一种浮力可调的机翼舵面结构的制作方法

1.本发明涉及跨介质航行器技术领域，特别是涉及一种浮力可调的机翼舵面结构。


背景技术：

2.随着航空科技的快速发展，国内外研究人员对跨介质航行器开展了广泛的研究，水的密度是空气的800倍，而且粘度更高，机构在水中操纵时，受力更大，被破坏的危险也更大，在机翼舵面上表现得尤为明显。
3.机翼舵面是飞机机翼后缘的铰接小翼面，可以通过舵机调整舵面的角度，进而为航行器提供操纵力矩，常规的舵面是密封结构，由蒙皮、肋和梁等结构组成，在水中运动时有漏水、蒙皮破裂的风险，密封结构漏水后排水困难，舵面内多余的水会增加结构整体重量，影响舵面工作；同时水中的阻力较大，舵机在操纵舵面运动和维持舵面偏转角的时候要施加较大的传动力，这会导致传动机构在大载荷作用下容易损坏，舵机运动能耗增加，舵面偏转效率降低。根据目前已公开的研究资料，还没有研究者针对上述问题设计一款适用于水中特性的机翼舵面，这也在一定程度上限制了跨介质航行器的发展。


技术实现要素：

4.针对现有技术中的上述问题，本发明旨在提供一种在水下可以调节浮力的机翼舵面结构，可以供跨介质航行器使用。
5.为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：提供了一种浮力可调的机翼舵面结构，安装在跨介质航行器上，其包括舵面骨架和浮力控制系统；舵面骨架包括两根间隔设置的横梁，两根横梁之间设置有多块翼肋，横梁和多块翼肋之间形成多个容纳腔；横梁和多块翼肋的顶部和底部分别固定连接有上蒙皮和下蒙皮；上蒙皮和下蒙皮上设置有与容纳腔连通的排水孔；浮力控制系统包括多个设置在容纳腔内的柔性气囊和用于实现多个柔性气囊充气和放气的气体调节装置。
6.本方案的基本原理为：整个浮力可调的机翼舵面结构是非密封设计的，故航行器在水下运动时，水会通过上蒙皮和下蒙皮上的排水孔进入容纳腔中，此时舵面主要受到舵面结构和舵面内积水的重力、舵面的浮力（主要是柔性气囊）和舵机的传动力，如果重力和浮力的大小相差较大，舵机需要提供较大的传动力以维持平衡，这时通过气体调节装置可以调节柔性气囊的体积，柔性气囊的体积直接影响舵面所受的浮力，实现了舵面的浮力可以调节的功能，可以调节舵面的浮力和重力大致平衡的状态；当柔性气囊体积迅速变化时，水可以通过排水孔快速进出舵面，维持压力平衡，减小上蒙皮和下蒙皮所受的载荷。
7.进一步地，作为柔性气囊在舵面骨架内的一种具体布置方式，多块翼肋的数量为4块，4块翼肋其中的两块分别设置于横梁的两端，剩余的两块间隔均匀设置于横梁的中部，4块翼肋与横梁连接后形成3个容纳腔；每个容纳腔内均匹配有一个柔性气囊，两个相邻的柔性气囊通过连接气管连通；
每个容纳腔均配合一个排水孔，排水孔用于排除容纳腔内的水。
8.舵面骨架内由肋板阻隔，不能设置成一个整体上的柔性气囊，所以要设置多个柔性气囊，且在充气时，在水压和气囊内部气压的作用下，第一个气囊的气体会快速向后面的气囊流动，整体膨胀速率比较同步，即使会出现短时间浮力不一致的情况，舵机的传力装置会产生反作用力平衡掉。
9.进一步地，作为气体调节装置的一种具体设计方式，气体调节装置包括进气瓶和排气瓶；进气瓶上连接有进气管，进气管上设置有电磁阀，进气管的自由端穿过翼肋与柔性气囊连通；排气瓶上连接有排气管，排气管上设置有可控止回阀，排气管的自由端穿过翼肋与柔性气囊连通。气体调节装置可以实现柔性气囊充气、柔性气囊放气和柔性气囊维持体积不变等功能，并通过上述功能调节舵面浮力。
10.具体地，需要实现柔性气囊充气功能时，电磁阀打开，气体从进气瓶通过进气管进入柔性气囊，实现充气功能，增加机翼舵面的浮力。
11.需要实现排气功能时，可控止回阀打开，气体从柔性气囊通过排气管排入水中，可控止回阀只允许单向流动，同时防止水通过排气管流入气囊。
12.可以同时关闭电磁阀和可控止回阀维持柔性气囊体积不变，或者同时打开电磁阀和可控止回阀，并保证进气量和排气量相同，维持柔性气囊体积的动态平衡。
13.进一步地，进气瓶和排气瓶分别布置于横梁的两端；进气瓶和排气瓶分别与位于横梁的两端的柔性气囊连通。进气瓶和排气瓶位于横梁的两端，可以优化整个机翼舵面结构的重量分配，以及可以实现多个柔性气囊的快速充气，加快调节舵面浮力的响应速度。
14.进一步地，电磁阀、进气管、柔性气囊、进气瓶、连接气管、排气管和可控止回阀之间密封连接，防止发生漏气和漏水的情况。
15.本发明的有益效果为：1、本方案中的浮力可调的机翼舵面结构是非密封设计的，相比于密封的舵面，加工工艺简单，外层蒙皮质量减轻，同时密封的舵面容易发生漏水后难以排出的情况，设计了多个排水孔，水可以通过排水孔进入舵面内部，与密封结构相比，蒙皮受载减小，同时进水和排水速度更快，效率更高，偏转舵面时可以减阻，减小传动力，减少舵机能耗，减小传动机构的载荷，可以增强跨介质飞行器的水下航行和机动性能。
