探究SMA絲束驅(qū)動器在變體飛行器中的應(yīng)用

苗家瑞

摘要：改變機(jī)翼厚度可以提高飛行器在不同飛行條件下的升力系數(shù)，并降低一定阻力。本文提出了一種新型SMA絲束驅(qū)動器，該驅(qū)動器利用聚四氟乙烯管和橡膠管將多根SMA絲組成束狀驅(qū)動器，可以輸出較大的驅(qū)動力和驅(qū)動位移，利用傳動機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)機(jī)翼的厚度調(diào)節(jié)。同時，本文對變厚度機(jī)翼進(jìn)行了受力分析，提出了SMA絲直徑的計算方法，為機(jī)構(gòu)設(shè)計提供了理論參考。

關(guān)鍵詞：形狀記憶合金;變厚度機(jī)翼;SMA絲束驅(qū)動器

1 ?緒論

變體飛行器是一種可以改變飛行氣動外形，以適應(yīng)不同飛行環(huán)境的高機(jī)動航空飛行器。變體飛行器通常通過調(diào)節(jié)機(jī)翼翼型來實(shí)現(xiàn)氣動外形的改變。機(jī)翼厚度作為機(jī)翼的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)，其影響著飛行器的升力系數(shù)和超聲速阻力[1]。變體飛行器的變厚度調(diào)節(jié)是針對翼型的厚度進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過機(jī)翼上表面的蒙皮變形，改變機(jī)翼的厚度，從而改變機(jī)翼的氣動特性。目前，變體機(jī)翼驅(qū)動系統(tǒng)大多采用液壓驅(qū)動或電機(jī)驅(qū)動，雖然這些驅(qū)動方式可以產(chǎn)生較大的驅(qū)動力，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積和重量較大，不利于飛行器提高機(jī)動性[2]。形狀記憶合金（Shape memory alloy，SMA）作為一種集傳感與驅(qū)動為一體的新型智能材料，具有功重比高、對溫度敏感、驅(qū)動電壓低、驅(qū)動結(jié)構(gòu)簡單、驅(qū)動過程平滑無擾動等優(yōu)點(diǎn)，因此，近年來將SMA材料應(yīng)用于變體機(jī)翼驅(qū)動器中已成為新的研究熱點(diǎn)[3]。

形狀記憶合金利用形狀記憶效應(yīng)來產(chǎn)生驅(qū)動力和驅(qū)動位移[4]。SMA材料隨著溫度變化發(fā)生馬氏體相變，在其相變溫度下對SMA材料進(jìn)行預(yù)先拉伸或者彎曲變形，當(dāng)溫度升高至相變溫度以上時，SMA材料可以完全恢復(fù)到初始狀態(tài)[3]。SMA絲結(jié)構(gòu)簡單，可通過焦耳效應(yīng)引發(fā)形狀記憶效應(yīng)，輸出較大的驅(qū)動力和驅(qū)動位移，是目前應(yīng)用最廣泛的SMA材料。

本文針對變體飛行器的變厚度調(diào)節(jié)，設(shè)計了新型SMA絲束驅(qū)動器，并在機(jī)翼內(nèi)部的狹小空間內(nèi)，利用傳動機(jī)構(gòu)改變驅(qū)動力和驅(qū)動位移的方向，滿足了變厚度調(diào)節(jié)需要的較大的驅(qū)動力和驅(qū)動位移。

2 ?SMA絲束驅(qū)動器

考慮到驅(qū)動蒙皮發(fā)生變形的力較大，而一根SMA絲產(chǎn)生的回復(fù)力無法滿足驅(qū)動需求，本文提出一種SMA絲束結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由多根SMA絲、絕緣套管和橡膠管組成。每根SMA絲外側(cè)套有聚四氟乙烯管，聚四氟乙烯管具有較好的絕緣性和潤滑性，保證了SMA絲之間相互絕緣，并能夠在絕緣套管內(nèi)收縮。多根套有絕緣套管的SMA絲平行放置，并安裝在橡膠管中，形成SMA絲束驅(qū)動器。SMA絲束驅(qū)動器安裝前，先將SMA絲進(jìn)行預(yù)拉伸，使其具備一定的塑形變形。SMA絲束于穩(wěn)壓直流電源相連，每根SMA絲之間并聯(lián)。該SMA絲束驅(qū)動力利用焦耳效應(yīng)對SMA絲進(jìn)行加熱，引發(fā)形狀記憶效應(yīng)。

