一種變形襟翼的結構設計

郭仕賢

【摘 要】本文描述了一種變形襟翼結構的設計與分析。不同于傳統連接在機翼固定后緣上的剛性襟翼，變形襟翼主要由三個組件組成，主要包括帶加強長桁的柔性上下蒙皮，帶扭曲盤的曲梁驅動機構及扭曲盤與扭曲長桁的連接結構。本文主要介紹了曲梁、扭曲盤、扭曲長桁和盤與長桁的連接設計。

【關鍵詞】變形襟翼；曲梁驅動機構；扭曲盤

1 研究背景

在各種類型的交通方式中，航空旅行持續不斷的高速增長。不斷增加的燃油費用和航空發動機排放的廢氣對全球環境的潛在影響推動工業界尋求減少碳排放的解決方案。為了減少燃油費用和降低產品運營成本，飛機制造商需要生產高性能，高效率，低成本同時對環境影響更小的飛機。歐洲委員會在《展望2020報告》[1]中提出了嚴苛的要求，包含在未來幾十年內不斷減少二氧化碳、二氧化氮的排放并且降低飛機噪音。

在過去幾十年，盡管飛機的性能和功能在不斷的改善，然而現代飛機總的來講仍然與幾十年前的老飛機非常相似。操作空機重量（OEW）與最大起飛重量（MTOW）的比率被作為飛機結構效率的指數。Babikian et al在[2]中指出這些參數在過去的50年里并沒有太大的改變，見圖1。此外，在做了很多的研究工作后，傳統的設計概念和方法幾乎都已經達到了優化的極限。由于這些原因，現在的技術不能滿足為未來幾十年設定的高性能和高要求的目標。

一種創新的并且非常有前途的解決方案就是變形技術。變形技術可以定義為飛機具有在一定的驅動下可以連續改變形狀的能力。變形技術的使用將使得機翼能夠光滑的改變形狀，在不同的飛行階段獲得近似優化的升阻力包線，并因此降低油耗，降低噪音，減少碳排放。

2 變形結構的概念

變形結構的設計由于一些相互矛盾的要求有很大的挑戰。比如從結構的觀點來看，變形襟翼應該有很大的柔性以便改變蒙皮形狀，但是同時需要有足夠的剛度來承受氣動載荷。

2.1 曲梁概念

這個概念包含一個水平放置在襟翼后緣的由旋轉作動器驅動的曲梁和盤。由于曲梁通過盤連接到襟翼的上下蒙皮，它的旋轉會帶動襟翼蒙皮的變形。圖2示出了曲梁和盤的結構示意。

這個概念可能看起來非常簡單，然而這個概念的難點在于如何使它正常運動。因為盤與變形蒙皮的相對運動，在曲梁轉動時與襟翼蒙皮接觸的點始終是盤的垂直極限點。在轉動過程中，盤上的垂直極限點除了有垂向的運動以外，還有水平方向的運動。

如圖3，當盤的平面垂直于曲梁時，褐色的梁和盤處在0°位置，綠色的線是通過垂直極限點的盤的直徑。黃色的梁和盤處在90°位置，黃色的線是通過垂向極限點的盤的直徑。從圖中可以看出盤上半部分的垂向極限點往后運動而下半部分的垂向極限點往前運動。

對于小的偏轉，蒙皮上的點可以近似看成是繞后緣上的點轉動。上粉色曲線繞A點旋轉，而下粉色曲線繞B點旋轉。圖4中粉色的曲線是變形前的襟翼外形，綠色的曲線是變形后的襟翼外形，白色的曲線是后緣點的軌跡。上下蒙皮都往前運動，但是上蒙皮的位移比下蒙皮多。因此，當蒙皮向下變形時，固定在上蒙皮上的點將向前運動而在下蒙皮上的點將會相對的向后移動。由于這個原因，垂直于曲梁的盤將會導致蒙皮與盤的相對滑動。

