苗家瑞

摘要：改变机翼厚度可以提高飞行器在不同飞行条件下的升力系数，并降低一定阻力。本文提出了一种新型SMA丝束驱动器，该驱动器利用聚四氟乙烯管和橡胶管将多根SMA丝组成束状驱动器，可以输出较大的驱动力和驱动位移，利用传动机构，实现机翼的厚度调节。同时，本文对变厚度机翼进行了受力分析，提出了SMA丝直径的计算方法，为机构设计提供了理论参考。

关键词：形状记忆合金;变厚度机翼;SMA丝束驱动器

1  绪论

变体飞行器是一种可以改变飞行气动外形，以适应不同飞行环境的高机动航空飞行器。变体飞行器通常通过调节机翼翼型来实现气动外形的改变。机翼厚度作为机翼的重要结构参数，其影响着飞行器的升力系数和超声速阻力[1]。变体飞行器的变厚度调节是针对翼型的厚度进行调节，通过机翼上表面的蒙皮变形，改变机翼的厚度，从而改变机翼的气动特性。目前，变体机翼驱动系统大多采用液压驱动或电机驱动，虽然这些驱动方式可以产生较大的驱动力，但其结构复杂，体积和重量较大，不利于飞行器提高机动性[2]。形状记忆合金（Shape memory alloy，SMA）作为一种集传感与驱动为一体的新型智能材料，具有功重比高、对温度敏感、驱动电压低、驱动结构简单、驱动过程平滑无扰动等优点，因此，近年来将SMA材料应用于变体机翼驱动器中已成为新的研究热点[3]。

形状记忆合金利用形状记忆效应来产生驱动力和驱动位移[4]。SMA材料随着温度变化发生马氏体相变，在其相变温度下对SMA材料进行预先拉伸或者弯曲变形，当温度升高至相变温度以上时，SMA材料可以完全恢复到初始状态[3]。SMA丝结构简单，可通过焦耳效应引发形状记忆效应，输出较大的驱动力和驱动位移，是目前应用最广泛的SMA材料。

本文针对变体飞行器的变厚度调节，设计了新型SMA丝束驱动器，并在机翼内部的狭小空间内，利用传动机构改变驱动力和驱动位移的方向，满足了变厚度调节需要的较大的驱动力和驱动位移。

2  SMA丝束驱动器

考虑到驱动蒙皮发生变形的力较大，而一根SMA丝产生的回复力无法满足驱动需求，本文提出一种SMA丝束结构，该结构由多根SMA丝、绝缘套管和橡胶管组成。每根SMA丝外侧套有聚四氟乙烯管，聚四氟乙烯管具有较好的绝缘性和润滑性，保證了SMA丝之间相互绝缘，并能够在绝缘套管内收缩。多根套有绝缘套管的SMA丝平行放置，并安装在橡胶管中，形成SMA丝束驱动器。SMA丝束驱动器安装前，先将SMA丝进行预拉伸，使其具备一定的塑形变形。SMA丝束于稳压直流电源相连，每根SMA丝之间并联。该SMA丝束驱动力利用焦耳效应对SMA丝进行加热，引发形状记忆效应。

3  变体飞行器的变厚度调节

3.1 结构设计

变体飞行器利用SMA丝束驱动器进行厚度调节，其结构由承力框架，SMA束，滑块，定滑轮，复位弹簧和推力杆组成。其中承力框架是驱动装置的承力端，装置中所有零部件的运动都在承力框架之内进行，并负责承受机翼的气动载荷。复位弹簧与被预拉伸的SMA丝驱动器具有同样的长度。被预拉伸的SMA丝束驱动器与复位弹簧的一端与承力框架相连，另一端与滑块相连。滑块右端与SMA丝束驱动器和复位弹簧相连。SMA丝束驱动器和复位弹簧另一端与承力框架相连。SMA丝束驱动器处于被拉伸状态，而复位弹簧处于原长状态。滑块的左边有一根杆（杆1），杆1右端固定在滑块上，左端通过铰接与杆2连接。滑块通过杆1、杆2、杆3与蒙皮相连。其中，杆1与滑块固接，杆2两端与杆1、杆3铰接，因此杆2同时具有直线运动和旋转运动。在杆2的左右两侧，各有两个定滑轮。定滑轮的作用是约束杆2的水平运动，使杆2只进行竖直方向运动，另一方面定滑轮可以减少杆2竖直运动时受到的摩擦阻力。杆3与蒙皮相连，用于驱动蒙皮发生形变。本设计中，蒙皮采用柔性材质，该材质保证在可承受范围内可以发生有效形变，满足变形需求。

