折疊式飛行器機翼展開裝置的技術研究

摘 要：折疊式飛行器機翼在空中展開過程中，機翼展開裝置工況多變，機翼受力情況復雜， 因此對展開裝置提出了較高的技術要求。本文結合工程實踐，對機翼展開過程、機翼展開過程中 的受力分析等問題進行討論，并總結了展開裝置的主要設計特點及關鍵部件的設計難點。

關鍵詞：機翼展開裝置；翼展過程；設計特點

中圖分類號：V224+.4 文獻標識碼：B 文章編號：1673-5048（2014）06-0028-04

ResearchofUnfoldingDeviceofFoldingWingAircraft

XUYunfei，ZHANGZhijian，YANYongfu，FEIXiaowei

（ChengduAircraftIndustrial（Group）Co.Ltd，Chengdu610092，China）

Abstract：Whenthewingsoffoldingwingaircraftunfoldingintheair，thestatusoftheunfolding devicearechangeableandtheforcesonthewingarecomplicated，thesefortheunfoldingdeviceputfore wordahighertechnicalrequirement.Inthispaper，theexpansionprocessandtheforcesonthewings duringtheexpansionprocessareanalyzedintegratingwiththeengineeringpractice.Theprincipledesign featureofunfoldingdevicealongwiththeaporiaofthedesignofcriticalcomponentisthensummarized.

Keywords：wingunfoldingdevice；expandingprocess；designcharacter

0 引 言

折疊式飛行器由于其折疊后體積小，便于地 面筒（箱）式發射、空中載機攜帶投放等特點，展 開后又具備飛行器的飛行功能，其應用領域在不 斷擴大。折疊式飛行器一項最關鍵的技術就是對 機翼展開裝置的設計。

在進行折疊式機翼展開裝置設計時，由于其 工況多變，需要對其空中展開過程及翼展機構進 行研究，掌握飛行器機翼在空中投放后自由落體 狀態的受力機理和分析方法。本文結合工程實踐， 提出折疊式飛行器機翼展開裝置在工程化設計與 分析時需要考慮的主要因素，并對其影響機理進 行初步分析。

1 機翼的展開

1.1 空中展開的類型

折疊式飛行器機翼空中展開通常有兩種類型， 即穩態翼展和動態翼展。

（1）穩態翼展。穩態翼展包括載機在穩定飛 行狀態下的空投、地（海）面發射裝置的高壓氣體/ 火箭彈射等，其特點是折疊飛行器在投放前或投 放中，由載機或地面投放裝置建立速度及穩定姿 態，同時在折疊式飛行器姿態未受到擾動時迅速 展開機翼并建立飛行及控制。較為常見的使用包 括滑翔彈（美制AGM-154JSOW）、部份折疊式無 人機（俄制P-90）等，如圖1所示[1]。

穩態翼展的優點是翼展過程工況簡單，較為 常規的氣動仿真及運動方程即可解決其相關工程 應用問題，并可通過風洞試驗加以驗證。但要求飛 行器自身具有較高的蒙皮剛度，能夠直接承受折 疊狀態飛行時的大動壓。

（2）動態翼展。動態翼展是指折疊式飛行器 在展開前處于自由落體狀態，伴隨有隨機姿態變 化，通過機翼展開，建立飛行狀態的氣動外形，利 用其自身氣動特性，或結合主動控制，強迫飛行器 穩定姿態并建立飛行及控制的方式。

動態翼展的特點與穩態翼展相反，在翼展前 及翼展過程中，機體初始姿態不確定，姿態變化趨 勢不確定，對展開裝置設計非常不利。但因其可通 過吊艙等實現間接投放，折疊式飛行器自身不需 要承受載機飛行速度的動壓或發射中產生的加大 過載，有利于降低飛行器重量。

