一种基于正四面体-八面体机构的多维度变形机翼

技术领域

本发明涉及飞行器技术领域，具体涉及一种基于正四面体-八面体机构的多维度变形机翼。

背景技术

目前，中国将聚焦于持续提升航天运输系统综合性能，拓展多样化便利进出空间能力，发展航天运输系统是国家重大需求，是中美竞争的焦点。航天运输任务要求空天飞行器具备经历航空域、临近空间、太空域的大跨度飞行能力，其飞行速度跨越亚音速、跨音速、超音速和高超音速等速域，因此飞行环境和飞行任务及其复杂，跨域飞行器系统设计是航空航天技术的高度融合。

在一个完整的跨域往返飞行过程中，飞行器在各个飞行阶段的环境条件和飞行参数是在不断变化的，不同空域、低速飞行和高超声速飞行对于飞行器外形有着截然不同的要求。固定翼的几何外形无法达到最优，飞行效率相对较低、续航能力弱、抗风能力差，无法兼顾高低速飞行特性，因此，研究连续变体飞行器技术成为新的热点发展方向。

自2001年起美国的NASA与麻省理工学院合作先后进行了大量预研探索，率先提出了变形翼概念方案，由此引发了许多国家纷纷开展了变体飞行器的设计与应用研究。变体飞行器是一种全新概念的多用途、多形态飞行器，可以基于飞行环境以及任务需求进行自适应主动变形，从而提高飞行器的灵活性、适用性及其利用率。迄今为止，现有飞行器的变体主要通过改变局部机翼形状而实现，例如机翼的展向弯度变形、机翼折展变形、机翼变弦长、变厚度以及机翼变后掠等变形方式，但基本上体现为单一或者平面内两个维度的变形，变形能力相对较弱，还无法满足从飞行器从亚音速到高超声速、高空到太空的跨宽速域、跨大空域飞行对于连续改变气动外形的要求；

综上所述，现有飞行器的变体主要通过改变局部机翼形状而实现，基本上体现为单一或平面内两个维度的变形，变形能力相对较弱，还无法满足从亚音速到高超声速或高空到太空的跨宽速域过程中连续改变机翼气动外形要求的问题。

发明内容

本发明为解决现有飞行器的变体主要通过改变局部机翼形状而实现，基本上体现为单一或平面内两个维度的变形，变形能力相对较弱，还无法满足从亚音速到高超声速或高空到太空的跨宽速域过程中连续改变机翼气动外形要求的问题，而提出一种基于正四面体-八面体机构的多维度变形机翼。

本发明的一种基于正四面体-八面体机构的多维度变形机翼，其组成包括至少四组机翼组合单元模块；四组机翼组合单元模块依次并联设置；

所述的机翼组合单元模块包括四面体-八面体组合骨架2和翼肋1；四面体-八面体组合骨架2的一端设有翼肋1；

进一步的，所述的四面体-八面体组合骨架2包括连接杆4、一号底边固定杆5、一号旋转接头6、一号驱动电机7、二号驱动电机8、三号驱动电机9、四号驱动电机10、一号旋转支座11、三角固定架Ⅰ12、合页13、三角固定架Ⅱ14、二号旋转支座15、五号驱动电机16、侧边固定杆17、虎克铰关节Ⅱ18、二号旋转接头20、二号底边固定杆21、三号旋转接头23、侧边旋转杆24、两个虎克铰关节Ⅰ26、连接关节件27、四号旋转接头28、复合旋转接头29和五号旋转接头30；

