專利名稱：承受流體流的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在使用中承受流體流的結(jié)構(gòu)。更具體地但非排他性地，本發(fā)明涉及尤其是飛行器的翼片裝置(aerofoil device)，比如螺旋槳飛行器(比如直升機(jī))的旋翼槳葉 (rotor blade)或者非螺旋槳飛行器的機(jī)翼。然而，本發(fā)明也涉及其它翼片裝置，比如(僅僅只是例子)推進(jìn)器和渦輪葉片，更 一般地，本發(fā)明涉及在使用中承受流體流以及在使用中需要改變裝置的至少一部分的幾何 形狀以便影響流體流的任何結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
例如，旋翼槳葉具有主體，主體的外表面包括上弧形表面和下弧形表面、前緣和后 緣、槳葉翼尖和翼根。具體地，槳葉的后緣可以附接有比如(僅僅只是例子)襟翼(flap) 的控制表面，控制表面的位置是可變的以影響經(jīng)過該裝置的流體流，從而比如在盤旋和向 前飛行之間的轉(zhuǎn)換期間提高槳葉的性能。例如，襟翼可以從直升機(jī)向前飛行時(shí)通常所處的 上升位置下降到下降位置，從而提高盤旋時(shí)的性能。已知的翼片裝置在翼片主體的后緣處具有副翼、配平片和襟翼，這提供了氣流控 制表面以改變翼片的有效弧形。通常，這種控制表面與主翼片本體分開并且能夠通過一個(gè) 或多個(gè)致動(dòng)器相對(duì)于主翼片本體運(yùn)動(dòng)，當(dāng)控制表面相對(duì)于主翼片結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到期望位置時(shí)， 該一個(gè)或多個(gè)致動(dòng)器用來(lái)將控制表面保持在該位置。這種現(xiàn)有技術(shù)的翼片的例子如圖2a 所示。用附圖標(biāo)記15表示的主翼片裝置在其后緣22處具有控制表面即襟翼30，襟翼30相 對(duì)于翼片結(jié)構(gòu)15的主體15a樞轉(zhuǎn)，并且能夠上、下運(yùn)動(dòng)來(lái)改變用于不同飛行狀況的翼片的 有效弧形。控制表面30通過致動(dòng)器進(jìn)行樞轉(zhuǎn)，該致動(dòng)器還用來(lái)將控制表面30 (從而有效弧 形)的位置保持在所選位置上。對(duì)于翼片裝置控制表面，已經(jīng)提出將雙穩(wěn)復(fù)合材料用于該裝置的外表面部分。這 種材料的幾何形狀可以通過某種致動(dòng)器而在一個(gè)穩(wěn)定幾何形狀和另一個(gè)穩(wěn)定幾何形狀之 間變化。然而迄今為止，這種方案在實(shí)踐過程中難以在確保雙穩(wěn)外表面部分材料能夠提供 足夠的結(jié)構(gòu)剛度來(lái)抵抗由于使用中流體流過外表面部分時(shí)受到的動(dòng)態(tài)流體負(fù)荷而導(dǎo)致的 幾何形狀扭曲的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)雙穩(wěn)幾何形狀之間可靠的改變。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一個(gè)方面，提供在使用中承受流體流的裝置，所述裝置包括外表 面部分，所述外表面部分的幾何形狀是可變的以影響所述流體流，所述裝置包括支撐所述 外表面部分的支撐結(jié)構(gòu)，所述支撐結(jié)構(gòu)包括多個(gè)由復(fù)合材料制成的支撐構(gòu)件，所述支撐結(jié) 構(gòu)的幾何形狀能夠通過致動(dòng)設(shè)備在第一穩(wěn)定幾何形狀和第二穩(wěn)定幾何形狀之間改變，以便 實(shí)現(xiàn)所述外表面部分的幾何形狀的變化。