通過對比上述兩種翼展類型可知，二者具有 優劣互補的特點，各自有其自身適應的使用方向。 在具體應用中應根據具體需求等進行合理選擇。 下文著重分析動態翼展方式。

1.2 翼展方式

根據儲能部件及驅動機構的不同，主要有兩 種翼展方式，如圖2所示。

（1）機構驅動展開。通常采用連桿機構或其 他運動機構，輸出扭矩驅動機翼翼根處的轉軸轉 動，帶動機翼展開。常見的儲能部件包括彈簧和火 工品等。

（2）燃氣驅動展開。在翼梢附近安裝燃氣發 生裝置，利用其燃氣反沖的作用力驅動機翼展開。

2 動態翼展受力分析

機翼展開過程的運動本質是機翼繞其轉軸在 一定角度內的轉動。在轉動過程中，需要考慮的影 響因素[2-4]包括：

（1）機翼氣動力在轉動平面內的分量；

（2）飛行器自由落體過程中機翼轉動受到的 科氏力；

（3）機翼受自身轉動慣量產生的慣性力； （4）機翼轉軸與機身支撐結構間的摩擦力； （5）機翼氣動載荷對機翼轉軸的彎矩及機翼 轉軸形變產生的卡滯。

翼展過程本質要求翼展裝置輸出的展開力矩 Md大于上述影響因素對機翼的合作用力矩，即阻滯 力矩Mb，在剩余力矩Md-Mb的作用下，機翼產生 角加速度并實現轉動展開。在上述5個因素中，以 氣動力分量和摩擦力對阻滯力矩Mb影響最大。

2.1 氣動力對展開的影響

氣動力與飛行器在機翼展開前及機翼展開過 程中的狀態和姿態關系緊密，具體包括飛行器在 機翼展開過程中機體的落體速度、展開過程中的 機體迎角、側滑角等。

落體速度直接影響到氣動力的數值大小，但 同時因為機翼開始展開的時間可控，因此落體速 度對機翼展開的影響是可預計并可控的。

機體迎角不僅影響氣動力的數值大小，同時 影響氣動力的方向。特別需要注意的是，考慮到飛 行器在投放后，姿態運動隨機，因此該因素對機翼 展開的影響無法準確預計并控制。所以，只能較為 粗略地對其進行初步分析，并在分析結果的基礎 上，通過對機翼展開裝置的合理設計來兼顧氣動 力反向對展開的影響。

在機翼展開的過程中，機翼展開不同的角度 對姿態的變化會有進一步的影響。包括在展開過 程中，有可能會出現短時氣動壓心靠前的氣動構 型，此時會對機體產生抬頭力矩，進一步造成機翼 的俯仰運動，同時，機翼轉動中任一姿態受到的氣 動力，有可能會阻礙機翼轉動或有利于機翼轉動。 如圖3所示。

如果Cysinα>Cxcosα，即K>cotα。則機翼在 展開過程中所受到的氣動力（升力和阻力）在弦平 面上的分量將會產生一個前向的合力。若機翼由 前向后展開，則該合力對機翼的展開產生不利影 響。風洞試驗結果也證實了模型在大于某個迎角 時，機翼受到向前的載荷。但同時，若機體迎角小 于該臨界迎角，則氣動力將有利于機翼展開。即在 機翼展開過程中，受到機體姿態變化的影響，氣動 力對機翼展開過程的影響會有反號現象。這對機 翼展開裝置的設計非常不利[6]。

此外，當飛行器迎角大于90°后，氣流改由機 翼后緣向機翼前緣流動，與正常飛行時完全相反 （如圖4所示）。對氣動力的計算分析以及機翼展 開裝置的設計同樣造成不利影響，但該狀態下的 計算方法等，本文不再贅述。

2.2 摩擦力對展開的影響

機翼在轉動過程中，展開裝置自身、機翼轉軸 與機身之間等均會不同程度地受到摩擦力的影響。 對摩擦力的大小是可以進行估算及控制的。在產 生摩擦力的不同因素中，機翼轉軸因為翼載彎矩 造成的彎曲變形產生的摩擦力較為特殊且需要引 起重視。該摩擦力可通過對機翼轉軸的合力受力 形式以及增剛等進行有效控制。

