可变形机翼装置以及应用其的飞机

摘要

本发明提供了一种可变形机翼装置，其包括：机身中央平台；并联驱动机构，其包括定平台、动平台、以及连接定平台和动平台的三个驱动分支；定平台固定于机身中央平台；三个驱动分支共面且两两不平行；每个驱动分支均包括共线的两根连杆，两根连杆的一端分别通过转动副与定平台以及动平台连接，两根连杆的另一端通过移动副相互连接；传动连接机构，其包括直线导轨、以及可在直线导轨上滑动的左右两个滑块；直线导轨固定连接于动平台；左右两个机翼机构，每一机翼机构均包括万向节、L形传动梁、球副、主梁、支撑柱；L形传动梁的短臂端部连接万向节，万向节固定在其对应侧的滑块上；L形传动梁的长臂端部以及主梁的一端均固定连接球副，且主梁与L形传动梁的长臂共线；球副活动连接于支撑柱的顶部，支撑柱的底部固定于机身中央平台上。

说明书

技术领域

本发明涉及一种可变形机翼装置，以及应用该可变形机翼装置的飞机。

背景技术

现代飞机的发明源于人们对鸟飞行的认识，然而同样用于产生升力的 飞机机翼却无法像鸟的翅膀那样自由地伸展和舞动，所以也就不能像鸟一 样忽而振翅而飞，忽而盘旋消失在蓝天白云里。以航空大国为首的美国从 20世纪90年代开始研究变体机翼，根据需求调整飞机的机翼形状，机翼的 掠角、反角和倾角等能根据飞行环境和任务实时调整使飞机达到最佳性能。 如F-111隐身战斗机，这些机翼均为刚性结构，采用大型枢轴装置与机身 连接，所谓的调整机翼形状是将机翼某一固定部分移动一定角度，即相对 于机翼其他部分来说移动了一定位置，但由于移动范围下，需要增加机械 结构，影响飞机载重，因此在后来的升级版F-114没再出现类似结构；新 一代航空技术公司研制的MFX 1样机后掠角实现了从15°改变到了35°的 连续变化，目前还处于样机阶段；洛克希德·马丁公司的变形机翼概念是 在不同飞行需求下变化机翼形状，机翼可以折叠改变扭转角和翼面面积， 因为折叠的机械实现难度大，设计一直处于概念阶段；同样美国专利 5645250采用滑轨式结构和滚珠丝杆驱动实现了机翼的两倍的伸缩比。另 外，加拿大庞巴迪公司也在变体机翼上做了研究工作，2011年加拿大瑞尔 森航空学院习峰峰教授团队与庞巴迪大飞机公司设计了一种可变形机翼， 采用8杆并联机构将机翼固定在并联机构动平台上，机构定平台固定在机 身中，实现机翼掠角、反角、倾角的变化和机翼翼长的伸缩，但是整个机 翼通过并联杆结构承载和驱动，在工作范围内刚度很差，不适合实际应用。 国内的研究团队主要有南京航空航天大学的王邦峰教授对经典的3-RPS机 构改进用于连接机身和机翼，使机翼产生扭转、偏转和伸缩；北京理工大 学也设计了类似洛克希德·马丁公司的变体机翼。此外，随着潜艇和无人 机的发展，军事大国之间开展研究一种新的无人机技术——无人机装入潜 艇的发射箱中直接发送到空中执行任务，因此无人机在发射过程中是不能 有外置机翼，而在升空后需要展翼巡航，机翼需要很大的调整范围，现有 的设计方式无法满足要求。

综合上述可知，现有变体机翼技术的主要缺点是承载刚度低，变化幅 度小、重量大、自适应差等。

发明内容

针对现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种可变形机翼装置， 可实现机翼掠角、反角、倾角的连续变化调节，可实现机翼收藏于机身， 能有效提高飞机机动性能，安全性能。

