方式
[0046]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。
[0047]
一种可以实现翼面非对称伸缩的飞行器结构的变形方法，飞行器结构包括：飞行器前段1；飞行器后段2，内部开有空腔，容纳天平测量系统和翼面传动系统；天平测量系统密封盖3，一方面避免翼面传动对测试系统的干扰，另一方面减少外来热、杂质对于测量系统的影响；翼面传动系统密封盖4，避免流场杂质进入系统内，从而降低翼面运动卡塞现象发生几率。内部结构包括：拔紧螺钉5，将天平固定在飞行器后段；压紧垫片6；隔热垫片7；隔热锥套8；天平9，实现飞行器气动系数的测量；丝杠轴承10，实现丝杠的固定；丝杠11，丝杠前后段设计不同螺距，前后段分别与左翼/右翼滑块配合，将旋转运动转换成直线运动；电机法兰12，将电机固定在飞行器后段；电机隔热套13；电机14，提供动力；左翼滑块17；左翼连杆16；左翼15；右翼连杆18；右翼19；右翼滑块20.
[0048]
其中，拔紧螺钉、压紧垫片、隔热垫片、隔热锥套、天平以及天平测量系统密封盖共同构成了天平测量系统，安装过程中，首先隔热锥套外锥面与飞行器后段锥面凹槽配合，内锥面与天平头部外锥面配合，拔紧螺钉一端通过螺纹与天平配合，另一端螺帽部分被飞行器后段限位，拔紧螺钉与飞行器后段之间放置隔热垫片和拔紧垫片。
[0049]
其中，电机、电机隔热套、电机法兰、丝杠、丝杠轴承、左翼滑块、左翼连杆、左翼、右翼连杆、右翼、右翼滑块以及翼面传动系统密封盖共同构成翼面传动系统，安装过程中，电机隔热套外径面与飞行器后段配合，内径面与电机配合，电机法兰盖通过螺钉与电机固定。电机输出端与丝杠通过销子连接，丝杠前段通过螺纹与左翼滑块配合，左翼连杆一端和左翼滑块连接、另一端与左翼连接；丝杠后段通过螺纹与右翼滑块配合，右翼连杆一端和右翼滑块连接、另一端与右翼连接。
[0050]
翼面传动系统中，丝杠同时与左/右翼滑块配合，从而解决了左右翼面非对称运动的同步启停难题。丝杠前后段螺纹螺旋方向相反，从而实现左翼滑块向模型尾部运动，右翼滑块向模型头部运动。同时，对应的螺距不同，前段螺距较大，后段螺距较小，因此右翼运动速度大于左翼，最终实现了飞行器的非对称变形。
[0051]
实际运行过程中，需要实现翼面运动的精准控制，对应的翼面运动距离公式如下：
[0052]
δl＝d
·
sin(α'1+α'2)-d
·
sin(α1+α2)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0053][0054][0055][0056][0057]
式中，a为翼机身转轴到翼连杆转轴的距离；b为翼机身转轴到滑块连杆转轴z向距离；c为翼机身转轴到滑块连杆转轴x向距离；d为连杆滑块连杆转轴到翼连杆转轴距离；n为电机转速；t为电机运转时间；h为丝杠螺纹螺距。坐标系采用前上右坐标系，坐标原点位于飞行器头部顶点，x轴指向飞行器前方，y轴位于纵向对称面内垂直于x轴向上，z轴按右手定则确定，如图7所示。
[0058]
翼面运动过程：
[0059]
电机隔热套整体套在电机上，电机法兰盖通过螺钉与电机电机连接，同时通过螺钉固定在飞行器后段，从而实现电机与飞行器的连接。电机输出端与丝杠通过销子连接，丝杠前段通过螺纹与左翼滑块配合，左翼连杆一端和左翼滑块连接、另一端与左翼连接；丝杠后段通过螺纹与右翼滑块配合，右翼连杆一端和右翼滑块连接、另一端与右翼连接。左翼、右翼上端通过销轴连接在飞行器后段，翼可以绕飞行器自由旋转。以左翼面为例，说明翼面运动情况：电机运转，驱动丝杠旋转，由于螺纹的存在，将丝杠旋转运动转换成为左翼滑块的直线运动，左翼滑块沿丝杠轴向方向向弹头运动，从而带动左翼连杆运动。由于左翼通过转轴连接在飞行器后段，因此左翼只能进行旋转运动。左翼连杆是刚体，所以连杆将翼面顶出去，由于转轴的限位，所以左翼向外旋转，从而最终实现翼面的伸出(旋转运动)。
[0060]
如图1、图2所示，根据本发明的实施例，用于风洞试验的非对称变形飞行器结构包括：飞行器前段1、飞行器后段2、天平测量系统密封盖3、翼面传动系统密封盖4、拔紧螺钉5、压紧垫片6、隔热垫片7、隔热锥套8、天平9、丝杠轴承10、丝杠11、电机法兰12、电机隔热套
13、电机14、左翼滑块17、左翼连杆16、左翼15、右翼连杆19、右翼18、右翼滑块20.