通過使用具有雙穩(wěn)幾何形狀的復(fù)合材料，其中該復(fù)合材料用于內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)的支撐 構(gòu)件而不是裝置的外表面部分，本發(fā)明提供了更大的設(shè)計(jì)靈活性，確保了復(fù)合材料構(gòu)件的幾何形狀在第一和第二穩(wěn)定幾何形狀之間的可靠改變，因而確保了更加可靠地實(shí)現(xiàn)外表面 部分的幾何形狀的改變，同時(shí)為外表面部分提供抵抗由于使用中流體流過外表面部分時(shí)經(jīng) 受的動(dòng)態(tài)流體負(fù)荷所導(dǎo)致的幾何形狀扭曲所需的剛度。然而，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，在無(wú)需受到當(dāng)幾何形狀分別改變?yōu)榈诙虻谝环€(wěn)定幾 何形狀時(shí)來(lái)自致動(dòng)設(shè)備的任何影響的情況下，所述裝置的復(fù)合材料構(gòu)件維持第一或第二穩(wěn)定幾何形狀。因?yàn)楸景l(fā)明中用到的致動(dòng)設(shè)備不需要維持裝置的幾何形狀，所以不需要維持幾何 形狀的動(dòng)力，并且可以設(shè)置比常規(guī)致動(dòng)設(shè)備需要較少部件的更輕的設(shè)備。這與比如圖2a所示的常規(guī)翼片形成對(duì)照，在常規(guī)翼片中，致動(dòng)器不僅用來(lái)通過移 動(dòng)控制表面而改變翼片的幾何形狀，還用來(lái)通過將控制表面保持在所選位置上而維持翼片 的幾何形狀。盡管可以使用能夠改變復(fù)合材料構(gòu)件幾何形狀的任何致動(dòng)設(shè)備，比如機(jī)械致動(dòng) 器、壓電致動(dòng)的致動(dòng)器或電致動(dòng)器(僅僅作為示例)，但是在各種情況下優(yōu)選的是，致動(dòng)設(shè) 備通過向復(fù)合材料構(gòu)件的一部分施加機(jī)械力來(lái)實(shí)現(xiàn)第一和第二穩(wěn)定幾何形狀之間的改變。為了確保支撐結(jié)構(gòu)為外表面部分提供足夠的結(jié)構(gòu)剛度以抵抗由于使用中流體流 過外表面部分時(shí)經(jīng)受的動(dòng)態(tài)流體負(fù)荷所導(dǎo)致的幾何形狀扭曲，所述支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)選地位于所 述裝置的內(nèi)部，并且包括多個(gè)復(fù)合材料支撐構(gòu)件。在一個(gè)例子中，所述支撐構(gòu)件或各個(gè)支撐構(gòu)件的復(fù)合材料為疊層復(fù)合材料，所述 疊層復(fù)合材料包括多個(gè)嵌入固化基質(zhì)材料中的纖維疊層，所述纖維疊層中的至少一個(gè)包括 在基質(zhì)材料固化之前被施加應(yīng)力的纖維區(qū)域。所述復(fù)合材料構(gòu)件或各個(gè)復(fù)合材料構(gòu)件的疊 層的纖維優(yōu)選地基本上在該疊層內(nèi)對(duì)準(zhǔn)，所述構(gòu)件或各個(gè)構(gòu)件中作為預(yù)加應(yīng)力纖維的任何 纖維沿同一方向延伸，以便在內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)中形成單一方向的應(yīng)力場(chǎng)。通過形成單一方向的應(yīng)力場(chǎng)，在從一個(gè)穩(wěn)定幾何形狀改變?yōu)榱硪粋€(gè)穩(wěn)定幾何形狀 的情況下，復(fù)合材料構(gòu)件將會(huì)彎曲而不是翹曲(warp)，從而實(shí)現(xiàn)由支撐結(jié)構(gòu)支撐的外表面 部分的幾何形狀的最大改變。從而，在具有多個(gè)復(fù)合材料構(gòu)件的情況下，各個(gè)構(gòu)件的幾何形狀可以通過致動(dòng)設(shè) 備沿單一方向作用的力而改變，并且多個(gè)構(gòu)件可以一起為外表面部分提供所需的剛度。復(fù)合材料的纖維可為玻璃纖維或碳纖維，或者其它甚至可能未出現(xiàn)的合適纖維， 同時(shí)基質(zhì)材料優(yōu)選地為諸如環(huán)氧樹脂的不受使用中可能經(jīng)受的溫濕變化影響的材料。