2.2 扭曲盤概念

該設計使得盤扭曲并保持盤垂直于長桁軸線，這樣在任何時候，盤能夠隨著長桁運動。圖5給出了一個圓盤與扭曲盤的結構對比。該設計的挑戰在于需要找出扭曲盤的正確形狀。

3 驅動機構設計

3.1 輸入參數

本文取NACA4412翼型為例來研究，取弦長為1200mm，展長為500mm，變形部分從弦長50%處開始直到翼型尾緣。

3.2 曲梁曲率公式

本文中梁的曲率公式用于給出梁的形狀并控制蒙皮的變形。基于3.1節中的尺寸及以下兩個假設：

1）襟翼尾緣最大變形角θmax等于10°

2）梁的公式與懸臂梁在分布式載荷作用下的位移類似。

3.3 梁的旋轉軸

梁的旋轉軸是曲梁的旋轉中心。軸是由變形襟翼的中弦的前點和后點的連線創建。在圖7中建立了一個坐標系，x為弦向，y為展向，z為垂向。

3.4 曲梁

在CATIA中生成曲梁后，以10°為步長，將曲梁繞旋轉軸從0°旋轉到90°，得到曲梁在運動中的十個不同狀態。

3.5 蒙皮與長桁的運動

變形蒙皮的偏轉與梁的旋轉運動相對應，在此做出了上下蒙皮從0°到90°之間的十個狀態，代表蒙皮形狀的十條曲線在CATIA以平行曲線功能■使用法則創建。

在圖9中，每一種顏色代表上下蒙皮在同一個位置的狀態。比如，兩條黃色的線代表上下蒙皮在10°偏轉角時的位置。長桁用來增強蒙皮的剛度同時連接扭曲盤使得扭曲盤能在長桁上滑動。長桁截面選用I型截面，并假定有固定的腹板高度。

需要注意的是，沿著展向來看，蒙皮與盤的角度在持續斷改變。這意味著盤的運動并不是直線運動。解決方案是采用連續改變截面形狀的扭曲長桁，以保證扭曲盤與長桁緣條垂直。在梁旋轉時盤沿著y方向滑動，在不同旋轉角度下的長桁截面可知。考慮到長桁腹板總是垂直于蒙皮，而長桁的緣條垂直于盤的半徑，因此在每一個旋轉角度下的腹板與盤的角度可知。

3.6 扭曲盤

通過以上創建點建立十條穿過這些點并與y軸平行的線，并編號為L0u到L9u，見圖14。

圖15的連線顯示了長桁與梁的不同連接狀態，長桁與盤的角度在不斷變化。梁上的點在yz平面以圓為軌跡運動，在xz平面梁上的點的投影沿直線運動。而蒙皮上的點在xz平面內以圓為軌跡運動，這將導致盤的扭曲。下長桁與盤的連接類似。在所有長桁與梁的連接創建好之后，下一步就是將它們旋轉回初始位置來創建盤。比如，10°轉角的連接線應該繞轉軸旋轉-10°到初始位置。建好的盤如圖16。

3.7 曲梁機構

要將長桁與盤連接起來，需要設計一個機構來允許它們之間的滑動與轉動，示意圖見圖17。兩個C型結構各有兩個滾輪。為了能夠正常工作，盤也需要有緣條用來與長桁連接。

以上描述的C型結構在二維情況下解決了問題，然而三維情況要更為復雜。C型結構連接扭曲長桁與扭曲盤，因此它也是扭曲的。然而，C型連接結構自身沒有固定，它不能承受沿X方向的載荷。為了解決這個問題，C型結構需要加長才有空間連接在一起，同時沒有在長桁上或者盤上打任何孔，見圖18。兩個C型結構以螺栓連接。

3.8 在開口后緣處的滑動連接

在后緣上下蒙皮之間沿著x方向有相對運動，圖19表示了一種可能實現在襟翼后緣滑動連接的解決方案。上下蒙皮后緣采用楔形塊結構，在下蒙皮布置一個帶緣條的圓柱，而在上蒙皮上開槽，因此當上下蒙皮滑動時，滑軌與圓柱緣條仍然能夠連接在一起，避免垂直方向的運動。

4 結論

本文基于前人對曲梁驅動機構及變形襟翼設計的研究。主要貢獻在于曲梁機構的詳細設計，尤其是盤的形狀設計，以滿足特定的變形襟翼的形狀要求。詳細設計了曲梁機構中的每個零件，包括曲梁和扭曲盤。梁的曲率，盤的安裝角度和扭曲形狀都是設計中的關鍵參數。襟翼變形形狀可以通過對以上機構參數的優化來實現。

【參考文獻】

[1]Arguelles， P.， Bischoff， M.， Busquin， P.， Drost， B. A. C.， Evans， R.， Kroll， W.， Lagardere， J.， Lina， A.， Lumsden， J.， Ranque， D.， Rasmussen， P.， Reutinger， P.， Robins， R.， Terho， H. and Wittlov， A. （JANUARY 2001）， EUROPEAN AERONAUTICS： A VISION FOR 2020-Meeting societys needs and winning global leadership.

[2]Babikian， R.， Lukachko， S. P. and Waitz， I. A. The historical fuel efficiency characteristics of regional aircraft from technological， operational， and cost perspectives[J]. Journal of Air Transport Management， 2002，8（6）：389-400.

[3]Perera， M. and Guo， S.， Optimal design of an aeroelastic wing structure with seamless control surfaces，2009.

[4]Lemoine， P. and Guo， S.， Design of an actuation mechanism for a seamless aeroelastic wing / P. Lemoine，2008.

[責任編輯：湯靜]