3 ?變體飛行器的變厚度調(diào)節(jié)

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

變體飛行器利用SMA絲束驅(qū)動器進(jìn)行厚度調(diào)節(jié)，其結(jié)構(gòu)由承力框架，SMA束，滑塊，定滑輪，復(fù)位彈簧和推力桿組成。其中承力框架是驅(qū)動裝置的承力端，裝置中所有零部件的運(yùn)動都在承力框架之內(nèi)進(jìn)行，并負(fù)責(zé)承受機(jī)翼的氣動載荷。復(fù)位彈簧與被預(yù)拉伸的SMA絲驅(qū)動器具有同樣的長度。被預(yù)拉伸的SMA絲束驅(qū)動器與復(fù)位彈簧的一端與承力框架相連，另一端與滑塊相連。滑塊右端與SMA絲束驅(qū)動器和復(fù)位彈簧相連。SMA絲束驅(qū)動器和復(fù)位彈簧另一端與承力框架相連。SMA絲束驅(qū)動器處于被拉伸狀態(tài)，而復(fù)位彈簧處于原長狀態(tài)。滑塊的左邊有一根桿（桿1），桿1右端固定在滑塊上，左端通過鉸接與桿2連接?；瑝K通過桿1、桿2、桿3與蒙皮相連。其中，桿1與滑塊固接，桿2兩端與桿1、桿3鉸接，因此桿2同時具有直線運(yùn)動和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。在桿2的左右兩側(cè)，各有兩個定滑輪。定滑輪的作用是約束桿2的水平運(yùn)動，使桿2只進(jìn)行豎直方向運(yùn)動，另一方面定滑輪可以減少桿2豎直運(yùn)動時受到的摩擦阻力。桿3與蒙皮相連，用于驅(qū)動蒙皮發(fā)生形變。本設(shè)計中，蒙皮采用柔性材質(zhì)，該材質(zhì)保證在可承受范圍內(nèi)可以發(fā)生有效形變，滿足變形需求。

3.2 工作原理

SMA絲束驅(qū)動器在變厚度機(jī)翼中的應(yīng)用原理如圖2所示，其工作過程可分為三個階段。圖2（a）是機(jī)翼處于初始狀態(tài)。圖2（b）是機(jī)翼處于變厚度狀態(tài)，圖2（c）是機(jī)翼恢復(fù)到初始形狀。當(dāng)飛行器飛行環(huán)境發(fā)生改變，需要調(diào)節(jié)機(jī)翼厚度時，首先對SMA絲束驅(qū)動器進(jìn)行通電。SMA絲在通電后，由于自身的內(nèi)阻產(chǎn)生焦耳效應(yīng)，SMA絲溫度升高，進(jìn)而產(chǎn)生形狀記憶效應(yīng)，會恢復(fù)到原始長度，即發(fā)生收縮。SMA絲束驅(qū)動器收縮提供向右的驅(qū)動力。在SMA絲束驅(qū)動器驅(qū)動力的作用下，滑塊開始向右運(yùn)動?；瑝K受拉力的作用向右運(yùn)動的同時壓縮彈簧，使得彈簧被壓縮，同時積蓄彈性勢能，該彈性勢能用于蒙皮厚度的恢復(fù)?；瑝K的運(yùn)動導(dǎo)致桿1、桿2和桿3同時運(yùn)動。桿3受到兩端定滑輪的約束，無法產(chǎn)生水平方向的運(yùn)動，因此桿3僅發(fā)生豎直向上的運(yùn)動，對蒙皮產(chǎn)生向上的作用力，使蒙皮的曲線變高，進(jìn)而使機(jī)翼厚度增加。當(dāng)飛行環(huán)境再次改變，需將飛行器機(jī)翼厚度調(diào)整到初始厚度，則停止加熱SMA絲束驅(qū)動器。由于復(fù)位彈簧在機(jī)翼厚度變形過程中受到滑塊的推力而被壓縮，儲存了足夠的彈性勢能。復(fù)位彈簧為了恢復(fù)原長，向滑塊施加向左的彈力。復(fù)位彈簧喊聲的彈力推動滑塊向左運(yùn)動，同時拉長SMA絲束驅(qū)動器至原先被拉長的狀態(tài)?；瑝K向左運(yùn)動，拉動桿2運(yùn)動，桿2推動桿3產(chǎn)生豎直向下的運(yùn)動，蒙皮在桿2的拉動下恢復(fù)原始曲面，機(jī)翼厚度恢復(fù)初始狀態(tài)。

