楊開元

（濟寧市兗州區(qū)第一中學(xué)，山東 濟寧 272100）

1 緒論

1.1 變厚度機翼

變體機翼是指飛行器機翼在飛行過程中，為了根據(jù)不同的飛行環(huán)境做出響應(yīng)，通過改變機翼的一些部件的幾何形狀、尺寸或者位置，使得機翼具備不同的形狀從而改變飛行姿態(tài)，以獲得更好的飛行性能。根據(jù)不同的飛行環(huán)境，變體機翼可以通過驅(qū)動器調(diào)節(jié)不同參數(shù)，比如前緣位置、后緣位置、弦線弧度和翼型厚度等。變厚度機翼是通過機翼上表面的蒙皮變形，改變機翼的相對厚度，從而改變機翼的氣動特性。巡航飛行時，增加機翼的相對厚度，保證飛行器的升力系數(shù)，減小油耗，增加航程；加速飛行時，減小機翼的相對厚度，降低飛行器的超速度波阻，提高飛行器的機動性能。

1.2 形狀記憶合金

形狀記憶合金（shape memory alloy，簡稱SMA）是能夠記憶其初始形狀的智能材料。SMA受益于其獨特的形狀記憶效應(yīng)而廣泛應(yīng)用于變體飛行器、變循環(huán)發(fā)動機和衛(wèi)星等領(lǐng)域。形狀記憶效應(yīng)是指當(dāng)SMA處于低于其相變溫度的環(huán)境時，對其加載并卸載并存在殘余應(yīng)變，此時對SMA加熱至相變溫度之上，殘余應(yīng)變會消失，SMA完全恢復(fù)到加載前的形狀。利用形狀記憶效應(yīng)，SMA驅(qū)動器不僅能夠輸出大驅(qū)動力和大驅(qū)動位移，還具有主動變形功能和較高的功重比。傳統(tǒng)的變體機翼驅(qū)動器普遍采用的是液壓驅(qū)動器和電機驅(qū)動，這兩類驅(qū)動器由于其結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)復(fù)雜，功重比較低，可靠性低且維護成本高，已經(jīng)逐漸被智能驅(qū)動器所取代。因此，SMA驅(qū)動器成為了設(shè)計變體機翼驅(qū)動結(jié)構(gòu)的重要技術(shù)手段。

2 “擷抗式”SMA驅(qū)動器設(shè)計

2.1 “擷抗式”SMA驅(qū)動器結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文利用形狀記憶合金絲的形狀記憶效應(yīng)和主動變形的特點設(shè)計了擷抗式”SMA驅(qū)動器?！皵X抗式”SMA驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1（a）是組成“擷抗式”SMA驅(qū)動器的一個驅(qū)動單元，該驅(qū)動單元由兩根SMA絲、定滑輪，鉸鏈組成。SMA絲一端固定在固定端，另一端通過鉸鏈相與另一根SMA絲相連接，其中鉸鏈呈90°纏繞在定滑輪上，并可以在定滑輪上自由滑動。所謂“擷抗式”（如圖1（a）所示），是指驅(qū)動單元的兩組SMA絲呈對拉狀態(tài)。兩組SMA絲有各自的加熱電路，當(dāng)通電加熱SMA-1絲時，SMA-1絲受熱收縮，拉動定滑輪轉(zhuǎn)動，同時產(chǎn)生的拉力會將SMA-2絲拉長；相反地，當(dāng)通電加熱SMA-2時，SMA-2受熱收縮，順時針拉動定滑輪轉(zhuǎn)動，同時產(chǎn)生的拉力會將SMA-1絲拉長。

圖1 “擷抗式”驅(qū)動器

“擷抗式”SMA驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)如圖1（b）所示，該驅(qū)動器由四個驅(qū)動器單元組成并進行了適當(dāng)改進。為了實現(xiàn)“擷抗式”的驅(qū)動原理，本文將四個驅(qū)動單元分為兩組，分別位于橫桿的上、下方，并呈現(xiàn)對稱分布。四組SMA絲與鉸鏈相連接，一端固定在固定端，另一端通過繞過定滑輪的鉸鏈與橫板相連接。橫板上方有兩組SMA絲和一組定滑輪，成對稱分布，橫板下方有同樣兩組SMA絲和一組定滑輪，呈對稱分布。

2.2 “擷抗式”SMA驅(qū)動器原理

“擷抗式”SMA驅(qū)動器的原理是利用SMA的形狀記憶特性，通過兩組SMA絲帶動橫板運動，以此來實現(xiàn)往復(fù)、連續(xù)驅(qū)動。如圖所示，“擷抗式”SMA驅(qū)動器具體的工作原理如下。