16.2、本方案中的浮力可调的机翼舵面结构上设置有气体调节装置，通过气体调节装置可以调节柔性气囊的体积，柔性气囊的体积直接影响舵面所受的浮力，实现了舵面的浮力可以调节的功能，可以调节舵面的浮力和重力大致平衡的状态；当柔性气囊体积迅速变化时，水可以通过排水孔快速进出舵面，维持压力平衡，减小上蒙皮和下蒙皮所受的载荷。
附图说明
17.图1为一种浮力可调的机翼舵面结构省略了上蒙皮和下蒙皮的内部结构示意图。
18.图2为一种浮力可调的机翼舵面结构的结构示意图。
19.其中，1、电磁阀；2、进气管；3、翼肋；4、横梁；5、柔性气囊；6、进气瓶；7、连接气管；8、排气管；9、可控止回阀；10、下蒙皮；11、排水孔；12、上蒙皮。
具体实施方式
20.下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
21.如图1~2所示，本发明提供了一种浮力可调的机翼舵面结构，安装在跨介质航行器上，其包括舵面骨架和浮力控制系统；舵面骨架包括两根间隔设置的横梁4，两根横梁4之间设置有多块翼肋3，横梁4和多块翼肋3之间形成多个容纳腔；横梁4和多块翼肋3的顶部和底部分别固定连接有上蒙皮12和下蒙皮10；上蒙皮12和下蒙皮10上设置有与容纳腔连通的排水孔11。
22.浮力控制系统包括多个设置在容纳腔内的柔性气囊5和用于实现多个柔性气囊5充气和放气的气体调节装置。
23.本方案的基本原理为：整个浮力可调的机翼舵面结构是非密封设计的，故航行器在水下运动时，水会通过上蒙皮12和下蒙皮10上的排水孔11进入容纳腔中，此时舵面主要受到舵面结构和舵面内积水的重力、舵面的浮力（主要是柔性气囊5）和舵机的传动力，如果重力和浮力的大小相差较大，舵机需要提供较大的传动力以维持平衡，这时通过气体调节装置可以调节柔性气囊5的体积，柔性气囊5的体积直接影响舵面所受的浮力，实现了舵面的浮力可以调节的功能，可以调节舵面的浮力和重力大致平衡的状态；当柔性气囊5体积迅速变化时，水可以通过排水孔11快速进出舵面，维持压力平衡，减小上蒙皮12和下蒙皮10所受的载荷。
24.本方案中的浮力可调的机翼舵面结构是非密封设计的，相比于密封的舵面，加工工艺简单，外层蒙皮质量减轻，同时密封的舵面容易发生漏水后难以排出的情况，设计了多个排水孔11，水可以通过排水孔11进入舵面内部，与密封结构相比，蒙皮受载减小，同时进水和排水速度更快，效率更高，偏转舵面时可以减阻，减小传动力，减少舵机能耗，减小传动机构的载荷，可以增强水下航行器和跨介质飞行器的水下航行和机动性能。
25.优选但不局限地，作为柔性气囊5在舵面骨架内的一种具体布置方式，多块翼肋3的数量为4块，4块翼肋3其中的两块分别设置与横梁4的两端，剩余的两块间隔均匀设置于横梁4的中部，4块翼肋3与横梁4连接后形成3个容纳腔。
26.每个容纳腔内均匹配有一个柔性气囊5，两个相邻的柔性气囊5通过连接气管7连通；每个容纳腔均配合一个排水孔11，排水孔11用于排除容纳腔内的水。
27.舵面骨架内由肋板阻隔，不能设置成一个整体上的柔性气囊5，所以要设置多个柔性气囊5，且在充气时，在水压和气囊内部气压的作用下，第一个气囊的气体会快速向后面的气囊流动，整体膨胀速率比较同步，即使会出现短时间浮力不一致的情况，舵机的传力装置会产生反作用力平衡掉。
28.作为气体调节装置的一种具体设计方式，气体调节装置包括进气瓶6和排气瓶；进气瓶6上连接有进气管2，进气管2上设置有电磁阀1，进气管2的自由端穿过翼肋3与柔性气囊5连通。
29.排气瓶上连接有排气管8，排气管8上设置有可控止回阀9，排气管8的自由端穿过翼肋3与柔性气囊5连通。气体调节装置可以实现柔性气囊5充气、柔性气囊5放气和柔性气
囊5维持体积不变等功能，并通过上述功能调节舵面浮力。
30.具体地，需要实现柔性气囊5充气功能时，电磁阀1打开，气体从进气瓶6通过进气管2进入柔性气囊5，实现充气功能，增加机翼舵面的浮力。
31.需要实现排气功能时，可控止回阀9打开，气体从柔性气囊5通过排气管8排入水中，可控止回阀9只允许单向流动，同时防止水通过排气管8流入气囊。
32.可以同时关闭电磁阀1和可控止回阀9维持柔性气囊5体积不变，或者同时打开电磁阀1和可控止回阀9，并保证进气量和排气量相同，维持柔性气囊5体积的动态平衡。当柔性气囊5体积迅速变化时，水可以通过排水孔11快速进出舵面，维持压力平衡，减小上蒙皮12和下蒙皮10所受的载荷。
33.进气瓶6和排气瓶分别布置于横梁4的两端；进气瓶6和排气瓶分别与位于横梁4的两端的柔性气囊5连通。进气瓶6和排气瓶位于横梁4的两端，可以优化整个机翼舵面结构的重量分配，以及可以实现多个柔性气囊5的快速充气，加快调节舵面浮力的响应速度。
34.电磁阀1、进气管2、柔性气囊5、进气瓶6、连接气管7、排气管8和可控止回阀9之间密封连接，防止发生漏气和漏水的情况。