用于所述外表面部分的所述支撐結(jié)構(gòu)可包括錨定部，各個(gè)復(fù)合材料構(gòu)件的一個(gè)端 部保持到所述錨定部。用于所述復(fù)合材料構(gòu)件或各個(gè)復(fù)合材料構(gòu)件的錨定部可由裝置的翼 梁中的相應(yīng)凹口提供，復(fù)合材料構(gòu)件的一個(gè)端部可以通過任何期望的固定方式(比如粘合 齊U)固定在相應(yīng)的凹口中。在內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)包括多個(gè)復(fù)合材料構(gòu)件的情況下，各個(gè)構(gòu)件的與由錨定部保持的所 述一個(gè)端部相對(duì)的端部以允許構(gòu)件在相對(duì)端部處進(jìn)行有差別的運(yùn)動(dòng)的方式保持在一起。因 為所述相對(duì)端部彼此之間不是剛性地(就像所述一個(gè)端部那樣)固定，所以復(fù)合材料構(gòu)件 將不會(huì)阻礙其它復(fù)合材料構(gòu)件的幾何形狀的改變。在所述復(fù)合材料構(gòu)件或各個(gè)復(fù)合材料構(gòu)件包括均基本上與單一方向的應(yīng)力場(chǎng)對(duì) 準(zhǔn)的纖維的情況下，所述構(gòu)件或各個(gè)構(gòu)件可以從所述錨定部沿應(yīng)力場(chǎng)的方向延伸。
特別地但非排它性地，本發(fā)明用于翼片裝置，所述翼片裝置包括主體以及前緣和 后緣，所述主體具有上弧形表面和下弧形表面。所述上弧形表面和下弧形表面可以至少部 分地由相應(yīng)的上表面蒙皮和下表面蒙皮提供，所述上表面蒙皮和所述下表面蒙皮中的至少 一個(gè)連續(xù)地延伸超出所述主體，從而提供所述裝置的所述外表面部分的至少一部分。當(dāng)外表面部分由具有其中一個(gè)幾何形狀的內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)支撐時(shí)，翼片裝置的相應(yīng)延 伸的上表面和/或下表面可由此具有第一有效弧形，當(dāng)外表面部分由具有另一個(gè)幾何形狀 的內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)支撐時(shí)，翼片裝置的相應(yīng)延伸的上表面和/或下表面可具有第二替代有效弧 形。與諸如襟翼的控制表面相對(duì)于主翼片本體進(jìn)行樞轉(zhuǎn)并由此作為分開的部件附接 到主體上的常規(guī)翼片裝置不同，使用本發(fā)明，主體的上表面蒙皮和/或下表面蒙皮是控制 表面的整體部分。蒙皮需要具有足夠的柔性，以便允許外表面部分的幾何形狀進(jìn)行 改變。期望的是，所述上表面蒙皮和所述下表面蒙皮每個(gè)都連續(xù)地延伸超出所述主體， 從而分別提供所述裝置的上外表面部分和下外表面部分，所述支撐結(jié)構(gòu)至少部分地位于由 所述上表面蒙皮提供的所述上外表面部分和由所述下表面蒙皮提供的所述下外表面部分 之間。在一種方案中，由所述支撐結(jié)構(gòu)支撐的所述外表面部分或各個(gè)外表面部分位于翼 片裝置的后緣處。翼片裝置可以是沿其翼展(span)基本上筆直地延伸的旋翼槳葉和飛行 器機(jī)翼之一，并且所述外表面部分或者所述上外表面部分和所述下外表面部分一起可提供 控制表面，所述控制表面為副翼、配平片或襟翼。從而所述外表面部分或者所述上外表面部分和所述下外表面部分一起可沿著翼 片的翼展延伸。在另一個(gè)例子中，所述翼片裝置為沿其翼展包括扭轉(zhuǎn)部的推進(jìn)器和渦輪葉片之
