“擷抗式”SMA驅(qū)動器的設計及在變厚度機翼中的應用

楊開元

（濟寧市兗州區(qū)第一中學，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，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而廣泛應用于變體飛行器、變循環(huán)發(fā)動機和衛(wèi)星等領域。形狀記憶效應是指當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變，此時對SMA加熱至相變溫度之上，殘余應變會消失，SMA完全恢復到加載前的形狀。利用形狀記憶效應，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)動器設計

2.1 “擷抗式”SMA驅(qū)動器結(jié)構(gòu)設計

本文利用形狀記憶合金絲的形狀記憶效應和主動變形的特點設計了擷抗式”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、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，當需要橫板向上運動時，利用電流加熱被預拉伸處理的SMA-1a絲和SMA-1b絲（預拉伸的長度需要根據(jù)SMA絲的回復性能確定），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絲回到了預拉伸狀態(tài)。至此，驅(qū)動器恢復到初始狀態(tài)，實現(xiàn)了驅(qū)動器的往復驅(qū)動。

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

3 變體機翼的設計

3.1 變厚度機翼的設計思路

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；當飛行條件改變，需要降低機翼厚度恢復初始厚度時，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雜多樣的高度，從而使機翼具有多種厚度，可以適應更復雜多變的飛行環(huán)境。

圖2 變體機翼的設計

4 結(jié)語

本文首先利用形狀記憶合金設計了一種新型的“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，設計了一種能夠主動變形、可往復驅(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。