技术特征：
1.一种浮力可调的机翼舵面结构，其特征在于，包括舵面骨架和浮力控制系统；舵面骨架包括两根间隔设置的横梁（4），两根所述横梁（4）之间设置有多块翼肋（3），横梁（4）和多块所述翼肋（3）之间形成多个容纳腔；横梁（4）和多块所述翼肋（3）的顶部和底部分别固定连接有上蒙皮（12）和下蒙皮（10）；所述上蒙皮（12）和下蒙皮（10）上设置有与容纳腔连通的排水孔（11）；浮力控制系统包括多个设置在容纳腔内的柔性气囊（5）和用于实现多个所述柔性气囊（5）充气和放气的气体调节装置。2.根据权利要求1所述的机翼舵面结构，其特征在于，多块所述翼肋（3）的数量为4块，4块翼肋（3）其中的两块分别设置于所述横梁（4）的两端，剩余的两块间隔均匀设置于横梁（4）的中部，4块翼肋（3）与横梁（4）连接后形成3个容纳腔；每个容纳腔内均匹配有一个所述柔性气囊（5），两个相邻的柔性气囊（5）通过连接气管（7）连通；每个容纳腔均配合一个排水孔（11），排水孔（11）用于排除容纳腔内的水。3.根据权利要求1所述的机翼舵面结构，其特征在于，气体调节装置包括进气瓶（6）和排气瓶；进气瓶（6）上连接有进气管（2），所述进气管（2）上设置有电磁阀（1），进气管（2）的自由端穿过所述翼肋（3）与所述柔性气囊（5）连通；排气瓶上连接有排气管（8），所述排气管（8）上设置有可控止回阀（9），排气管（8）的自由端穿过翼肋（3）与柔性气囊（5）连通。4.根据权利要求3所述的机翼舵面结构，其特征在于，所述进气瓶（6）和排气瓶分别布置于所述横梁（4）的两端；进气瓶（6）和排气瓶分别与位于横梁（4）的两端的柔性气囊（5）连通。5.根据权利要求4所述的机翼舵面结构，其特征在于，所述电磁阀（1）、进气管（2）、柔性气囊（5）、进气瓶（6）、连接气管（7）、排气管（8）和可控止回阀（9）之间密封连接。

技术总结
本发明公开了一种浮力可调的机翼舵面结构，涉及跨介质航行器技术领域，其包括舵面骨架和浮力控制系统；舵面骨架包括两根间隔设置的横梁，两根横梁之间设置有翼肋，横梁和翼肋之间形成多个容纳腔；横梁和多块翼肋上固定有上蒙皮和下蒙皮；上蒙皮和下蒙皮上设置有排水孔；浮力控制系统包括多个设置在容纳腔内的柔性气囊和气体调节装置，浮力可调的机翼舵面结构是非密封设计的，相比于密封的舵面，加工工艺简单，外层蒙皮质量减轻，同时密封的舵面容易发生漏水后难以排出的情况，同时蒙皮受载减小，进水和排水速度更快，效率更高，偏转舵面时可以减阻，减小传动力，减少舵机能耗，减小传动机构的载荷，可以增强跨介质航行器的水下航行和机动性能。和机动性能。和机动性能。


技术研发人员：吴文华 高福奎 余雷 白兴之 杨伟 周后村 苏运来 鞠金龙 李迎翔 邢贝贝 李鹏 卢星宇
受保护的技术使用者：中国空气动力研究与发展中心空天技术研究所
技术研发日：2022.04.21
技术公布日：2022/5/25