一种基于形状记忆合金驱动的仿生飞行器变形头锥装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种基于形状记忆合金驱动的仿生飞行器变形头锥装置，包括：1节环形外壳，3节仿蜜蜂腹部外壳的背板外壳和腹板外壳，1节锥顶外壳，其中，每节背板和腹板可组成近似1节环形外壳；多个连接机构，连接背板外壳与腹板外壳；多个由形状记忆合金驱动的伸缩机构，位于每级外壳之间，采用菱形机构，驱动相邻外壳改变其轴向距离；多个由形状记忆合金驱动的弯曲机构，位于每级外壳之间，采用含菱形的六杆机构，驱动相邻外壳改变其相对角度。该装置能够实现飞行器头锥的伸缩和单向向下弯曲变形，具有设计精巧、机构可靠性高的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及航空航天
，提供了一种基于形状记忆合金驱动的仿生飞行器变形头锥装置。
技术介绍
飞行器头锥是飞行器前端的部分，可降低飞行时在大气层中穿行所产生的摩擦阻力和压差阻力。飞行器飞行速度较低时，适合使用较钝的流线型头锥；但当飞行器提速至音速以上时，需要尖锐的头锥以突破音障。空天飞行器要经历在大气层和太空中飞行，并再入大气层等特殊环境，在每个阶段对其结构的气动布局有不同的要求。变体空天飞行器能够自主地实现可变气动构形，可增大发射和返回着陆的窗口期，具有机动灵活、高速飞行和实时打击等优势，不仅能显著加快战争节奏，实现快速全球打击，对现有的军事作战具有重要意义。目前相关技术中的变体飞行器设计主要集中在机翼领域，头锥领域的变形技术研究较少。目前现有的飞行器变形头锥装置仅有中国专利CN105346702A，采用液压驱动连杆弯曲机构与电机驱动折叠杆伸缩机构分别实现头锥的伸缩和弯曲变形，其特点在于机构安装在相邻环形体节的内壁和外壁之间，伸缩机构和弯曲机构布置在不同的子体节级间，子体节级数较多。基于蜜蜂腹部变形机制的研究ZhaoJ,YanS,WuJ,etal.CriticalStructureforTelescopicMovementofHoneybee(Insecta:Apidae)Abdomen:FoldedIntersegmentalMembrane.JournalofInsectScience,2016,16(1)阐述了蜜蜂科昆虫腹部背腹板的结构。蜜蜂科昆虫腹部外壳由6节背腹板组成，且腹部节间褶的“Z-S”构型具有高度机动的伸缩能力和单侧弯曲变形能力，这一发现对设计高机动性和特殊变形需求的空天变体飞行器结构具有很大的启发。空天飞行器经历在大气层和太空中飞行，并再入大气层等复杂环境，在不同飞行阶段有不同的最优气动构型要求。借鉴节间褶的“Z-S”构型，探索能自主地改变气动外形的头锥结构，通过上升段和再入段的头锥钝度变化来改善受热分布、消除或减少激波阻力，这将是研制新型高性能空天飞行器的一种有效途径。形状记忆合金是具有形状记忆效应的一种功能材料。该材料在外力作用下变形并卸载后，可通过加热的方式使其恢复到原来的外形和尺寸，即具有形状记忆效应。形状记忆效应分为多类，其中一类双程记忆效应合金在加热时变为高温相形状，冷却时能恢复低温相形状，可用于变形头锥两种形态变换的控制。形状记忆合金是一种有别于传统驱动设备的驱动元件，其优点在于机械结构简单，驱动耗能小。在实际应用中，可通过对合金丝通电热触发的方式改变其温度，从而改变机构形态。现有技术中亟需一种可以自主实现可变气动构形，且子节级数较少的飞行器头锥。
技术实现思路