（1）首先，當(dāng)需要橫板向上運動時，利用電流加熱被預(yù)拉伸處理的SMA-1a絲和SMA-1b絲（預(yù)拉伸的長度需要根據(jù)SMA絲的回復(fù)性能確定），使其受熱收縮從而拉動橫板向上運動，此時輸出向上的驅(qū)動力和驅(qū)動位移。同時橫板的向上運動會將下方SMA-2b絲和SMA-2b絲拉伸一定長度，即對下方的SMA絲進行了預(yù)拉伸處理。

（2）然后，需要橫板向下運動回到初始位置時，利用電流SMA-2a絲和SMA-2b絲，使其受熱收縮從而拉動橫板向下運動并回到初始位置，此時輸出向下的驅(qū)動力和驅(qū)動位移。同時橫板的向下運動會將下方SMA-1b絲和SMA-1b絲拉伸回到初始長度，即下方的SMA絲回到了預(yù)拉伸狀態(tài)。至此，驅(qū)動器恢復(fù)到初始狀態(tài)，實現(xiàn)了驅(qū)動器的往復(fù)驅(qū)動。

（3）最后，重復(fù)（1）～（2）可以實現(xiàn)連續(xù)、往復(fù)驅(qū)動。

3 變體機翼的設(shè)計

3.1 變厚度機翼的設(shè)計思路

變體機翼需要驅(qū)動器提供驅(qū)動力和驅(qū)動位移來改變某個部件的形狀、位置或者尺寸。本文將“擷抗式”SMA驅(qū)動器安裝在常規(guī)機翼中，利用驅(qū)動器提供的豎直方向驅(qū)動力和驅(qū)動位移來驅(qū)動機翼蒙皮改變蒙皮弧高。

3.2 變厚度機翼的結(jié)構(gòu)

本文利用三個“擷抗式”SMA驅(qū)動器驅(qū)動蒙皮改變弧高。三個驅(qū)動器（A、B、C）均勻分布，可以使蒙皮的變形光滑連續(xù)，避免出現(xiàn)局部變形過大，影響氣動性能。變厚度機翼的結(jié)構(gòu)如圖2所示，每組驅(qū)動器的橫板上安裝豎直推桿，推桿與蒙皮相連，可以將橫板輸出的驅(qū)動力和驅(qū)動位置傳遞給蒙皮，驅(qū)動蒙皮改變孤高。需要指出的是，每個驅(qū)動器的安裝位置不同，所以推桿的長度也不同，需要根據(jù)蒙皮的弧線進行設(shè)計。

3.3 變厚度機翼的原理

本文提出的變厚度機翼具有主動變形、往復(fù)變形和變形光滑柔順的特點，且工作簡單，切換加熱電路即可實現(xiàn)機翼厚度的增加和降低。如圖2所示，變厚度機翼的具體工作原理為：當(dāng)飛行條件改變，需要增加機翼厚度時，通過電流加熱驅(qū)動器上方的SMA絲，使得其受熱收縮并帶動推桿向上運動，同時將下方的SMA絲進行拉伸，此時機翼蒙皮在多組驅(qū)動器推桿的驅(qū)動下升高，使得機翼的蒙皮弧線增加高度；當(dāng)飛行條件改變，需要降低機翼厚度恢復(fù)初始厚度時，通過電流加熱全部驅(qū)動器下方的SMA絲，使得其受熱收縮并帶動其所在驅(qū)動器的推桿向下運動，同時將上方的SMA絲拉伸至初始狀態(tài)，此時機翼蒙皮在多組驅(qū)動器推桿的驅(qū)動下降低高度，使得機翼恢復(fù)到初始厚度。

此外，除上述兩種主要工作狀態(tài)以外，變厚度機翼可以選擇性地使驅(qū)動器A、B、C中某個或某幾個工作，通過不同的驅(qū)動器組合方式，可以使機翼蒙皮具有更復(fù)雜多樣的高度，從而使機翼具有多種厚度，可以適應(yīng)更復(fù)雜多變的飛行環(huán)境。

圖2 變體機翼的設(shè)計

4 結(jié)語

本文首先利用形狀記憶合金設(shè)計了一種新型的“擷抗式”SMA驅(qū)動器，然后利用該驅(qū)動器驅(qū)動調(diào)節(jié)變體機翼的機翼厚度變化，以滿足飛行器在不同飛行環(huán)境下的氣動性能需求。本文得到的主要研究內(nèi)容如下。

（1）本文利用形狀記憶合金的主動變形性能，設(shè)計了一種能夠主動變形、可往復(fù)驅(qū)動的“擷抗式”SMA驅(qū)動器。

（2）利用“擷抗式”SMA驅(qū)動器驅(qū)動變體機翼的變厚度調(diào)節(jié)，且為變體機翼帶來了主動變形、變形光滑柔順的特點。