李銘 李鑫松 鄭會(huì)龍 周洪 李明記

摘 要：通過建立一種可變后掠翼結(jié)構(gòu)，采用預(yù)緊力扭簧作為展開動(dòng)力，并結(jié)合電磁銷鎖緊、擋塊機(jī)構(gòu)緩沖、圓盤和彈簧銷實(shí)現(xiàn)后續(xù)連桿機(jī)構(gòu)的變后掠過程。該串聯(lián)翼結(jié)構(gòu)能在發(fā)射箱內(nèi)實(shí)現(xiàn)機(jī)翼的瞬間展開和后續(xù)穩(wěn)定變后掠飛行。通過理論計(jì)算驗(yàn)證了整體結(jié)構(gòu)的可行性，扭簧逆推線徑在3.019～5.000 mm范圍內(nèi)。運(yùn)動(dòng)仿真模擬結(jié)果顯示，在0.1 s內(nèi)機(jī)翼展開到指定位置時(shí)，扭簧最佳預(yù)緊力為205 N，上翼前緣最大速度達(dá)27.914 2 m/s，最大加速度為20 843.951 3 m/s2，最危險(xiǎn)點(diǎn)發(fā)生在0.100 0 s，整個(gè)展開過程在0.930 0 s停止。根據(jù)這項(xiàng)研究，這種結(jié)構(gòu)在導(dǎo)彈的發(fā)射和飛行方面具有實(shí)際應(yīng)用潛力，可以在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上明顯提升儲(chǔ)運(yùn)效率，并增強(qiáng)其適應(yīng)復(fù)雜飛行環(huán)境的能力。

關(guān)鍵詞：可變后掠翼;扭簧;動(dòng)力學(xué)仿真;電磁銷;預(yù)緊力

中圖分類號(hào)：V224? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1671-0797（2024）13-0041-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.13.010

0? ? 引言

隨著航空領(lǐng)域的不斷發(fā)展和進(jìn)步，對(duì)于更高效、更靈活的飛行器設(shè)計(jì)需求日益增長(zhǎng)。其中，掠彈射式串聯(lián)翼機(jī)構(gòu)作為一種新型的飛行器結(jié)構(gòu)，吸引了廣泛的關(guān)注。首先，在待飛狀態(tài)下，機(jī)器人的體積可以減小，有助于機(jī)器人的運(yùn)輸和儲(chǔ)存。這不僅可以防止翼展過大導(dǎo)致運(yùn)輸儲(chǔ)存過程中的意外磕碰，還能夠在有限的空間內(nèi)大大增加儲(chǔ)存飛行機(jī)器人的數(shù)量。其次，折疊機(jī)翼可以通過筒狀發(fā)射器發(fā)射，為實(shí)現(xiàn)利用現(xiàn)有發(fā)射炮彈系統(tǒng)發(fā)射無人機(jī)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。為了更好地改進(jìn)飛行器折疊翼機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，有必要對(duì)折疊翼機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析和理論計(jì)算驗(yàn)證機(jī)構(gòu)的可靠性[1]。

近年來，折疊機(jī)翼越來越多地見諸于各類無人機(jī)的設(shè)計(jì)方案中，變掠翼技術(shù)是導(dǎo)彈的最新技術(shù)之一，2014年11月，中國(guó)航天科技集團(tuán)展示了WS-43彈射折疊式巡飛彈系統(tǒng)，采用V型折疊翼和十字尾翼，大展弦比提高升阻比，增加巡航時(shí)間。WS-43可折疊存放于發(fā)射箱內(nèi)，通過小型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)射程達(dá)60 km，快速進(jìn)入戰(zhàn)區(qū)在上空巡航超30 min，有效載荷20 kg，包含探測(cè)系統(tǒng)和戰(zhàn)斗部，實(shí)現(xiàn)對(duì)反斜面和時(shí)間敏感目標(biāo)的探測(cè)、定位和打擊任務(wù)，展示了卓越性能和多任務(wù)執(zhí)行能力。另外，諾斯羅普·格魯曼公司研制的X-47B[2]無人艦載戰(zhàn)斗機(jī)采用鉸鏈多連桿形式的折疊機(jī)構(gòu)，在機(jī)庫(kù)儲(chǔ)存和艦上?？繒r(shí)將機(jī)翼向上折疊130°，有效節(jié)省了艦載空間。“鯊魚”（Shark）無人機(jī)的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在緊湊的折疊設(shè)計(jì)上，其能夠有效地儲(chǔ)存于直徑130 mm的筒內(nèi)，方便攜帶和發(fā)射;此外，采用超級(jí)壓縮成型（SCM）技術(shù)，使得機(jī)翼保持高強(qiáng)度的同時(shí)還較薄，有效減輕了機(jī)身重量，提升了飛行性能[3]。這種設(shè)計(jì)不僅為機(jī)器人提供了強(qiáng)大的功能，同時(shí)注重輕量化和靈活性，使其在多種應(yīng)用場(chǎng)景中表現(xiàn)卓越?？傮w而言，可變后掠翼技術(shù)作為一項(xiàng)關(guān)鍵的航空技術(shù)，不僅在軍用領(lǐng)域?yàn)轱w行器的作戰(zhàn)和偵察任務(wù)提供了更靈活的解決方案，也在民用航空、研究衛(wèi)星等領(lǐng)域展現(xiàn)出豐富的應(yīng)用潛力。