ο根據(jù)本發(fā)明的第二個(gè)方面，提供一種操作飛行器的方法，所述飛行器包括根據(jù)本 發(fā)明第一個(gè)方面所述的裝置，所述裝置為沿其翼展基本上筆直地延伸的旋翼槳葉和飛行器 機(jī)翼之一，所述翼片包括主體以及前緣和后緣，所述主體具有上弧形表面和下弧形表面，其 中所述上弧形表面和下弧形表面至少部分地由相應(yīng)的上表面蒙皮和下表面蒙皮提供，所述 上表面蒙皮和所述下表面蒙皮中的至少一個(gè)連續(xù)地延伸超出所述主體，從而提供所述裝置 的所述外表面部分的至少一部分，所述方法包括在飛行中通過操作致動(dòng)設(shè)備而將內(nèi)支撐結(jié) 構(gòu)的復(fù)合材料構(gòu)件的幾何形狀從第一穩(wěn)定幾何形狀改變?yōu)榈诙€(wěn)定幾何形狀，來(lái)實(shí)現(xiàn)翼片 裝置的上外表面部分和下外表面部分的幾何形狀的改變，以便影響經(jīng)過所述翼片裝置的氣 流，其中所述內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)支撐所述上外表面部分和所述下外表面部分。在所述翼片裝置為螺旋槳飛行器的旋翼槳葉的情況下，比如在盤旋和向前飛行之 間轉(zhuǎn)換期間，所述上外表面部分和所述下外表面部分的幾何形狀的改變可實(shí)現(xiàn)為用于不同 的飛行狀況例如一種幾何形狀可用于盤旋，另一種幾何形狀可用于向前飛行。根據(jù)本發(fā)明的第三個(gè)方面，提供一種飛行器，具有根據(jù)本發(fā)明第一個(gè)方面所述的 裝置，所述裝置為沿其翼展基本上筆直地延伸的旋翼槳葉和機(jī)翼之一。


現(xiàn)在將參考

本發(fā)明的實(shí)施例，其中圖1為根據(jù)本發(fā)明的具有螺旋槳裝置的螺旋槳飛行器的示例性透視圖；圖2a和2b分別為現(xiàn)有技術(shù)的螺旋槳裝置和根據(jù)本發(fā)明的螺旋槳裝置的示例性剖視圖；圖3a和3b示出了圖2b所示結(jié)構(gòu)的后緣處的控制表面通過具有雙穩(wěn)構(gòu)件的內(nèi)支 撐結(jié)構(gòu)獲得的可選位置；圖4a示出了對(duì)復(fù)合材料預(yù)加應(yīng)力的方法中的步驟；圖4b為兩個(gè)可選穩(wěn)定狀態(tài)中的雙穩(wěn)構(gòu)件的側(cè)視圖；圖5為與圖2b類似的更詳細(xì)的剖視圖；圖6為圖5的螺旋槳的一部分的示例性平面圖。
具體實(shí)施例方式參考圖1，螺旋槳飛行器即直升機(jī)10包括本體12，該本體12容納諸如發(fā)動(dòng)機(jī)E的 動(dòng)力源，該動(dòng)力源用于使主續(xù)航旋翼系統(tǒng)14繞大體豎直的軸線A旋轉(zhuǎn)，以便產(chǎn)生升力以及 按照需要使飛行器10在空中移動(dòng)，或者允許飛行器10盤旋。該例子中的直升機(jī)10還包括 尾部旋翼系統(tǒng)T。在這個(gè)例子中，主續(xù)航旋翼系統(tǒng)14包括五個(gè)螺旋槳或槳葉15，圖2b的剖視圖中示 出了其中一個(gè)。每個(gè)旋翼槳葉15都是沿著從翼根19至槳葉翼尖20的翼展基本上筆直的 翼片裝置，其中槳葉15在所述翼根19處連接至轉(zhuǎn)轂18，該轉(zhuǎn)轂18通過飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)E經(jīng) 由傳動(dòng)而進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。每個(gè)槳葉15都是包括前緣21和后緣22的翼片裝置，當(dāng)空氣沿弦向在前緣21和 后緣22之間的上弧形表面24和下弧形表面25上流動(dòng)時(shí)，槳葉15產(chǎn)生升力，這是本領(lǐng)域眾 所周知的。常規(guī)上，這樣的翼片裝置15包括控制表面，該控制表面能夠相對(duì)于主旋翼本體 15a運(yùn)動(dòng)，以便改變翼片裝置15的幾何形狀，從而影響經(jīng)過翼片裝置15的氣流。在圖2a中 示出了這樣的常規(guī)布置，其中在旋翼槳葉15的后緣22處設(shè)置有與主旋翼槳葉本體15a分 開的控制表面，該控制表面用附圖標(biāo)記30表示?？刂票砻?0借助設(shè)置在主旋翼槳葉本體 15a內(nèi)部的致動(dòng)器能夠在上升位置和下降位置之間運(yùn)動(dòng)，其中所述致動(dòng)器例如是馬達(dá)、線性 或旋轉(zhuǎn)液壓致動(dòng)器或者甚至是壓電式致動(dòng)器。