3.3 受力分析

變體飛行器的變厚度調(diào)節(jié)需要SMA絲束驅(qū)動器輸出足夠大的驅(qū)動力，而SMA絲的驅(qū)動器與SMA絲的直徑相關(guān)，即SMA絲直徑越大，輸出的驅(qū)動力越大。因此，若要選擇合適的SMA絲直徑，需對整個機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力分析，根據(jù)需要輸出的驅(qū)動力，計算SMA絲的直徑。

圖3為變體飛行器機(jī)翼內(nèi)部驅(qū)動結(jié)構(gòu)的受力分析圖。FM為蒙皮對桿3的作用力，等于驅(qū)動蒙皮變形需要的力。F2′是桿2對桿3施加的作用力;FD是承力框架對桿3的水平約束力;F1與F3分別為桿1對桿2和桿3對桿2的作用力;FN為滑塊對桿1的支持力;FT為彈簧的彈性回復(fù)力;F2為桿2對桿1的作用力，F(xiàn)SMA為SMA絲束驅(qū)動器對桿1的驅(qū)動力。假設(shè)設(shè)計需要厚度調(diào)節(jié)的高度為？啄，桿2的長度為l，桿2初始位置與水平方向的夾角為？茲，桿2在驅(qū)動完成后與水平方向的夾角為？茲′。

根據(jù)桿1受力平衡條件，可得：

其中，k為彈簧的鋼度系數(shù)，x為彈簧的變形長度。

根據(jù)桿2受力平衡條件，可得：

根據(jù)桿3受力平衡條件，可得：

桿2兩端受力來自與桿1和桿3，可得：

變體飛行器在變厚度調(diào)解中，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的運(yùn)動過程如圖4所示。根據(jù)機(jī)構(gòu)的幾何位置關(guān)系，水平方向：

豎直方向：

聯(lián)立方程（1）～（10），可求解FSMA。假設(shè)SMA絲束驅(qū)動器內(nèi)的SMA絲受力均勻，則每根SMA絲的受力為：

其中，N為SMA絲束驅(qū)動力內(nèi)SMA絲的數(shù)量。為了使SMA絲滿足上述條件。

根據(jù)SMA絲直徑與驅(qū)動力的關(guān)系：

其中，A為SMA絲的橫截面積，d為SMA絲的直徑，？滓SMA為SMA絲在驅(qū)動過程中產(chǎn)生的驅(qū)動應(yīng)力，？滓SMA根據(jù)SMA絲的機(jī)械性能實(shí)驗(yàn)測試確定。根據(jù)，選用SMA絲的直徑d應(yīng)滿足：

4 ?總結(jié)

機(jī)翼厚度作為機(jī)翼的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)，影響著飛行器的升力系數(shù)和超聲速阻力。本文提出將SMA絲束驅(qū)動器應(yīng)用于變體飛行器中，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)翼的厚度調(diào)節(jié)。同時提出了一種SMA絲直徑的計算方法，該計算方法可以根據(jù)變厚度調(diào)節(jié)需要的厚度變化和氣動阻力，計算出合適的SMA絲直徑，為驅(qū)動器的設(shè)計提供重要基礎(chǔ)。本文探究了SMA絲束驅(qū)動器在變體飛行器中的應(yīng)用，為變體飛行器的驅(qū)動器設(shè)計提供了新的結(jié)構(gòu)方案，后續(xù)的工作將圍繞驗(yàn)證SMA絲束的性能展開。

參考文獻(xiàn)：

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