折疊式飛行器機(jī)翼展開(kāi)裝置的技術(shù)研究

摘 要：折疊式飛行器機(jī)翼在空中展開(kāi)過(guò)程中，機(jī)翼展開(kāi)裝置工況多變，機(jī)翼受力情況復(fù)雜， 因此對(duì)展開(kāi)裝置提出了較高的技術(shù)要求。本文結(jié)合工程實(shí)踐，對(duì)機(jī)翼展開(kāi)過(guò)程、機(jī)翼展開(kāi)過(guò)程中 的受力分析等問(wèn)題進(jìn)行討論，并總結(jié)了展開(kāi)裝置的主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)及關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)難點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：機(jī)翼展開(kāi)裝置；翼展過(guò)程；設(shè)計(jì)特點(diǎn)

中圖分類號(hào)：V224+.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1673-5048（2014）06-0028-04

ResearchofUnfoldingDeviceofFoldingWingAircraft

XUYunfei，ZHANGZhijian，YANYongfu，F(xiàn)EIXiaowei

（ChengduAircraftIndustrial（Group）Co.Ltd，Chengdu610092，China）

Abstract：Whenthewingsoffoldingwingaircraftunfoldingintheair，thestatusoftheunfolding devicearechangeableandtheforcesonthewingarecomplicated，thesefortheunfoldingdeviceputfore wordahighertechnicalrequirement.Inthispaper，theexpansionprocessandtheforcesonthewings duringtheexpansionprocessareanalyzedintegratingwiththeengineeringpractice.Theprincipledesign featureofunfoldingdevicealongwiththeaporiaofthedesignofcriticalcomponentisthensummarized.

Keywords：wingunfoldingdevice；expandingprocess；designcharacter

0 引 言

折疊式飛行器由于其折疊后體積小，便于地 面筒（箱）式發(fā)射、空中載機(jī)攜帶投放等特點(diǎn)，展 開(kāi)后又具備飛行器的飛行功能，其應(yīng)用領(lǐng)域在不 斷擴(kuò)大。折疊式飛行器一項(xiàng)最關(guān)鍵的技術(shù)就是對(duì) 機(jī)翼展開(kāi)裝置的設(shè)計(jì)。

在進(jìn)行折疊式機(jī)翼展開(kāi)裝置設(shè)計(jì)時(shí)，由于其 工況多變，需要對(duì)其空中展開(kāi)過(guò)程及翼展機(jī)構(gòu)進(jìn) 行研究，掌握飛行器機(jī)翼在空中投放后自由落體 狀態(tài)的受力機(jī)理和分析方法。本文結(jié)合工程實(shí)踐， 提出折疊式飛行器機(jī)翼展開(kāi)裝置在工程化設(shè)計(jì)與 分析時(shí)需要考慮的主要因素，并對(duì)其影響機(jī)理進(jìn) 行初步分析。

1 機(jī)翼的展開(kāi)

1.1 空中展開(kāi)的類型

折疊式飛行器機(jī)翼空中展開(kāi)通常有兩種類型， 即穩(wěn)態(tài)翼展和動(dòng)態(tài)翼展。

（1）穩(wěn)態(tài)翼展。穩(wěn)態(tài)翼展包括載機(jī)在穩(wěn)定飛 行狀態(tài)下的空投、地（海）面發(fā)射裝置的高壓氣體/ 火箭彈射等，其特點(diǎn)是折疊飛行器在投放前或投 放中，由載機(jī)或地面投放裝置建立速度及穩(wěn)定姿 態(tài)，同時(shí)在折疊式飛行器姿態(tài)未受到擾動(dòng)時(shí)迅速 展開(kāi)機(jī)翼并建立飛行及控制。較為常見(jiàn)的使用包 括滑翔彈（美制AGM-154JSOW）、部份折疊式無(wú) 人機(jī)（俄制P-90）等，如圖1所示[1]。

穩(wěn)態(tài)翼展的優(yōu)點(diǎn)是翼展過(guò)程工況簡(jiǎn)單，較為 常規(guī)的氣動(dòng)仿真及運(yùn)動(dòng)方程即可解決其相關(guān)工程 應(yīng)用問(wèn)題，并可通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)加以驗(yàn)證。但要求飛 行器自身具有較高的蒙皮剛度，能夠直接承受折 疊狀態(tài)飛行時(shí)的大動(dòng)壓。