從而通過移動(dòng)控制表面30來(lái)改變槳葉15的 幾何形狀或有效弧形，盡管主旋翼本體15a和控制表面30自身的實(shí)際幾何形狀沒有改變， 而僅僅只是控制表面30與主旋翼本體15a的相對(duì)位置發(fā)生改變。這樣的控制表面30能夠運(yùn)動(dòng)而影響經(jīng)過翼片裝置15的氣流，以便適應(yīng)不同的飛 行狀況，從而按照需要優(yōu)化比如升力或速度。本發(fā)明特別設(shè)計(jì)成方便當(dāng)直升機(jī)10在盤旋 (當(dāng)控制表面30可下降以獲得最大升力時(shí))和向前飛行(當(dāng)控制表面30可上升使阻力最 小時(shí))之間轉(zhuǎn)變時(shí)的過渡中改變旋翼15的幾何形狀。圖2b中示出了根據(jù)本發(fā)明的翼片裝置15。在圖中可以看到，控制表面30具有第 一下降位置和第二上升位置。然而，控制表面30并不與主旋翼本體15a分開。而是控制表 面30的上、下外表面部分的幾何形狀在所示的下降和上升位置之間變化。
在圖5中可以看到翼片裝置15的更多細(xì)節(jié)。通過上表面蒙皮24a提供翼片裝置15的上弧形表面24，在這個(gè)例子中，該上表面蒙皮24a從翼片裝置15的前緣21處或鄰近 該前緣21處連續(xù)地延伸至后緣22并超出，以提供控制表面30的上外表面部分24b。通過 下表面蒙皮25a提供翼片裝置15的下弧形表面25，在這個(gè)例子中，該下表面蒙皮25a也從 翼片裝置15的前緣21處或鄰近該前緣21處連續(xù)地延伸至后緣22并超出，以提供控制表 面30的下外表面部分25b。當(dāng)然，為了使得控制表面30能在其上升位置和下降位置之間運(yùn)動(dòng)，上外表面部分 24b和下外表面部分25b需要在弦向上沿著后緣22或者沿著覆蓋相鄰主結(jié)構(gòu)15b的上蒙皮 24和下蒙皮25而與相鄰的控制表面分開，如圖6中S處所示。在上外表面部分24b和下外表面部分25b之間具有內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)31，該內(nèi)支撐結(jié)構(gòu) 31支撐控制表面30的上外表面部分24b和下外表面部分25b并且實(shí)現(xiàn)上外表面部分24b 和下外表面部分25b在控制表面30的上升位置和下降位置之間的幾何形狀變化。還參考圖3a和3b，可以看到，在控制表面30內(nèi)部，內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)31包括多個(gè)支撐 構(gòu)件32。這些支撐構(gòu)件32每個(gè)都由智能響應(yīng)復(fù)合材料制成，在這個(gè)例子中，內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)31 包括至少六個(gè)這樣的支撐構(gòu)件32，每個(gè)支撐構(gòu)件32都從一個(gè)端部延伸至用32b表示的相對(duì) 端部，其中支撐構(gòu)件32均在所述一個(gè)端部處固定到支撐結(jié)構(gòu)31的錨定部，該錨定部是由主 旋翼本體15a的翼梁33中的相應(yīng)凹口 33a提供的。翼梁33優(yōu)選地在槳葉15的整個(gè)翼展 長(zhǎng)度上延伸，但是也可以根據(jù)需要僅僅位于控制表面30處。支撐構(gòu)件32的一個(gè)端部可以通過任何期望的固定裝置保持在翼梁33的相應(yīng)的凹 口 33a中，或者如本例子所示，所述一個(gè)端部可以用比如合適的粘合劑粘接在凹口 33a中。在這個(gè)例子中，控制表面30包括后緣構(gòu)件34，該后緣構(gòu)件34以下述方式接收各個(gè) 支撐構(gòu)件32與翼梁33相對(duì)的端部32b。支撐構(gòu)件32的雙穩(wěn)復(fù)合材料自然地且固有地采用兩種雙穩(wěn)狀態(tài)之一，這些狀態(tài) 中的一個(gè)如圖3a所示，另一個(gè)如圖3b所示。