1? ? 可變后掠翼機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)原理

1.1? ? 可變后掠翼的研究對(duì)象

可變后掠翼作為研究對(duì)象，是航空領(lǐng)域的重要研究方向之一，其設(shè)計(jì)和應(yīng)用涉及飛行器的氣動(dòng)性能優(yōu)化、飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及飛行效率的提高等關(guān)鍵問題。通過對(duì)可變后掠翼的深入研究，可以有效改善飛行器的飛行性能，提高其適應(yīng)不同飛行任務(wù)的能力，從而推動(dòng)航空技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步。本結(jié)構(gòu)是通過扭簧裝置進(jìn)行展開，采用連桿機(jī)構(gòu)控制變后掠，在變后掠過程中可以實(shí)現(xiàn)5°～30°、每5°一個(gè)間隔的變角度調(diào)節(jié)飛行。其變后掠連接機(jī)構(gòu)效果圖如圖1所示。

通過變后掠結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)最佳飛行性能和操作靈活性，是現(xiàn)代航空技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。這種結(jié)構(gòu)的靈活性和可調(diào)性，使得飛行器可以根據(jù)不同的飛行階段和任務(wù)需求進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的氣動(dòng)性能和機(jī)動(dòng)性。

1.2? ? 可變后掠翼結(jié)構(gòu)的工作原理

可變后掠翼作為一種創(chuàng)新的機(jī)翼設(shè)計(jì)，其工作原理可分為兩個(gè)主要部分：展開過程和變后掠過程。在展開過程中，涉及多個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，包括翼面、驅(qū)動(dòng)能源、展開機(jī)構(gòu)、限位緩沖機(jī)構(gòu)以及鎖定機(jī)構(gòu)[4]。通過橫向折疊式設(shè)計(jì)，有效減小橫向尺寸，提升儲(chǔ)運(yùn)效率，并增加運(yùn)載能力。該技術(shù)運(yùn)用扭桿、扭簧等作為動(dòng)力源，在中小型彈翼中得到廣泛應(yīng)用。其展開狀態(tài)不占用彈內(nèi)空間，呈現(xiàn)出較為緊湊的設(shè)計(jì)特點(diǎn)[5-8]。本設(shè)計(jì)采用了一種上下連接機(jī)構(gòu)的折疊翼展開機(jī)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在飛行準(zhǔn)備階段，機(jī)體在發(fā)射箱內(nèi)處于完全折疊狀態(tài)。機(jī)體展開過程中，利用提前施加預(yù)緊力的扭簧作為動(dòng)力源，以確保展開過程的可靠性和有效性。所設(shè)計(jì)的機(jī)翼展開角度為90°，展開到位后通過電磁銷來實(shí)現(xiàn)在水平位置下的鎖定。同時(shí)，在上下連接處設(shè)置了緩沖的擋塊結(jié)構(gòu)，以有效減緩機(jī)翼展開過程中的沖擊力。