本专利技术考虑到现有飞行器变形头锥装置研究的不足，提出了一种基于形状记忆合金驱动的仿生飞行器变形头锥。该装置包含仿生头锥外壳和变形机构，能够实现飞行器头锥在飞行过程中的伸缩和弯曲变形。本专利技术采用的技术方案如下：一种基于形状记忆合金驱动的仿生飞行器变形头锥装置，包括头锥外壳、连接机构、伸缩机构和弯曲机构，所述头锥外壳分为五级，沿前、后方向布置，第一级头锥外壳为环形头锥外壳，直径最大，第一级头锥外壳作为后方；第二级、第三级和第四级头锥外壳均为仿蜜蜂腹部的仿生头锥外壳，所述仿生头锥外壳包括背板外壳和腹板外壳，第二级、第三级至第四级的所述仿生头锥外壳的直径依次递减，背板外壳与同级的腹板外壳之间通过连接机构连接，组成近似环形结构；第五级头锥外壳为锥顶外壳，其呈锥筒状，第五级作为前方，形成所述头锥外壳的锥顶；所述相邻各级头锥外壳之间均安装有伸缩机构和弯曲机构。优选地，所述仿生头锥外壳的背板外壳呈约240°弧形，所述仿生头锥外壳的腹板外壳呈约120°弧形，所述连接机构安装在所述背板外壳和同级的所述腹板外壳内侧；所述第一级头锥外壳为整体式环形头锥外壳，所述第五级头锥外壳为前端呈半球壳形的锥筒状的锥顶外壳；各级头锥外壳内侧上端和下端均安装有平板和导轨，用于与所述伸缩机构和所述弯曲机构连接。优选地，所述连接机构包括辐条固定结构、连接杆件、滑道和滑块；辐条固定结构是由相间约120°的3根辐条组成的平面辐射结构，所述辐条固定结构与本级的所述背板外壳固定连接；所述滑道与本级的所述腹板外壳内侧固定连接，所述滑道的轨道沿轴向方向延伸；滑块安装在滑道上，可沿滑道做轴向直线运动；所述连接杆件一端与所述滑块铰接，另一端与所述辐条固定结构的中心铰接；所述连接机构在所述仿生飞行器变形头锥装置变形过程中允许所述背板外壳与所述腹板外壳之间发生轴向相对运动和偏转运动。优选地，所述伸缩机构分别安装在各级头锥外壳之间的上端和下端，用于连接相邻的所述头锥外壳以实现伸缩功能，所述伸缩机构位于关于左右对称的竖直平分面内，所述伸缩机构的数量为8件，除第四级与第五级间下端的所述伸缩机构外，其余7件所述伸缩机构均采用形状记忆合金驱动。优选地，所述伸缩机构采用菱形机构，由4根连杆组成，包括2根短杆和2根长杆，各所述短杆两端均设有铰孔，各所述长杆的两端和中部均设有铰孔；2根所述短杆相互铰接连接，并分别与2根所述长杆中部的铰孔铰接连接，形成菱形杆组；2根所述长杆一端相互铰接连接，另一端分别与本级所述头锥外壳内的平板和下一级所述头锥外壳内的平板铰接；形状记忆合金连接2根所述短杆相互连接的铰接点和2根所述长杆相互连接的铰接点，在温度改变时其长度随之发生变化，从而改变菱形杆组的形状，实现伸缩机构的功能。优选地，所述弯曲机构分别安装在各个所述伸缩机构的两侧，关于竖直平分面对称布置，其中所述第四级仿生头锥外壳的下端与所述第五级锥顶外壳的下端之间不安装，所述弯曲机构的数量为7件，所述弯曲机构采用形状记忆合金驱动。优选地，所述弯曲机构采用含菱形的六杆机构，包括2根C形长杆和8根短杆组成的两件相同的六杆机构，由同步杆约束其同步运动；所述C形长杆一端与本级所述头锥外壳平板上的轨道滑动连接，可沿轴向直线滑动，另一端与下一级所述头锥外壳平板铰接，且与所述伸缩机构的长杆共用同一铰链轴；4根所述短杆首尾铰接组成菱形杆组，其中一铰接点与下一级头锥外壳平板铰接，对角点与C形长杆中部铰接，另外两个铰接点之间连接形状记忆合金，通过改变温度变形后驱动菱形杆组形状改变，从而使下一级头锥外壳围绕C形长杆与下一级头锥外壳的铰接点转动。本专利技术的技术效果为：本专利技术研制了一种基于形状记忆合金驱动的仿生飞行器变形头锥装置，其功能在于可以仿照蜜蜂腹部的伸缩以及单向向下弯曲运动进行变形，以适应空天变体飞行器的技术要求。