這樣的復(fù)合材料自身是公知的。在本例子中，構(gòu)件32由粘接在一起的多個(gè)疊層(參見圖4a)35a、35b、35C、35d構(gòu) 成。每一層35a、35b、35c、35d都包括嵌入固化基質(zhì)材料中的纖維(通常為玻璃纖維或碳纖 維)，所述固化基質(zhì)材料在本例子中為環(huán)氧樹脂，但是也可以是其它在使用時(shí)不受溫濕變化 影響的合適的可固化材料。可以看到，各個(gè)層35a、35b、35c、35d中的纖維在該層內(nèi)沿單一方向延伸。在該例 子中，中間兩層35b、35c中的纖維與外側(cè)兩層35a、35d中的纖維大體垂直地延伸。此外，夕卜 側(cè)兩層35a、35d的區(qū)域(在圖4a為示意性而示出的例子中，是相對(duì)的邊緣區(qū)域Rl和R2) 中的纖維被預(yù)加應(yīng)力，也就是這些區(qū)域Rl和R2中的纖維在嵌入固化基質(zhì)材料中之前沿縱 向被施加應(yīng)力。通過對(duì)外層35a和35d中沿同一方向延伸的纖維預(yù)加應(yīng)力，這種制造方法在材料 中建立了單一方向的應(yīng)力場(chǎng)。一旦基質(zhì)材料固化而釋放應(yīng)力時(shí)，這種單一方向的應(yīng)力場(chǎng)導(dǎo) 致復(fù)合材料構(gòu)件32采用比如圖4b中實(shí)線所示的弧形構(gòu)造。然而，通過向構(gòu)件32施加致動(dòng) (機(jī)械)力以使得該構(gòu)件彎曲，復(fù)合材料構(gòu)件32的構(gòu)造可以改變?yōu)閳D4b中虛線所示的弧形 構(gòu)造。單一方向的應(yīng)力場(chǎng)確保了構(gòu)件32按照需要沿其長(zhǎng)度進(jìn)行彎曲，而不是以比如扭轉(zhuǎn)的方式翹曲。六個(gè)支撐構(gòu)件32中每個(gè)都在控制表面30的上外表面部分24b和下外表面部分 25b之間布置成一個(gè)在另一個(gè)頂部上，使得構(gòu)件32從翼梁33或該構(gòu)件一個(gè)端部所錨定到的 其它錨定部延伸至相對(duì)端部32b而到達(dá)后緣構(gòu)件34，其中構(gòu)件32各自的單一應(yīng)力場(chǎng)對(duì)準(zhǔn)， 即預(yù)加應(yīng)力的纖維的方向?qū)?zhǔn)。由翼片裝置15的上表面蒙皮24和下表面蒙皮25提供的上外表面部分24b和下 外表面部分25b的端部部分以及復(fù)合材料構(gòu)件32的相對(duì)端部32b由后緣構(gòu)件34的通道接 收。后緣構(gòu)件34可以例如通過粘合劑緊固到上外表面部分24b和下外表面部分25b中每 個(gè)的端部部分。各個(gè)復(fù)合材料構(gòu)件32的相對(duì)端部32b可以在由后緣構(gòu)件34接收處保持到 彼此，或者可以通過限制在上外表面部分24b和下外表面部分25b之間而被簡(jiǎn)單地保持住。 如果復(fù)合材料構(gòu)件32的相對(duì)端部32b彼此保持住，那么因?yàn)闃?gòu)件32在雙穩(wěn)構(gòu)造之間即在 圖3a和圖3b的穩(wěn)定幾何形狀之間改變幾何形狀，所以必須允許構(gòu)件32的相對(duì)端部32b之 間沿其延伸方向進(jìn)行有差別的運(yùn)動(dòng)或滑動(dòng)。這可以通過使用允許這種差別運(yùn)動(dòng)的彈性粘合劑或某種其它保持裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)。應(yīng)當(dāng)理解，在復(fù)合材料構(gòu)件32改變其幾何形狀的情況下，這將實(shí)現(xiàn)上外表面部分 24b和下外表面部分25b中每個(gè)的幾何形狀的改變，從而改變翼片裝置15的有效弧形?？