为了实现上述目的，一方面，本发明提供了一种用于飞机的可变形 机翼装置，飞机包括机头和机尾，其中，可变形机翼装置包括：

机身中央平台，其位于飞机之内；

并联驱动机构，其为3RPR并联驱动机构，其包括定平台、动平台、以 及连接定平台和动平台的三个驱动分支；定平台固定于机身中央平台；三 个驱动分支共面且两两不平行；每个驱动分支均包括共线的两根连杆，两 根连杆的一端分别通过转动副与定平台以及动平台连接，两根连杆的另一 端通过移动副(例如液压机构)连接；

传动连接机构，其包括直线导轨、以及可在直线导轨上滑动的左右两 个滑块；直线导轨固定连接于并联驱动机构的动平台；

左右两个机翼机构，每一机翼机构均包括万向节、L形传动梁、球 副、主梁、支撑柱；L形传动梁的短臂端部连接万向节，万向节固定在其 对应侧(左侧或右侧)的滑块上；L形传动梁的长臂端部以及主梁的一端均 固定连接球副，且主梁与L形传动梁的长臂共线；球副活动连接于支撑柱 的顶部，支撑柱的底部固定于机身中央平台上。

本发明中，3RPR并联驱动机构的意思是，该并联驱动机构具有三个驱 动分支，其中动平台具有两平移和一转动三个自由度。平移方向位于垂直 于机身中央平台且沿机头和机尾中心连线的平面内，转动方向垂直于3RPR 并联驱动机构所构成的平面。

本发明中，每个驱动分支均包括共线的两根连杆，两根连杆的一端分 别通过转动副与定平台以及动平台连接，两根连杆的另一端通过移动副 (例如液压机构、气压机构、直线电机等)连接；值得注意的是，整个装 置中，只有三个驱动分支中的三个移动副为主动件，也就是说，三个驱动 分支可以做主动性的伸缩运动；其余的连接副，例如导轨上的左右两个滑 块、与滑块固定连接的万向节、位于L形传动梁和主梁之间的球副，均为 被动件。

本发明中，从上到下，三个驱动分支分别为第一驱动分支、第二驱动 分支、第三驱动分支。第一驱动分支、第二驱动分支、第三驱动分支两两 不平行。

本发明中，三个驱动分支可实现轴线方向伸缩。在三个驱动分支做不 同性质(伸或缩)、不同程度的伸缩运动的情况下，动平台可以相对于定 平台前后平移、上下平移，并且在三个驱动分支所构成的平面内相对于定 平台转动。

具体而言，例如初始状态下，动平台平面与定平台平面平行。当三个 驱动分支按照一定的速度比例同步伸长或收缩，可实现动平台相对于定平 台前后平移。

当第二驱动分支保持长度不变，第一驱动分支收缩，第三驱动分支伸 长，可实现动平台相对于定平台正向转动(例如顺时针)；当第二驱动分 支保持长度不变，第三驱动分支收缩，第一驱动分支伸长，可实现动平台 相对于定平台反向转动(例如逆时针)。

当第一驱动分支收缩，第二驱动分支伸长，第三驱动分支伸长，可实 现动平台向上平移；当第三驱动分支收缩，第二驱动分支伸长，第一驱动 分支伸长，可实现动平台向下平移；当然，各驱动分支收缩和伸长要按照 一定的比例进行。

本发明中，万向节(U副)有两个转动自由度，例如，其一个转动轴平 行于动平台所构成的平面，另一个转动轴垂直于动平台所构成的平面。

本发明中，左传动梁和右传动梁分别将3RPR并联驱动机构的末端运动 经过直线导轨传递给左机翼和右机翼。从而使机翼实现三转动运动，转动 中心分别为左球副和右球副，且绕机身中央平台平面的转动角范围为 10-80度，如图1所示，机翼实现反角α、倾角β、掠角γ变化，从而实现 机翼变形。具体而言，带动机翼主梁展开收拢(掠角γ变化)、机翼前缘 下压上抬(倾角β变化)、主梁的末端下压上抬(反角α变化)。