三角固定架Ⅰ12的斜边通过合页13与三角固定架Ⅱ14的斜边铰连接，三角固定架Ⅰ12的其中一个顶点通过一号旋转支座11与四号驱动电机10的底端铰连接，四号驱动电机10的输出端通过二号旋转支座15与三角固定架Ⅱ14的其中一个顶点铰连接，三角固定架Ⅱ14的下表面沿三角形高的方向设有连接杆4，连接杆4的顶端设有一号旋转接头6，且一号旋转接头6套设在一号底边固定杆5的中部，一号底边固定杆5的一端与五号驱动电机16的底端铰连接，且五号驱动电机16的底端和输出端上分别套设有一个虎克铰关节Ⅱ18，且五号驱动电机16的输出端通过二号旋转接头20与二号底边固定杆21的一端铰连接，二号底边固定杆21的中部套设有三号旋转接头23，三号旋转接头23的底端与侧边旋转杆24的顶端连接，二号底边固定杆21的另一端与一号底边固定杆5的另一端铰连接，五号驱动电机16上两个虎克铰关节Ⅱ18的端部分别设有一个侧边固定杆17，且侧边固定杆17的顶端与虎克铰关节Ⅱ18的端部铰连接，两个侧边固定杆17的底端通过复合旋转接头29一端铰连接，侧边旋转杆24的底端通过其中一个虎克铰关节Ⅰ26与连接关节件27的一端连接，三号驱动电机9的输出端通过连接关节件27的另一端与二号驱动电机8的底端连接，二号驱动电机8的底端与连接关节件27的另一端连接处设有四号旋转接头28，二号驱动电机8的输出端通过另一个虎克铰关节Ⅰ26的一端与一号驱动电机7的底端铰连接，且二号驱动电机8的输出端与另一个虎克铰关节Ⅰ26的一端连接处设有一个五号旋转接头30，三角固定架Ⅱ14的底端顶点与另一个虎克铰关节Ⅰ26另一端铰连接，一号驱动电机7的输出端通过复合旋转接头29的另一端与三号驱动电机9的底端铰连接；

进一步的，所述的二号底边固定杆21的一端与虎克铰关节Ⅰ26之间通过拉索25连接；

进一步的，所述的二号底边固定杆21的另一端与虎克铰关节Ⅰ26之间通过拉索25连接；

进一步的，所述的一号底边固定杆5的另一端与五号旋转接头30之间通过拉索25连接；

进一步的，所述的虎克铰关节Ⅱ18与五号驱动电机16输出端连接处设有一号限位环19；

进一步的，所述的三号旋转接头23内孔与二号底边固定杆21外表面的连接处设有二号限位环22；

进一步的，所述的四面体-八面体组合骨架2还包括连接支架3，三角固定架Ⅰ12和三角固定架Ⅱ14的斜边侧面分别设有一个连接支架3；

进一步的，所述的每两组机翼组合单元模块的翼肋1之间设有复合蒙皮31；

进一步的，在使用时，假定变形翼初始状态如图1所示，此时四面体-八面体组合骨架2中由四号驱动电机10、一号旋转支座11、三角固定架Ⅰ12、合页13、三角固定架Ⅱ14和二号旋转支座15构成了一个四面体骨架；

再由连接杆4、一号底边固定杆5、一号旋转接头6、一号驱动电机7、二号驱动电机8、三号驱动电机9、五号驱动电机16、侧边固定杆17、虎克铰关节Ⅱ18、二号旋转接头20、二号底边固定杆21、三号旋转接头23、侧边旋转杆24、两个虎克铰关节Ⅰ26、连接关节件27、四号旋转接头28、复合旋转接头29和五号旋转接头30构成了一个八面体骨架；

控制八面体骨架中的二号驱动电机8、五号驱动电机16和四面体骨架中的四号驱动器10同步运动，从而使侧边固定杆17带动四面体骨架运动，四面体骨架中三角固定架Ⅰ12做展开运动，两者互相补偿，经过多组机翼组合单元模块的的拓展传递，实现多维度变形机翼进行变展伸长运动；