（2）動(dòng)態(tài)翼展。動(dòng)態(tài)翼展是指折疊式飛行器 在展開(kāi)前處于自由落體狀態(tài)，伴隨有隨機(jī)姿態(tài)變 化，通過(guò)機(jī)翼展開(kāi)，建立飛行狀態(tài)的氣動(dòng)外形，利 用其自身氣動(dòng)特性，或結(jié)合主動(dòng)控制，強(qiáng)迫飛行器 穩(wěn)定姿態(tài)并建立飛行及控制的方式。

動(dòng)態(tài)翼展的特點(diǎn)與穩(wěn)態(tài)翼展相反，在翼展前 及翼展過(guò)程中，機(jī)體初始姿態(tài)不確定，姿態(tài)變化趨 勢(shì)不確定，對(duì)展開(kāi)裝置設(shè)計(jì)非常不利。但因其可通 過(guò)吊艙等實(shí)現(xiàn)間接投放，折疊式飛行器自身不需 要承受載機(jī)飛行速度的動(dòng)壓或發(fā)射中產(chǎn)生的加大 過(guò)載，有利于降低飛行器重量。

通過(guò)對(duì)比上述兩種翼展類型可知，二者具有 優(yōu)劣互補(bǔ)的特點(diǎn)，各自有其自身適應(yīng)的使用方向。 在具體應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)具體需求等進(jìn)行合理選擇。 下文著重分析動(dòng)態(tài)翼展方式。

1.2 翼展方式

根據(jù)儲(chǔ)能部件及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的不同，主要有兩 種翼展方式，如圖2所示。

（1）機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)展開(kāi)。通常采用連桿機(jī)構(gòu)或其 他運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，輸出扭矩驅(qū)動(dòng)機(jī)翼翼根處的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn) 動(dòng)，帶動(dòng)機(jī)翼展開(kāi)。常見(jiàn)的儲(chǔ)能部件包括彈簧和火 工品等。

（2）燃?xì)怛?qū)動(dòng)展開(kāi)。在翼梢附近安裝燃?xì)獍l(fā) 生裝置，利用其燃?xì)夥礇_的作用力驅(qū)動(dòng)機(jī)翼展開(kāi)。

2 動(dòng)態(tài)翼展受力分析

機(jī)翼展開(kāi)過(guò)程的運(yùn)動(dòng)本質(zhì)是機(jī)翼繞其轉(zhuǎn)軸在 一定角度內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)。在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，需要考慮的影 響因素[2-4]包括：

（1）機(jī)翼氣動(dòng)力在轉(zhuǎn)動(dòng)平面內(nèi)的分量；

（2）飛行器自由落體過(guò)程中機(jī)翼轉(zhuǎn)動(dòng)受到的 科氏力；

（3）機(jī)翼受自身轉(zhuǎn)動(dòng)慣量產(chǎn)生的慣性力； （4）機(jī)翼轉(zhuǎn)軸與機(jī)身支撐結(jié)構(gòu)間的摩擦力； （5）機(jī)翼氣動(dòng)載荷對(duì)機(jī)翼轉(zhuǎn)軸的彎矩及機(jī)翼 轉(zhuǎn)軸形變產(chǎn)生的卡滯。

翼展過(guò)程本質(zhì)要求翼展裝置輸出的展開(kāi)力矩 Md大于上述影響因素對(duì)機(jī)翼的合作用力矩，即阻滯 力矩Mb，在剩余力矩Md-Mb的作用下，機(jī)翼產(chǎn)生 角加速度并實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)展開(kāi)。在上述5個(gè)因素中，以 氣動(dòng)力分量和摩擦力對(duì)阻滯力矩Mb影響最大。

2.1 氣動(dòng)力對(duì)展開(kāi)的影響

氣動(dòng)力與飛行器在機(jī)翼展開(kāi)前及機(jī)翼展開(kāi)過(guò) 程中的狀態(tài)和姿態(tài)關(guān)系緊密，具體包括飛行器在 機(jī)翼展開(kāi)過(guò)程中機(jī)體的落體速度、展開(kāi)過(guò)程中的 機(jī)體迎角、側(cè)滑角等。