刂票砻?0需要通過致動(dòng)設(shè)備在其雙穩(wěn)幾何形狀之間運(yùn)動(dòng)，也就是復(fù)合材料構(gòu) 件32需要在雙穩(wěn)幾何形狀之間運(yùn)動(dòng)，但是因?yàn)閺?fù)合材料構(gòu)件32的第一和第二幾何形狀是 穩(wěn)定的，也就是材料在一個(gè)幾何形狀和另一個(gè)幾何形狀之間彎曲并且維持該幾何形狀直到 被迫使沿相反的方向彎曲為止，所以不需要致動(dòng)設(shè)備將控制表面30保持在其上升位置或 下降位置。因?yàn)榭刂票砻?0并沒有與主結(jié)構(gòu)19分開，而當(dāng)復(fù)合材料構(gòu)件32在其雙穩(wěn)狀態(tài)之 間彎曲時(shí)控制表面30需要在其上升位置和下降位置之間運(yùn)動(dòng)，所以至少在控制表面30鄰 近翼片裝置15的主體15a的區(qū)域，即附圖標(biāo)記45表示的區(qū)域中，上表面蒙皮24和下表面 蒙皮25需要適應(yīng)幾何形狀的變化，從而區(qū)域45中的上表面蒙皮24和下表面蒙皮25需要 構(gòu)造成允許控制表面30在其上、下位置之間運(yùn)動(dòng)。在另一個(gè)例子中，上外表面部分24b和下外表面部分25b中一個(gè)或另一個(gè)的材料 可以是與支持構(gòu)件32相似的具有雙穩(wěn)特性的復(fù)合材料，但是，是控制表面30內(nèi)部設(shè)置的構(gòu) 件32的支持結(jié)構(gòu)提供了用于改變上外表面部分24b和下外表面部分25b幾何形狀的可靠 性并且向上外表面部分24b和下外表面部分25b提供了抵抗使用中控制表面30經(jīng)受動(dòng)態(tài) 流體負(fù)荷時(shí)的幾何變形所需的剛度。現(xiàn)在將參考圖5說明可設(shè)置成改變控制表面30幾何形狀的合適致動(dòng)設(shè)備的例子。翼片裝置15 (在這個(gè)例子中為直升機(jī)旋翼槳葉15)的主體15a包括在前緣21和后緣22之間的大部分體積范圍上的內(nèi)蜂巢結(jié)構(gòu)。在另一種翼片裝置中，比如在飛行器的固 定機(jī)翼中，機(jī)翼可以容納儲(chǔ)油罐和/或其它設(shè)備。即使在旋翼裝置15的情況下，也期望旋翼裝置15在大約25%的弦長(zhǎng)位置處平衡。 因此，將要說明的且用50表示的致動(dòng)設(shè)備或者至少該致動(dòng)設(shè)備50中包含大部分重量的部 件朝向旋翼裝置15的前緣21容納在沿弦向遠(yuǎn)離控制表面30的合適中空部51中，其所處 位置不會(huì)破壞旋翼15的平衡。
致動(dòng)裝置50可包括動(dòng)力單元52和一對(duì)牽拉元件，該動(dòng)力單元52例如是電動(dòng)馬達(dá)、液壓或氣動(dòng)流體馬達(dá)或致動(dòng)器、或者壓電裝置(僅僅作為示例)，在本例子中，所述一對(duì) 牽拉元件連接柔性纜線54、55。柔性纜線54、55每個(gè)都在一端連接到動(dòng)力單元52，使得任一 個(gè)纜線54、55可以被動(dòng)力單元52的合適操縱選擇性地牽拉。在另一個(gè)例子中，牽拉元件可 以是剛性的或半剛性的元件，或者可以沿其長(zhǎng)度部分剛性而部分柔性。在為剛性的情況下， 可以通過推動(dòng)而不是牽拉來(lái)施加將構(gòu)件32從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)改變至另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)所需的 力。其中一個(gè)纜線54(上纜線)經(jīng)由第一致動(dòng)路徑向翼片裝置15的后緣22延伸，然后 上纜線54在控制表面30的上外表面部分24b的緊下方被弓I導(dǎo)。類似地，另一個(gè)纜線55 (下 纜線)經(jīng)由第二致動(dòng)路徑向翼片裝置15的后緣22延伸，然后下纜線55在控制表面30的 下外表面部分25b的緊上方被引導(dǎo)。纜線54、55中每個(gè)都連接至后緣構(gòu)件34，如C所示。