本专利技术基于形状记忆合金驱动的仿生飞行器变形头锥装置具有能够实现飞行器头锥在飞行过程中的伸缩和弯曲变形，具有设计精巧、机构可靠性高的优点。附图说明图1是本申请的基于形状记忆合金驱动的仿生飞行器变形头锥装置的整体结构示意图；图2是本申请的伸缩机构和弯曲机构在头锥外壳内部的布置方案剖视示意图；图3是本申请的第二至第四级仿生头锥外壳及其连接机构示意图；图4是本申请的连接机构滑块与滑道细节示意图；图5是本申请的伸缩机构结构示意图；图6是本申请的弯曲机构结构示意图；图7是本申请的伸缩机构与弯曲机构安装关系示意图；图8是本申请的伸缩机构、弯曲机构和连接机构安装关系示意图；图9是本申请的伸缩机构与弯曲机构在第四级与第五本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于形状记忆合金驱动的仿生飞行器变形头锥装置，包括头锥外壳、连接机构、伸缩机构和弯曲机构，其特征在于：所述头锥外壳分为五级，沿前、后方向布置，第一级头锥外壳为环形头锥外壳，直径最大，第一级头锥外壳作为后方；第二级、第三级和第四级头锥外壳均为仿蜜蜂腹部的仿生头锥外壳，所述仿生头锥外壳包括背板外壳和腹板外壳，第二级、第三级至第四级的所述仿生头锥外壳的直径依次递减，背板外壳与同级的腹板外壳之间通过连接机构连接，组成近似环形结构；第五级头锥外壳为锥顶外壳，其呈锥筒状，第五级作为前方，形成所述头锥外壳的锥顶；所述相邻各级头锥外壳之间均安装有伸缩机构和弯曲机构。

【技术特征摘要】
1.一种基于形状记忆合金驱动的仿生飞行器变形头锥装置，包括头锥外壳、连接机构、伸缩机构和弯曲机构，其特征在于：所述头锥外壳分为五级，沿前、后方向布置，第一级头锥外壳为环形头锥外壳，直径最大，第一级头锥外壳作为后方；第二级、第三级和第四级头锥外壳均为仿蜜蜂腹部的仿生头锥外壳，所述仿生头锥外壳包括背板外壳和腹板外壳，第二级、第三级至第四级的所述仿生头锥外壳的直径依次递减，背板外壳与同级的腹板外壳之间通过连接机构连接，组成近似环形结构；第五级头锥外壳为锥顶外壳，其呈锥筒状，第五级作为前方，形成所述头锥外壳的锥顶；所述相邻各级头锥外壳之间均安装有伸缩机构和弯曲机构。2.根据权利要求1所述的基于形状记忆合金驱动的仿生飞行器变形头锥装置，其特征在于：所述仿生头锥外壳的背板外壳呈约240°弧形，所述仿生头锥外壳的腹板外壳呈约120°弧形，所述连接机构安装在所述背板外壳和同级的所述腹板外壳内侧；所述第一级头锥外壳为整体式环形头锥外壳，所述第五级头锥外壳为前端呈半球壳形的锥筒状的锥顶外壳；各级头锥外壳内侧上端和下端均安装有平板和导轨，用于与所述伸缩机构和所述弯曲机构连接。3.根据权利要求1所述的基于形状记忆合金驱动的仿生飞行器变形头锥装置，其特征在于：所述连接机构包括辐条固定结构、连接杆件、滑道和滑块；辐条固定结构是由相间约120°的3根辐条组成的平面辐射结构，所述辐条固定结构与本级的所述背板外壳固定连接；所述滑道与本级的所述腹板外壳内侧固定连接，所述滑道的轨道沿轴向方向延伸；滑块安装在滑道上，可沿滑道做轴向直线运动；所述连接杆件一端与所述滑块铰接，另一端与所述辐条固定结构的中心铰接；所述连接机构在所述仿生飞行器变形头锥装置变形过程中允许所述背板外壳与所述腹板外壳之间发生轴向相对运动和偏转运动。4.根据权利要求1所述的基于形状记忆合金驱动的仿生飞行器变形头锥装置，其特征在于：所述伸缩机构分别安装在各级头锥外壳...

【专利技术属性】
技术研发人员：果晓东，张兆宇，阎绍泽，赵杰亮，刘涛，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11