探究SMA絲束驅動器在變體飛行器中的應用

苗家瑞

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

關鍵詞：形狀記憶合金;變厚度機翼;SMA絲束驅動器

1 ?緒論

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

形狀記憶合金利用形狀記憶效應來產生驅動力和驅動位移[4]。SMA材料隨著溫度變化發生馬氏體相變，在其相變溫度下對SMA材料進行預先拉伸或者彎曲變形，當溫度升高至相變溫度以上時，SMA材料可以完全恢復到初始狀態[3]。SMA絲結構簡單，可通過焦耳效應引發形狀記憶效應，輸出較大的驅動力和驅動位移，是目前應用最廣泛的SMA材料。

本文針對變體飛行器的變厚度調節，設計了新型SMA絲束驅動器，并在機翼內部的狹小空間內，利用傳動機構改變驅動力和驅動位移的方向，滿足了變厚度調節需要的較大的驅動力和驅動位移。

2 ?SMA絲束驅動器

考慮到驅動蒙皮發生變形的力較大，而一根SMA絲產生的回復力無法滿足驅動需求，本文提出一種SMA絲束結構，該結構由多根SMA絲、絕緣套管和橡膠管組成。每根SMA絲外側套有聚四氟乙烯管，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絲束驅動器。SMA絲束驅動器安裝前，先將SMA絲進行預拉伸，使其具備一定的塑形變形。SMA絲束于穩壓直流電源相連，每根SMA絲之間并聯。該SMA絲束驅動力利用焦耳效應對SMA絲進行加熱，引發形狀記憶效應。

3 ?變體飛行器的變厚度調節

3.1 結構設計

變體飛行器利用SMA絲束驅動器進行厚度調節，其結構由承力框架，SMA束，滑塊，定滑輪，復位彈簧和推力桿組成。其中承力框架是驅動裝置的承力端，裝置中所有零部件的運動都在承力框架之內進行，并負責承受機翼的氣動載荷。復位彈簧與被預拉伸的SMA絲驅動器具有同樣的長度。被預拉伸的SMA絲束驅動器與復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絲束驅動器和復位彈簧相連。SMA絲束驅動器和復位彈簧另一端與承力框架相連。SMA絲束驅動器處于被拉伸狀態，而復位彈簧處于原長狀態。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。滑塊通過桿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同時具有直線運動和旋轉運動。在桿2的左右兩側，各有兩個定滑輪。定滑輪的作用是約束桿2的水平運動，使桿2只進行豎直方向運動，另一方面定滑輪可以減少桿2豎直運動時受到的摩擦阻力。桿3與蒙皮相連，用于驅動蒙皮發生形變。本設計中，蒙皮采用柔性材質，該材質保證在可承受范圍內可以發生有效形變，滿足變形需求。

3.2 工作原理

SMA絲束驅動器在變厚度機翼中的應用原理如圖2所示，其工作過程可分為三個階段。圖2（a）是機翼處于初始狀態。圖2（b）是機翼處于變厚度狀態，圖2（c）是機翼恢復到初始形狀。當飛行器飛行環境發生改變，需要調節機翼厚度時，首先對SMA絲束驅動器進行通電。SMA絲在通電后，由于自身的內阻產生焦耳效應，SMA絲溫度升高，進而產生形狀記憶效應，會恢復到原始長度，即發生收縮。SMA絲束驅動器收縮提供向右的驅動力。在SMA絲束驅動器驅動力的作用下，滑塊開始向右運動。滑塊受拉力的作用向右運動的同時壓縮彈簧，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。滑塊的運動導致桿1、桿2和桿3同時運動。桿3受到兩端定滑輪的約束，無法產生水平方向的運動，因此桿3僅發生豎直向上的運動，對蒙皮產生向上的作用力，使蒙皮的曲線變高，進而使機翼厚度增加。當飛行環境再次改變，需將飛行器機翼厚度調整到初始厚度，則停止加熱SMA絲束驅動器。由于復位彈簧在機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。復位彈簧為了恢復原長，向滑塊施加向左的彈力。復位彈簧喊聲的彈力推動滑塊向左運動，同時拉長SMA絲束驅動器至原先被拉長的狀態。滑塊向左運動，拉動桿2運動，桿2推動桿3產生豎直向下的運動，蒙皮在桿2的拉動下恢復原始曲面，機翼厚度恢復初始狀態。

3.3 受力分析

變體飛行器的變厚度調節需要SMA絲束驅動器輸出足夠大的驅動力，而SMA絲的驅動器與SMA絲的直徑相關，即SMA絲直徑越大，輸出的驅動力越大。因此，若要選擇合適的SMA絲直徑，需對整個機構進行受力分析，根據需要輸出的驅動力，計算SMA絲的直徑。

圖3為變體飛行器機翼內部驅動結構的受力分析圖。FM為蒙皮對桿3的作用力，等于驅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為彈簧的彈性回復力;F2為桿2對桿1的作用力，FSMA為SMA絲束驅動器對桿1的驅動力。假設設計需要厚度調節的高度為？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在驅動完成后與水平方向的夾角為？茲′。

根據桿1受力平衡條件，可得：

其中，k為彈簧的鋼度系數，x為彈簧的變形長度。

根據桿2受力平衡條件，可得：

根據桿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解中，其內部結構的運動過程如圖4所示。根據機構的幾何位置關系，水平方向：

豎直方向：

聯立方程（1）～（10），可求解FSMA。假設SMA絲束驅動器內的SMA絲受力均勻，則每根SMA絲的受力為：

其中，N為SMA絲束驅動力內SMA絲的數量。為了使SMA絲滿足上述條件。

根據SMA絲直徑與驅動力的關系：

其中，A為SMA絲的橫截面積，d為SMA絲的直徑，？滓SMA為SMA絲在驅動過程中產生的驅動應力，？滓SMA根據SMA絲的機械性能實驗測試確定。根據，選用SMA絲的直徑d應滿足：

4 ?總結

機翼厚度作為機翼的重要結構參數，影響著飛行器的升力系數和超聲速阻力。本文提出將SMA絲束驅動器應用于變體飛行器中，可以實現機翼的厚度調節。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變厚度調節需要的厚度變化和氣動阻力，計算出合適的SMA絲直徑，為驅動器的設計提供重要基礎。本文探究了SMA絲束驅動器在變體飛行器中的應用，為變體飛行器的驅動器設計提供了新的結構方案，后續的工作將圍繞驗證SMA絲束的性能展開。

參考文獻：

[1]王云.航空航天概論[M].北京航空航天大學出版社，2009.

[2]劉俊兵，王幫峰，蘆吉云.基于SMA的差動式變體機翼后緣驅動器研究[J].兵器材料科學與工程，2015（4）.

[3]于東，張博明，梁軍.形狀記憶合金在航空工業中的應用研究進展[J].金屬功能材料，2007，14（6）：27-32.

[4]楊凱.形狀記憶合金的研究與應用[J].金屬功能材料， 2000，7（5）：7-12.