3.2 工作原理

SMA丝束驱动器在变厚度机翼中的应用原理如图2所示，其工作过程可分为三个阶段。图2（a）是机翼处于初始状态。图2（b）是机翼处于变厚度状态，图2（c）是机翼恢复到初始形状。当飞行器飞行环境发生改变，需要调节机翼厚度时，首先对SMA丝束驱动器进行通电。SMA丝在通电后，由于自身的内阻产生焦耳效应，SMA丝温度升高，进而产生形状记忆效应，会恢复到原始长度，即发生收缩。SMA丝束驱动器收缩提供向右的驱动力。在SMA丝束驱动器驱动力的作用下，滑块开始向右运动。滑块受拉力的作用向右运动的同时压缩弹簧，使得弹簧被压缩，同时积蓄弹性势能，该弹性势能用于蒙皮厚度的恢复。滑块的运动导致杆1、杆2和杆3同时运动。杆3受到两端定滑轮的约束，无法产生水平方向的运动，因此杆3仅发生竖直向上的运动，对蒙皮产生向上的作用力，使蒙皮的曲线变高，进而使机翼厚度增加。当飞行环境再次改变，需将飞行器机翼厚度调整到初始厚度，则停止加热SMA丝束驱动器。由于复位弹簧在机翼厚度变形过程中受到滑块的推力而被压缩，储存了足够的弹性势能。复位弹簧为了恢复原长，向滑块施加向左的弹力。复位弹簧喊声的弹力推动滑块向左运动，同时拉长SMA丝束驱动器至原先被拉长的状态。滑块向左运动，拉动杆2运动，杆2推动杆3产生竖直向下的运动，蒙皮在杆2的拉动下恢复原始曲面，机翼厚度恢复初始状态。

3.3 受力分析

变体飞行器的变厚度调节需要SMA丝束驱动器输出足够大的驱动力，而SMA丝的驱动器与SMA丝的直径相关，即SMA丝直径越大，输出的驱动力越大。因此，若要选择合适的SMA丝直径，需对整个机构进行受力分析，根据需要输出的驱动力，计算SMA丝的直径。

图3为变体飞行器机翼内部驱动结构的受力分析图。FM为蒙皮对杆3的作用力，等于驱动蒙皮变形需要的力。F2′是杆2对杆3施加的作用力;FD是承力框架对杆3的水平约束力;F1与F3分别为杆1对杆2和杆3对杆2的作用力;FN为滑块对杆1的支持力;FT为弹簧的弹性回复力;F2为杆2对杆1的作用力，FSMA为SMA丝束驱动器对杆1的驱动力。假设设计需要厚度调节的高度为？啄，杆2的长度为l，杆2初始位置与水平方向的夹角为？兹，杆2在驱动完成后与水平方向的夹角为？兹′。

根据杆1受力平衡条件，可得：

其中，k为弹簧的钢度系数，x为弹簧的变形长度。

根据杆2受力平衡条件，可得：

根据杆3受力平衡条件，可得：

杆2两端受力来自与杆1和杆3，可得：

变体飞行器在变厚度调解中，其内部结构的运动过程如图4所示。根据机构的几何位置关系，水平方向：

竖直方向：

联立方程（1）～（10），可求解FSMA。假设SMA丝束驱动器内的SMA丝受力均匀，则每根SMA丝的受力为：

其中，N为SMA丝束驱动力内SMA丝的数量。为了使SMA丝满足上述条件。

根据SMA丝直径与驱动力的关系：

其中，A为SMA丝的横截面积，d为SMA丝的直径，？滓SMA为SMA丝在驱动过程中产生的驱动应力，？滓SMA根据SMA丝的机械性能实验测试确定。根据，选用SMA丝的直径d应满足：

4  总结

机翼厚度作为机翼的重要结构参数，影响着飞行器的升力系数和超声速阻力。本文提出将SMA丝束驱动器应用于变体飞行器中，可以实现机翼的厚度调节。同时提出了一种SMA丝直径的计算方法，该计算方法可以根据变厚度调节需要的厚度变化和气动阻力，计算出合适的SMA丝直径，为驱动器的设计提供重要基础。本文探究了SMA丝束驱动器在变体飞行器中的应用，为变体飞行器的驱动器设计提供了新的结构方案，后续的工作将围绕验证SMA丝束的性能展开。

参考文献：

[1]王云.航空航天概论[M].北京航空航天大学出版社，2009.

[2]刘俊兵，王帮峰，芦吉云.基于SMA的差动式变体机翼后缘驱动器研究[J].兵器材料科学与工程，2015（4）.

[3]于东，张博明，梁军.形状记忆合金在航空工业中的应用研究进展[J].金属功能材料，2007，14（6）：27-32.

[4]杨凯.形状记忆合金的研究与应用[J].金属功能材料， 2000，7（5）：7-12.