在變后掠過程中，采用電機(jī)推動(dòng)連桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行變后掠。當(dāng)機(jī)翼展開至水平位置時(shí)，通過上下連接處都設(shè)有的圓盤狀導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)（圖3），以實(shí)現(xiàn)在展開到位時(shí)彈簧銷能夠使得上下連接圓盤與連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行鎖緊。隨后，通過控制推桿的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)連桿機(jī)構(gòu)控制機(jī)體的變后掠運(yùn)動(dòng)。

整個(gè)結(jié)構(gòu)的連桿裝置采用圖4所示的Y形連桿裝置。在機(jī)翼展開時(shí)，下連接采用類似撞針的裝置，使得連桿1與機(jī)翼固定連接。通過控制電動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)推桿進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)，使得推桿離開帶動(dòng)連桿2進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，然后與鎖緊銷發(fā)生碰撞被鎖住。連桿與彈翼相結(jié)合，形成翼擺組合體[9]，帶動(dòng)連桿1進(jìn)行定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)翼的轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)變后掠過程。

1.3? ? 可變后掠翼機(jī)構(gòu)的性能要求

可變后掠翼的展開性能直接關(guān)系著無人機(jī)在發(fā)射后是否能夠順利實(shí)現(xiàn)正常飛行，這一性能特征成為設(shè)計(jì)折疊展開機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵指標(biāo)，因?yàn)樗绊懥藷o人機(jī)在發(fā)射階段的空氣動(dòng)力學(xué)表現(xiàn)、飛行穩(wěn)定性和機(jī)動(dòng)性能。因此，可變后掠翼的有效展開是確保無人機(jī)飛行任務(wù)成功執(zhí)行的重要前提。

可變后掠翼的折疊展開機(jī)構(gòu)在設(shè)計(jì)中具有明確的性能要求。首先，展開速度必須快，應(yīng)在1 s內(nèi)完成。其次，機(jī)翼在到位后的定位與鎖定機(jī)構(gòu)必須準(zhǔn)確可靠，確保機(jī)翼穩(wěn)固地鎖定在展開位置，且在此過程中避免大振動(dòng)與沖擊載荷，迅速且穩(wěn)定地完成鎖定。最后，在變后掠飛行時(shí)，應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)后掠角從0°到30°每5°的變角度飛行。如圖5所示，變后掠機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖展示了這一設(shè)計(jì)。同時(shí)，機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝使用方便，展開過程中各部件不發(fā)生相互干涉，以確保高可靠性和穩(wěn)定性。這些要求直接關(guān)系著無人機(jī)發(fā)射后的飛行性能和安全性，同時(shí)也考慮了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)便性和可操作性。

2? ? 可變后掠翼展開的數(shù)學(xué)模型

首先基于CATIA對(duì)可變后掠翼進(jìn)行三維建模，之后提前對(duì)扭簧施加預(yù)緊力直到機(jī)翼處于折疊狀態(tài)，再控制電磁銷頂起實(shí)現(xiàn)鎖緊，如圖6所示。機(jī)體發(fā)射出去后控制電磁銷收縮釋放扭簧的預(yù)緊力，在達(dá)到水平位置時(shí)通過另一個(gè)電磁銷進(jìn)行鎖定，如圖7所示。

因此，整個(gè)機(jī)翼展開的過程可以通過對(duì)三維模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，等效為數(shù)學(xué)模型，為簡(jiǎn)化模型，通過使用質(zhì)量點(diǎn)和等效變截面，以簡(jiǎn)單的方式逼近翼片結(jié)構(gòu)，同時(shí)在初始設(shè)計(jì)中忽略海拔高度對(duì)重力加速度的影響，可變后掠翼的數(shù)學(xué)模型如圖8所示。