落體速度直接影響到氣動(dòng)力的數(shù)值大小，但 同時(shí)因?yàn)闄C(jī)翼開(kāi)始展開(kāi)的時(shí)間可控，因此落體速 度對(duì)機(jī)翼展開(kāi)的影響是可預(yù)計(jì)并可控的。

機(jī)體迎角不僅影響氣動(dòng)力的數(shù)值大小，同時(shí) 影響氣動(dòng)力的方向。特別需要注意的是，考慮到飛 行器在投放后，姿態(tài)運(yùn)動(dòng)隨機(jī)，因此該因素對(duì)機(jī)翼 展開(kāi)的影響無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)計(jì)并控制。所以，只能較為 粗略地對(duì)其進(jìn)行初步分析，并在分析結(jié)果的基礎(chǔ) 上，通過(guò)對(duì)機(jī)翼展開(kāi)裝置的合理設(shè)計(jì)來(lái)兼顧氣動(dòng) 力反向?qū)φ归_(kāi)的影響。

在機(jī)翼展開(kāi)的過(guò)程中，機(jī)翼展開(kāi)不同的角度 對(duì)姿態(tài)的變化會(huì)有進(jìn)一步的影響。包括在展開(kāi)過(guò) 程中，有可能會(huì)出現(xiàn)短時(shí)氣動(dòng)壓心靠前的氣動(dòng)構(gòu) 型，此時(shí)會(huì)對(duì)機(jī)體產(chǎn)生抬頭力矩，進(jìn)一步造成機(jī)翼 的俯仰運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，機(jī)翼轉(zhuǎn)動(dòng)中任一姿態(tài)受到的氣 動(dòng)力，有可能會(huì)阻礙機(jī)翼轉(zhuǎn)動(dòng)或有利于機(jī)翼轉(zhuǎn)動(dòng)。 如圖3所示。

如果Cysinα>Cxcosα，即K>cotα。則機(jī)翼在 展開(kāi)過(guò)程中所受到的氣動(dòng)力（升力和阻力）在弦平 面上的分量將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)前向的合力。若機(jī)翼由 前向后展開(kāi)，則該合力對(duì)機(jī)翼的展開(kāi)產(chǎn)生不利影 響。風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)了模型在大于某個(gè)迎角 時(shí)，機(jī)翼受到向前的載荷。但同時(shí)，若機(jī)體迎角小 于該臨界迎角，則氣動(dòng)力將有利于機(jī)翼展開(kāi)。即在 機(jī)翼展開(kāi)過(guò)程中，受到機(jī)體姿態(tài)變化的影響，氣動(dòng) 力對(duì)機(jī)翼展開(kāi)過(guò)程的影響會(huì)有反號(hào)現(xiàn)象。這對(duì)機(jī) 翼展開(kāi)裝置的設(shè)計(jì)非常不利[6]。

此外，當(dāng)飛行器迎角大于90°后，氣流改由機(jī) 翼后緣向機(jī)翼前緣流動(dòng)，與正常飛行時(shí)完全相反 （如圖4所示）。對(duì)氣動(dòng)力的計(jì)算分析以及機(jī)翼展 開(kāi)裝置的設(shè)計(jì)同樣造成不利影響，但該狀態(tài)下的 計(jì)算方法等，本文不再贅述。

2.2 摩擦力對(duì)展開(kāi)的影響

機(jī)翼在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，展開(kāi)裝置自身、機(jī)翼轉(zhuǎn)軸 與機(jī)身之間等均會(huì)不同程度地受到摩擦力的影響。 對(duì)摩擦力的大小是可以進(jìn)行估算及控制的。在產(chǎn) 生摩擦力的不同因素中，機(jī)翼轉(zhuǎn)軸因?yàn)橐磔d彎矩 造成的彎曲變形產(chǎn)生的摩擦力較為特殊且需要引 起重視。該摩擦力可通過(guò)對(duì)機(jī)翼轉(zhuǎn)軸的合力受力 形式以及增剛等進(jìn)行有效控制。