若八面体骨架中驱动电机不动，控制四面体骨架中驱动电机同步驱动，四面体骨架作为驱动单元带动机翼组合单元模块运动，多维度变形机翼呈现出变后掠运动；

再如八面体骨架中的二号驱动电机8的输出端伸长，五号驱动电机16复位时，八面体骨架作为驱动单元带动机构运动，四面体骨架中的四号驱动器10复位，工作行程为八面体中驱动器行程的一半，多维度变形机翼呈现出上弯曲运动，相反则是下弯曲运动，其中可以通过一号驱动电机7和三号驱动电机9进行微调弯曲幅度；

八面体骨架与四面体骨架组合驱动可以使得多维度变形机翼获得更大幅度的变形能力，各个单元之间运动解耦，控制各个模块相反运动；比如其中两个机翼组合单元模块上弯变形、另两个机翼组合单元模块下弯变形，或者其中两个机翼组合单元模块后掠变形、另两个机翼组合单元模块前掠变形，且交错并联设置，可实现多维度变形机翼呈现扭转变形状态。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

本发明克服了现有技术的缺点，该装置可以实现伸缩、变后掠、弯曲以及扭转变形四种变形形式，该结构展向伸缩率可达到30％，后扫掠角度为36°，伸长状态下展向弯曲角度为±30°，扭转角可达±10°；

并且该结构简单，生产安装比较方便，适用于大规模生产制造，制造成本低；采用电机驱动部件对机翼变形进行驱动，通过多面体运动转化成直线运动，调整分布式驱动序列，实现机构多维度连续变形，原理简单便于控制，响应快；

综上所述此种机构的多维度变形机翼的变形方式较多，提高了变形的能力，进而满足从亚音速到高超声速或高空到太空的跨宽速域过程中连续改变机翼气动外形要求。

附图说明

图1是本发明所述的一种基于正四面体-八面体机构的多维度变形机翼的三维立体示意图；

图2是本发明所述的一种基于正四面体-八面体机构的多维度变形机翼中四面体-八面体组合骨架的三维立体示意图；

图3是本发明所述的一种基于正四面体-八面体机构的多维度变形机翼在使用状态下的三维立体示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于正四面体-八面体机构的多维度变形机翼，其组成包括至少四组机翼组合单元模块；四组机翼组合单元模块依次并联设置；

所述的机翼组合单元模块包括四面体-八面体组合骨架2和翼肋1；四面体-八面体组合骨架2的一端设有翼肋1；

本具体实施方式，采用此种设置，可以实现伸缩、变后掠、弯曲以及扭转变形四种变形形式，该结构展向伸缩率可达到30％，后扫掠角度为36°，伸长状态下展向弯曲角度为±30°，扭转角可达±10°；

并且该结构简单，生产安装比较方便，适用于大规模生产制造，制造成本低；采用电机驱动部件对机翼变形进行驱动，通过多面体运动转化成直线运动，调整分布式驱动序列，实现机构多维度连续变形，原理简单便于控制，响应快。

具体实施方式二：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的变形机翼的进一步的限定，本实施方式所述的一种基于正四面体-八面体机构的多维度变形机翼，所述的四面体-八面体组合骨架2包括连接杆4、一号底边固定杆5、一号旋转接头6、一号驱动电机7、二号驱动电机8、三号驱动电机9、四号驱动电机10、一号旋转支座11、三角固定架Ⅰ12、合页13、三角固定架Ⅱ14、二号旋转支座15、五号驱动电机16、侧边固定杆17、虎克铰关节Ⅱ18、二号旋转接头20、二号底边固定杆21、三号旋转接头23、侧边旋转杆24、两个虎克铰关节Ⅰ26、连接关节件27、四号旋转接头28、复合旋转接头29和五号旋转接头30；