整個(gè)可變后掠翼展開機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型建立如下：

J

=Mn+Mω+Mq-Mf，

J=m1x1 2+m2x2 2+m3x3 3，

Mn=Mk（βn-θ），

Mω=（m1+m2+m3）ω2（L0sin θ）L0cos θ，

Mq=F1L0sin2θ，

Mf=[（m1+m2+m3）g+F2]fL2（1）

式中：J為翼片相對(duì)于翼軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;θ為翼片從折疊狀態(tài)開始轉(zhuǎn)動(dòng)的角度;Mn為扭簧產(chǎn)生的扭矩;Mω為翼片在轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生的力矩;Mq為翼片沿可變后掠翼軸線方向產(chǎn)生氣動(dòng)力引起的力矩;Mf為摩擦力產(chǎn)生的力矩;將整個(gè)機(jī)翼等效成一塊具有質(zhì)量的平板，將整個(gè)機(jī)翼平分為三段同時(shí)每塊機(jī)翼的質(zhì)心選定在這一塊的中心軸線上，分別到連接處的位置為x1、x2、x3;這三塊的質(zhì)量分別為m1、m2、m3;Mk為扭簧的剛度;βn為扭簧的預(yù)扭角;ω為制導(dǎo)炮彈轉(zhuǎn)速角速度;L0為翼片相對(duì)于翼軸的質(zhì)心距離;F1為零攻角狀態(tài)下翼片沿制導(dǎo)炮彈軸線方向的氣動(dòng)力;F2為繞制導(dǎo)炮彈軸線轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，受到垂直于翼面的氣動(dòng)阻力;f為翼片和翼片座的摩擦系數(shù);L2為摩擦力矩的作用力臂。

3? ? 可變后掠翼展開機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真分析

在通過CATIA設(shè)計(jì)的可變后掠翼模型的基礎(chǔ)上初步建立一個(gè)外殼對(duì)可變后掠翼進(jìn)行定位固定，之后導(dǎo)入ADAMS多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件中。通過對(duì)模型的三維導(dǎo)入，在ADAMS中對(duì)各構(gòu)件進(jìn)行約束和負(fù)載的設(shè)置，并詳細(xì)配置求解參數(shù)，從而能夠在仿真環(huán)境中準(zhǔn)確模擬可變后掠翼的展開過程。

3.1? ? 添加約束和載荷

在ADAMS中，首先為每個(gè)部件分配相應(yīng)的材料屬性，如表1所示。然后，分別對(duì)兩個(gè)機(jī)翼、機(jī)翼內(nèi)部的梁以及機(jī)翼連接處進(jìn)行布爾操作。接著，將機(jī)體與地面固定，并對(duì)機(jī)翼施加旋轉(zhuǎn)副約束，以實(shí)現(xiàn)機(jī)翼繞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。隨后，建立不同的接觸實(shí)現(xiàn)后續(xù)展開碰撞，并施加上下連接處產(chǎn)生的摩擦力。在重力場(chǎng)的情況下進(jìn)行仿真，扭簧施加的預(yù)緊力通過創(chuàng)建扭轉(zhuǎn)彈簧阻尼器來等效代替扭簧施加在上下連接處。建立測(cè)量點(diǎn)以便于后續(xù)數(shù)據(jù)的后處理，然后設(shè)置步數(shù)與時(shí)間進(jìn)行仿真。

3.2? ? 動(dòng)力學(xué)仿真后處理與結(jié)果

以扭簧的預(yù)緊力作為自變量參數(shù)，通過施加不同扭簧的扭力，來選定合適的扭簧預(yù)緊力，采用扭簧預(yù)緊力作為自變量，在兩個(gè)擋塊的位置設(shè)有碰撞傳感器，碰撞時(shí)整個(gè)模型停止，來判斷機(jī)翼在何時(shí)能實(shí)現(xiàn)展開，先初步設(shè)置扭簧的預(yù)緊力為300 N，判斷出在0.082 6 s時(shí)模型展開到位，根據(jù)要求機(jī)翼能在0.1 s內(nèi)展開到指定位置，因此可以以20 N的力為間隔來判斷出合適的扭力。根據(jù)不同的扭力能夠判斷出所需的展開時(shí)間，如表2所示，從而判斷出所需扭力在200～220 N，再進(jìn)一步通過二分法判斷出最合適的扭力為205 N，在0.100 0 s時(shí)進(jìn)行碰撞。因此在205 N預(yù)緊力的前提下繼續(xù)后處理過程。

先在機(jī)翼上選取兩個(gè)點(diǎn)位，在地面上選取一個(gè)點(diǎn)位，之后設(shè)置一個(gè)傳感器，以記錄整個(gè)模型在機(jī)翼展開過程中的角度變化。圖9為3組不同的預(yù)緊力在機(jī)翼展開過程中的轉(zhuǎn)角變化曲線，可以看出機(jī)翼能夠?qū)崿F(xiàn)展開到位，同時(shí)當(dāng)機(jī)翼的擋塊碰撞時(shí)會(huì)發(fā)生回彈現(xiàn)象。另外，機(jī)翼?yè)鯄K位置采用緩沖結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)小角度的余量變形，來實(shí)現(xiàn)整個(gè)結(jié)構(gòu)的緩沖。