3 展開(kāi)裝置的設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

展開(kāi)裝置應(yīng)具有如下特點(diǎn)：

（1）能量密度高，能量釋放持續(xù)穩(wěn)定。機(jī)構(gòu)驅(qū) 動(dòng)展開(kāi)方式的裝置往往受空間限制，通常都處于機(jī) 翼轉(zhuǎn)軸附近，力臂??；而機(jī)翼在展開(kāi)過(guò)程中受到的 阻滯力主要隨飛機(jī)的速度和迎角不同而不同，但阻 滯力臂比展開(kāi)裝置的力臂通常大了不止一個(gè)數(shù)量 級(jí)，這就要求展開(kāi)裝置能夠具有較高儲(chǔ)能密度，以 滿足展開(kāi)力矩的要求，及折疊式飛行器對(duì)展開(kāi)裝置 輕量化、小尺寸的要求。同時(shí)裝置應(yīng)能持續(xù)穩(wěn)定的 輸出能量，控制機(jī)翼展開(kāi)過(guò)程中受到的慣性力等。

（2）自身能夠耗散展開(kāi)到位停止時(shí)的剩余能 量。無(wú)論哪種翼展類型，其翼展過(guò)程中受到的氣動(dòng) 力都會(huì)因姿態(tài)變化而改變，進(jìn)而影響到翼展過(guò)程。 因氣動(dòng)力可能因姿態(tài)不同而作用方向相反，在不 同架次會(huì)分別隨機(jī)出現(xiàn)有利和不利兩種情況。因 此展開(kāi)裝置不僅需要能夠在最惡劣工況下實(shí)現(xiàn)機(jī) 翼展開(kāi)的功能，還必須能夠承受在有利于機(jī)翼展 開(kāi)的工況下機(jī)翼展開(kāi)到位后的沖擊并耗散其沖擊 能量，以保護(hù)機(jī)翼結(jié)構(gòu)的完整性。

3.2 儲(chǔ)能部件分析

以機(jī)翼分別向前、向后兩種不同展開(kāi)方向?yàn)?例，建立算例分析可知，同樣機(jī)翼在不同展開(kāi)方向 及不同迎角時(shí)，所受氣動(dòng)力產(chǎn)生的阻滯力矩（如圖 5～6）特點(diǎn)相似，即阻滯力矩隨機(jī)翼展開(kāi)角度的增 大而增大（向后展開(kāi)的機(jī)翼在展開(kāi)一定角度后，阻 滯力矩有所減?。?。

翼展裝置的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于針對(duì)選定翼展方式 后的儲(chǔ)能部件設(shè)計(jì)。據(jù)前文所述，儲(chǔ)能部件應(yīng)能夠 持續(xù)穩(wěn)定地輸出動(dòng)力，使翼展裝置展開(kāi)力矩Md在 任意時(shí)刻均大于阻滯力矩Mb。由圖7可知，在算 例中，以彈簧為儲(chǔ)能部件的方案難以實(shí)現(xiàn)在展開(kāi) 轉(zhuǎn)動(dòng)全過(guò)程中Md-Mb>0的要求，若提高其在 35°～90°之間的展開(kāi)力矩，則要求初始能量較大， 對(duì)展開(kāi)結(jié)束時(shí)的減速緩沖設(shè)計(jì)不利，且彈簧容易 出現(xiàn)應(yīng)力松弛[7]等問(wèn)題。若采用火工品作為儲(chǔ)能 部件，其展開(kāi)力矩Md與阻滯力矩Mb有較好的跟 隨性，且能夠滿足Md-Mb>0的要求。

由上可知，彈簧儲(chǔ)能線性輸出、輸出前大后小 的特點(diǎn)與機(jī)翼展開(kāi)過(guò)程中氣動(dòng)力阻滯力矩前小后 大的特點(diǎn)不符，并不適合于作為翼展裝置的儲(chǔ)能 部件。但因其操作方便且成本低，在阻滯力矩Mb較小時(shí)，可以考慮選用彈簧儲(chǔ)能。但當(dāng)翼展裝置的 阻滯力矩Mb較大以及受到空間限制時(shí)，應(yīng)考慮采 用火工品等能量密度更大的儲(chǔ)能部件。

4 結(jié) 論

通過(guò)研究及試驗(yàn)驗(yàn)證，折疊式飛行器機(jī)翼展 開(kāi)裝置的設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期效果。驗(yàn)證了機(jī)翼展開(kāi) 過(guò)程機(jī)理分析的正確性和機(jī)翼展開(kāi)裝置設(shè)計(jì)特點(diǎn) 的正確性。

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