[0061]
飞行器前段1，非对称飞行器模型主体结构之一，与飞行器后段2通过销钉连接。
[0062]
飞行器后段2如图3所示，非对称飞行器模型主体结构之一，内部容纳天平测量系统和翼面传动系统，为了避免两个系统之间相互干扰，内部设计有隔板2-4。在翼面传动系统空腔室中，设计有滑块轨道2-1，使得左翼滑块16、右翼滑块19按指定方向运动，同时设计有丝杠轴承凹槽2-3，便于丝杠轴承的固定；在天平测量系统空腔室中，设计了锥面凹糟2-2，便于测量天平的连接和固定。
[0063]
天平测量系统密封盖3，隔开天平测量系统和外界环境，减少热气流对于风洞测量系统的干扰，密封盖上开有圆孔，便于支杆伸出。
[0064]
翼面传动系统密封盖4，防止流场杂质进入翼面传动系统内，从而降低翼面运动卡塞现象发生几率。密封盖上开有圆孔，便于电机线引出。
[0065]
拔紧螺钉5，螺钉螺纹部分与天平9配合，螺钉螺帽部分与飞行器后段2配合，从而实现天平9与飞行器后段2的连接。
[0066]
压紧垫片6，安装在拔紧螺钉5与飞行器后段2之间，增大拔紧螺钉5与飞行器后段2的接触面积。
[0067]
隔热垫片7，安装在压紧垫片6和飞行器后段2之间，减少模型之间的热传递，降低温度效应对天平的影响。
[0068]
隔热锥套8，外锥面与飞行器后段2锥面凹槽配合，内锥面与天平9头部外锥面配合，主要作用是减少模型对于天平的热传递，降低温度效应对天平的影响。
[0069]
天平9，承担飞行器气动系数的测量功能。
[0070]
丝杠轴承10，实现丝杠11的固定，由于丝杠承受不对称剪切力，会产生横向扭矩，设计丝杠轴承可以防止横向扭矩传递到电机，从而避免电机被破坏。
[0071]
丝杠11一端与电机14输出端柱段配合，另一端与丝杠轴承10柱段配合。丝杠前半段与左翼滑块17通过螺纹连接，后半段与右翼滑块20螺纹连接。丝杠旋转，螺纹将旋转运动转换为直线运动，同时丝杠根据需要设计不同螺距、不同旋向螺纹，从而实现左/右翼滑块运动方向、运动速率、运动范围的变换，并最终实现翼面的非对称运动。
[0072]
电机法兰12如图6所示，实现电机14的固定，安装在飞行器后段2与电机14之间，由于电机正置于飞行器后段翼面传动系统空腔室，电机连接法兰埋头孔和与后段连接法兰埋头孔方向相反。
[0073]
电机隔热套13，外径面与飞行器后段2配合，内径面与电机配合，主要作用是减少模型对于电机的热传递，降低电机失效的风险。
[0074]
电机14，翼面传动系统驱动元件；电机、电机隔热套、丝杠、左翼滑块、右翼滑块、丝杠轴承连接如图4所示。
[0075]
左翼滑块17如图5所示，与丝杠11前段配合，通过丝杠传动，将电机旋转副转换成移动副。滑块下端与飞行器后段2配合，通过凹槽限位，保证了只有一个方向自由度。滑块开有转轴孔，通过销轴与左翼连杆16连接。
[0076]
左翼连杆16，一端通过销轴与左翼滑块17连接，另一端通过销轴与左翼15连接。
[0077]
左翼17，飞行器非对称变形的变形构件。
[0078]
右翼连杆19，一端通过销轴与右翼滑块20连接，另一端通过销轴与右翼18连接。
[0079]
右翼19，飞行器非对称变形的变形构件。
[0080]
右翼滑块20，与丝杠11后段配合，运动方向与左翼滑块15相反。
[0081]
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
[0082]
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。