在上翼前緣位置設(shè)置MARKER點(diǎn)作為運(yùn)動(dòng)參數(shù)的捕捉點(diǎn)，如圖10所示，后處理的過程根據(jù)MARKER115這個(gè)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行具體分析。在運(yùn)動(dòng)仿真后，選取此點(diǎn)能夠判斷出機(jī)翼的展開速度如圖11所示，機(jī)翼的加速度如圖12所示。

可以看出，在205 N的預(yù)緊力下，扭簧在展開過程中最大的速度為27.914 2 m/s，加速度最大值為20 843.951 3 m/s2，最大危險(xiǎn)點(diǎn)在0.100 0 s時(shí)出現(xiàn)，第二次回彈碰撞發(fā)生在0.228 9 s時(shí)，之后兩個(gè)機(jī)翼進(jìn)行小幅擺動(dòng)，在0.930 0 s時(shí)整個(gè)機(jī)翼展開過程停止。

在扭簧初始預(yù)緊力為205 N的情況下，根據(jù)扭簧的預(yù)緊力以及模型允許的扭簧范圍的最大直徑5 mm，扭轉(zhuǎn)彈簧的設(shè)計(jì)公式如下：

K=（E×d4）/（3 667×Dm×Nc）（2）

式中：K為扭轉(zhuǎn)彈簧常數(shù)，表示當(dāng)彈簧被扭轉(zhuǎn)時(shí)，每增加1°扭轉(zhuǎn)角的負(fù)荷;E為線材的彈性模量;d為彈簧線徑;Dm為彈簧中徑;Nc為有效圈數(shù)，Nc=N-2，N為總?cè)?shù)[10]。

扭轉(zhuǎn)彈簧材料采用錳鋼，彈簧參數(shù)為：線徑取1～5 mm，有效圈數(shù)取1，中徑取40 mm，預(yù)緊轉(zhuǎn)角為90°。因此，可以判斷出在不同線徑下的扭力大小，如表3所示。

可以通過表3判斷出，當(dāng)線徑大于3 mm時(shí)，扭簧結(jié)構(gòu)不會(huì)失效，再進(jìn)一步通過扭簧扭力來判斷出逆推線徑為3.019 mm，從而確定出所需的扭簧實(shí)際線徑應(yīng)在3.019～5.000 mm范圍之內(nèi)。

4? ? 結(jié)論

1）本文建立了一種新型的可變后掠翼結(jié)構(gòu)，采用提前施加預(yù)緊力的扭簧作為展開動(dòng)力，通過兩個(gè)對(duì)稱的電磁銷實(shí)現(xiàn)鎖緊，安裝擋塊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)緩沖，通過圓盤和彈簧銷來實(shí)現(xiàn)后續(xù)連桿機(jī)構(gòu)變后掠的過程。串聯(lián)翼結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)在發(fā)射箱內(nèi)發(fā)射，同時(shí)可以滿足機(jī)翼在飛行時(shí)瞬間展開的要求，且在后續(xù)飛行過程中能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的變后掠飛行。

2）通過理論計(jì)算整個(gè)模型的展開過程，來驗(yàn)證整個(gè)結(jié)構(gòu)展開的可行性，通過扭簧逆推實(shí)際的線徑應(yīng)在3.019～5.000 mm范圍之內(nèi)。

3）通過運(yùn)動(dòng)仿真來模擬整個(gè)模型的展開過程，可以得到機(jī)翼展開的預(yù)緊力采用205 N，在展開過程中最大速度為27.914 2 m/s，加速度最大值為20 843.951 3 m/s2，最大危險(xiǎn)點(diǎn)在0.100 0 s時(shí)出現(xiàn)，展開過程在0.930 0 s時(shí)停止。

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作者簡(jiǎn)介：李銘（1986—），男，遼寧瓦房店人，博士，副教授，研究方向：航空齒輪裝備可靠性技術(shù)。

通信作者：鄭會(huì)龍（1975—），男，河北張家口人，博士，研究員，研究方向：微重力燃燒、航空航天精密機(jī)械制造。