三角固定架Ⅰ12的斜边通过合页13与三角固定架Ⅱ14的斜边铰连接，三角固定架Ⅰ12的其中一个顶点通过一号旋转支座11与四号驱动电机10的底端铰连接，四号驱动电机10的输出端通过二号旋转支座15与三角固定架Ⅱ14的其中一个顶点铰连接，三角固定架Ⅱ14的下表面沿三角形高的方向设有连接杆4，连接杆4的顶端设有一号旋转接头6，且一号旋转接头6套设在一号底边固定杆5的中部，一号底边固定杆5的一端与五号驱动电机16的底端铰连接，且五号驱动电机16的底端和输出端上分别套设有一个虎克铰关节Ⅱ18，且五号驱动电机16的输出端通过二号旋转接头20与二号底边固定杆21的一端铰连接，二号底边固定杆21的中部套设有三号旋转接头23，三号旋转接头23的底端与侧边旋转杆24的顶端连接，二号底边固定杆21的另一端与一号底边固定杆5的另一端铰连接，五号驱动电机16上两个虎克铰关节Ⅱ18的端部分别设有一个侧边固定杆17，且侧边固定杆17的顶端与虎克铰关节Ⅱ18的端部铰连接，两个侧边固定杆17的底端通过复合旋转接头29一端铰连接，侧边旋转杆24的底端通过其中一个虎克铰关节Ⅰ26与连接关节件27的一端连接，三号驱动电机9的输出端通过连接关节件27的另一端与二号驱动电机8的底端连接，二号驱动电机8的底端与连接关节件27的另一端连接处设有四号旋转接头28，二号驱动电机8的输出端通过另一个虎克铰关节Ⅰ26的一端与一号驱动电机7的底端铰连接，且二号驱动电机8的输出端与另一个虎克铰关节Ⅰ26的一端连接处设有一个五号旋转接头30，三角固定架Ⅱ14的底端顶点与另一个虎克铰关节Ⅰ26另一端铰连接，一号驱动电机7的输出端通过复合旋转接头29的另一端与三号驱动电机9的底端铰连接；

本具体实施方式，在使用时，假定变形翼初始状态如图1所示，此时四面体-八面体组合骨架2中由四号驱动电机10、一号旋转支座11、三角固定架Ⅰ12、合页13、三角固定架Ⅱ14和二号旋转支座15构成了一个四面体骨架；

再由连接杆4、一号底边固定杆5、一号旋转接头6、一号驱动电机7、二号驱动电机8、三号驱动电机9、五号驱动电机16、侧边固定杆17、虎克铰关节Ⅱ18、二号旋转接头20、二号底边固定杆21、三号旋转接头23、侧边旋转杆24、两个虎克铰关节Ⅰ26、连接关节件27、四号旋转接头28、复合旋转接头29和五号旋转接头30构成了一个八面体骨架；

控制八面体骨架中的二号驱动电机8、五号驱动电机16和四面体骨架中的四号驱动器10同步运动，从而使侧边固定杆17带动四面体骨架运动，四面体骨架中三角固定架Ⅰ12做展开运动，两者互相补偿，经过多组机翼组合单元模块的的拓展传递，实现多维度变形机翼进行变展伸长运动；

若八面体骨架中驱动电机不动，控制四面体骨架中驱动电机同步驱动，四面体骨架作为驱动单元带动机翼组合单元模块运动，多维度变形机翼呈现出变后掠运动；

再如八面体骨架中的二号驱动电机8的输出端伸长，五号驱动电机16复位时，八面体骨架作为驱动单元带动机构运动，四面体骨架中的四号驱动器10复位，工作行程为八面体中驱动器行程的一半，多维度变形机翼呈现出上弯曲运动，相反则是下弯曲运动，其中可以通过一号驱动电机7和三号驱动电机9进行微调弯曲幅度；

八面体骨架与四面体骨架组合驱动可以使得多维度变形机翼获得更大幅度的变形能力，各个单元之间运动解耦，控制各个模块相反运动；比如其中两个机翼组合单元模块上弯变形、另两个机翼组合单元模块下弯变形，或者其中两个机翼组合单元模块后掠变形、另两个机翼组合单元模块前掠变形，且交错并联设置，可实现多维度变形机翼呈现扭转变形状态。