3 展開裝置的設計

3.1 設計特點

展開裝置應具有如下特點：

（1）能量密度高，能量釋放持續穩定。機構驅 動展開方式的裝置往往受空間限制，通常都處于機 翼轉軸附近，力臂小；而機翼在展開過程中受到的 阻滯力主要隨飛機的速度和迎角不同而不同，但阻 滯力臂比展開裝置的力臂通常大了不止一個數量 級，這就要求展開裝置能夠具有較高儲能密度，以 滿足展開力矩的要求，及折疊式飛行器對展開裝置 輕量化、小尺寸的要求。同時裝置應能持續穩定的 輸出能量，控制機翼展開過程中受到的慣性力等。

（2）自身能夠耗散展開到位停止時的剩余能 量。無論哪種翼展類型，其翼展過程中受到的氣動 力都會因姿態變化而改變，進而影響到翼展過程。 因氣動力可能因姿態不同而作用方向相反，在不 同架次會分別隨機出現有利和不利兩種情況。因 此展開裝置不僅需要能夠在最惡劣工況下實現機 翼展開的功能，還必須能夠承受在有利于機翼展 開的工況下機翼展開到位后的沖擊并耗散其沖擊 能量，以保護機翼結構的完整性。

3.2 儲能部件分析

以機翼分別向前、向后兩種不同展開方向為 例，建立算例分析可知，同樣機翼在不同展開方向 及不同迎角時，所受氣動力產生的阻滯力矩（如圖 5～6）特點相似，即阻滯力矩隨機翼展開角度的增 大而增大（向后展開的機翼在展開一定角度后，阻 滯力矩有所減小）。

翼展裝置的設計重點在于針對選定翼展方式 后的儲能部件設計。據前文所述，儲能部件應能夠 持續穩定地輸出動力，使翼展裝置展開力矩Md在 任意時刻均大于阻滯力矩Mb。由圖7可知，在算 例中，以彈簧為儲能部件的方案難以實現在展開 轉動全過程中Md-Mb>0的要求，若提高其在 35°～90°之間的展開力矩，則要求初始能量較大， 對展開結束時的減速緩沖設計不利，且彈簧容易 出現應力松弛[7]等問題。若采用火工品作為儲能 部件，其展開力矩Md與阻滯力矩Mb有較好的跟 隨性，且能夠滿足Md-Mb>0的要求。

由上可知，彈簧儲能線性輸出、輸出前大后小 的特點與機翼展開過程中氣動力阻滯力矩前小后 大的特點不符，并不適合于作為翼展裝置的儲能 部件。但因其操作方便且成本低，在阻滯力矩Mb較小時，可以考慮選用彈簧儲能。但當翼展裝置的 阻滯力矩Mb較大以及受到空間限制時，應考慮采 用火工品等能量密度更大的儲能部件。

4 結 論

通過研究及試驗驗證，折疊式飛行器機翼展 開裝置的設計達到了預期效果。驗證了機翼展開 過程機理分析的正確性和機翼展開裝置設計特點 的正確性。

參考文獻：

[1]《世界無人機大全》編寫組.世界無人機大全[M].北 京：航空工業出版社，2004.

[2]謝傳鋒.動力學[M].北京：高等教育出版社，2005.

[3]郭小良，裴錦華，楊忠清，等.無人機折疊機翼展開運 動特性研究[J].南京航空航天大學學報，2006，38（4）.

[4]謝傳鋒，王琪，程耀，等.理論力學[M].北京：高等教育 出版社，2009.

[5]方振平，陳萬春，張曙光.航空飛行器飛行動力學[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2005.

[6]錢翼稷.空氣動力學[M].北京：北京航空航天大學出 版社，2004.

[7]張少實.新編材料力學[M].北京：機械工業出版社， 2002.