根据本发明另一具体实施方式，并联驱动机构安装在机身中央平台的 正中间，且三个驱动分支所在的平面与机身中央平台的上表面保持垂直， 三个驱动分支的方向为机头和机尾的中心连线方向。

根据本发明另一具体实施方式，每一所述机翼机构进一步包括翼肋和 机翼蒙皮。

根据本发明另一具体实施方式，直线导轨与机身中央平台的上表面平 行，且与所述三个驱动分支所在的平面垂直。

另一方面，本发明提供了具有上述可变形机翼装置的飞机。

本发明的有益效果是：

在本发明中采用了空间闭环机构和并联驱动机构，实现机翼掠角、反 角、倾角的连续变化调节，从而改善机翼的压力分布，实时调整机翼翼面 面积、升阻比和展弦比等气动外形，使飞机在执行不同任务或在不同飞行 线时飞机性能都保持在最佳状态，大大提高了飞机机动性能，扩展了巡航 范围；另外，本发明的可变形机翼装置能实现机翼收藏，可用于潜射式无 人机，提升无人机的隐蔽性和执行多种形式的作战任务；本发明采用空间 闭环机构，具有刚度大、精度高、工作空间大，操作性强等优点，设计简 单，安装方便，容易维护，有效提高飞机操纵安全性能。

附图说明

图1为本发明机翼反角α、倾角β、掠角γ的变化示意图；

图2为实施例1的飞机结构示意图；

图3为实施例1中，可变形机翼装置的结构示意图。

具体实施方式

实施例1

如图2所示，本实施例的飞机包括：机头1、机尾9、可变形机翼装 置。

如图3所示，可变形机翼装置包括：机身中央平台2、并联驱动机构 3、传动连接机构4、左机翼机构5、右机翼机构6。机身中央平台2位于飞 机之内。

并联驱动机构3安装在机身中央平台2的正中间，且三个驱动分支所 在的平面与机身中央平台2的上表面保持垂直，三个驱动分支的方向为机 头1和机尾9的中心连线方向。并联驱动机构3为3RPR并联驱动机构，其 包括定平台31、动平台32、以及连接定平台31和动平台32的三个驱动分 支(从上到下，三个驱动分支分别为第一驱动分支33、第二驱动分支34、 第三驱动分支35)。第一驱动分支33、第二驱动分支34、第三驱动分支 35共面且两两不平行。定平台31固定于机身中央平台2上；每个驱动分支 均包括共线的两根连杆301、302，两根连杆301、302的一端分别通过转动 副303、304与定平台31以及动平台32连接，两根连杆301、302的另一 端通过移动副(例如液压机构，图中未示)连接。

传动连接机构4包括直线导轨41、以及可在直线导轨上滑动的左滑块 42、右滑块43；直线导轨41固定连接于动平台32；直线导轨41与机身中 央平台2的上表面平行，且与三个驱动分支所在的平面垂直。

左机翼机构5包括万向节501、L形传动梁502、球副503、主梁504 (显示局部)、支撑柱505、翼肋506、机翼蒙皮507；L形传动梁502的 短臂端部连接万向节501，万向节501固定在左滑块42上；L形传动梁502 的长臂端部以及主梁504的一端均固定连接球副503，且主梁504与L形传 动梁502的长臂共线；球副503活动连接于支撑柱505的顶部，支撑柱505 的底部固定于机身中央平台2上。

右机翼机构6包括万向节601、L形传动梁602、球副603、主梁604 (显示局部)、支撑柱605、翼肋606、机翼蒙皮607；L形传动梁602的 短臂端部连接万向节601，万向节601固定在右滑块43上；L形传动梁602 的长臂端部以及主梁604的一端均固定连接球副603，且主梁604与L形传 动梁602的长臂共线；球副603活动连接于支撑柱605的顶部，支撑柱605 的底部固定于机身中央平台2上。

虽然本发明以较佳实施例揭露如上，但并非用以限定本发明实施的范 围。任何本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的发明范围内，当可作 些许的改进，即凡是依照本发明所做的同等改进，应为本发明的范围所涵 盖。