具体实施方式三：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二所述的变形机翼的进一步的限定，本实施方式所述的一种基于正四面体-八面体机构的多维度变形机翼，所述的二号底边固定杆21的一端与虎克铰关节Ⅰ26之间通过拉索25连接。

具体实施方式四：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式三所述的变形机翼的进一步的限定，本实施方式所述的一种基于正四面体-八面体机构的多维度变形机翼，所述的二号底边固定杆21的另一端与虎克铰关节Ⅰ26之间通过拉索25连接。

具体实施方式五：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二所述的变形机翼的进一步的限定，本实施方式所述的一种基于正四面体-八面体机构的多维度变形机翼，所述的一号底边固定杆5的另一端与五号旋转接头30之间通过拉索25连接。

具体实施方式六：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二所述的变形机翼的进一步的限定，本实施方式所述的一种基于正四面体-八面体机构的多维度变形机翼，所述的虎克铰关节Ⅱ18与五号驱动电机16输出端连接处设有一号限位环19。

具体实施方式七：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二所述的变形机翼的进一步的限定，本实施方式所述的一种基于正四面体-八面体机构的多维度变形机翼，所述的三号旋转接头23内孔与二号底边固定杆21外表面的连接处设有二号限位环22。

具体实施方式八：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二所述的变形机翼的进一步的限定，本实施方式所述的一种基于正四面体-八面体机构的多维度变形机翼，所述的四面体-八面体组合骨架2还包括连接支架3；三角固定架Ⅰ12和三角固定架Ⅱ14的斜边侧面分别设有一个连接支架3。

具体实施方式九：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的变形机翼的进一步的限定，本实施方式所述的一种基于正四面体-八面体机构的多维度变形机翼，所述的每两组机翼组合单元模块的翼肋1之间设有复合蒙皮31。

工作原理

在使用时，假定变形翼初始状态如图1所示，此时四面体-八面体组合骨架2中由四号驱动电机10、一号旋转支座11、三角固定架Ⅰ12、合页13、三角固定架Ⅱ14和二号旋转支座15构成了一个四面体骨架；

再由连接杆4、一号底边固定杆5、一号旋转接头6、一号驱动电机7、二号驱动电机8、三号驱动电机9、五号驱动电机16、侧边固定杆17、虎克铰关节Ⅱ18、二号旋转接头20、二号底边固定杆21、三号旋转接头23、侧边旋转杆24、两个虎克铰关节Ⅰ26、连接关节件27、四号旋转接头28、复合旋转接头29和五号旋转接头30构成了一个八面体骨架；

控制八面体骨架中的二号驱动电机8、五号驱动电机16和四面体骨架中的四号驱动器10同步运动，从而使侧边固定杆17带动四面体骨架运动，四面体骨架中三角固定架Ⅰ12做展开运动，两者互相补偿，经过多组机翼组合单元模块的的拓展传递，实现多维度变形机翼进行变展伸长运动；

若八面体骨架中驱动电机不动，控制四面体骨架中驱动电机同步驱动，四面体骨架作为驱动单元带动机翼组合单元模块运动，多维度变形机翼呈现出变后掠运动；

再如八面体骨架中的二号驱动电机8的输出端伸长，五号驱动电机16复位时，八面体骨架作为驱动单元带动机构运动，四面体骨架中的四号驱动器10复位，工作行程为八面体中驱动器行程的一半，多维度变形机翼呈现出上弯曲运动，相反则是下弯曲运动，其中可以通过一号驱动电机7和三号驱动电机9进行微调弯曲幅度；

八面体骨架与四面体骨架组合驱动可以使得多维度变形机翼获得更大幅度的变形能力，各个单元之间运动解耦，控制各个模块相反运动；比如其中两个机翼组合单元模块上弯变形、另两个机翼组合单元模块下弯变形，或者其中两个机翼组合单元模块后掠变形、另两个机翼组合单元模块前掠变形，且交错并联设置，可实现多维度变形机翼呈现扭转变形状态。