應(yīng)當(dāng)理解，當(dāng)操作動(dòng)力單元52以牽拉上纜線54時(shí)，將會(huì)向各個(gè)復(fù)合材料構(gòu)件32 施加機(jī)械力，而獲得圖3a中所示的控制表面30處于上升狀況的穩(wěn)定幾何形狀。通過操作 動(dòng)力單元52以牽拉下纜線55，將會(huì)向各個(gè)復(fù)合材料構(gòu)件32施加機(jī)械力，而獲得圖3b中所 示的控制表面30處于下降狀況的另一個(gè)穩(wěn)定幾何形狀。當(dāng)然，當(dāng)利用動(dòng)力單元52牽拉任 一個(gè)纜線54、55時(shí)，需要允許另一個(gè)纜線55、54運(yùn)動(dòng)，從而不會(huì)阻礙支撐構(gòu)件32的幾何形 狀的改變。致動(dòng)設(shè)備50可由控制器進(jìn)行操作，該控制器可以自動(dòng)地響應(yīng)直升機(jī)12的操作狀 況和/或飛行員/操作者的控制來(lái)操作該致動(dòng)設(shè)備50，從而通過使支撐構(gòu)件32在其第一和 第二穩(wěn)定幾何形狀之間運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制表面30在上升位置和下降位置之間的位置改變。在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下可以做出許多修改。例如，圖3a、3b和圖5中所 示的內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)31的構(gòu)造僅僅是說明性和示例性的?？梢栽O(shè)置實(shí)現(xiàn)控制表面30的上外表 面部分24b和下外表面部分25b的幾何形狀改變所需的任意數(shù)量的支撐構(gòu)件32，這些支撐 構(gòu)件的長(zhǎng)度和構(gòu)造可以與所示和所述的構(gòu)件32不同。此外，可以選擇任意合適數(shù)量的構(gòu)件 32，以便獲得上外表面部分24b和下外表面部分25b在經(jīng)受動(dòng)態(tài)流體負(fù)荷時(shí)抵抗幾何形狀 扭曲所需的剛度，否則該動(dòng)態(tài)流體負(fù)荷會(huì)導(dǎo)致支撐構(gòu)件32的幾何形狀產(chǎn)生非控制器或飛 行員控制的不期望的改變。從圖6中可以看到，控制表面30沿著槳葉15的部分翼展延伸。在控制表面30的 翼展范圍較長(zhǎng)的情況下，致動(dòng)設(shè)備50可以具有多于一個(gè)的上纜線54和下纜線55或者具有 沿著翼展的其它牽拉構(gòu)件，從而沿著控制表面30的整個(gè)長(zhǎng)度向支撐結(jié)構(gòu)施加為實(shí)現(xiàn)控制 表面30的上外表面部分24b和下外表面部分25b的幾何形狀改變所需的力。在控制表面30的翼展范圍較小而使得控制表面為比如圖6中所示的調(diào)整片的情 況下，可以沿翼展長(zhǎng)度使用多個(gè)這樣的能夠獨(dú)立致動(dòng)的調(diào)整片，每個(gè)調(diào)整片具有根據(jù)本發(fā) 明的可變的幾何形狀。本發(fā)明已經(jīng)具體說明了改變?cè)谥鄙龣C(jī)旋翼槳葉15的后緣22處的控制表面30的 上外表面部分24b和下外表面部分25b的幾何形狀，但是從本說明書的介紹中應(yīng)當(dāng)理解，本 發(fā)明具有更寬泛的應(yīng)用，包括應(yīng)用于翼片15的前緣21處的控制表面，以及通常應(yīng)用于諸如 固定機(jī)翼的非旋轉(zhuǎn)機(jī)翼飛行器的翼片機(jī)翼。飛行器可以由飛行員操作或者可以是無(wú)人駕駛飛行器。翼片不必是機(jī)翼15，而可以是直升機(jī)的尾部旋翼系統(tǒng)T的旋翼槳葉15，或者可以 是任何其它的翼片或其它在使用中流體所流過的裝置，比如推進(jìn)器或渦輪葉片。代替提供后緣構(gòu)件34或者附加的是，在需要時(shí)翼片外表面蒙皮24、25可以繞支撐 結(jié)構(gòu)31延伸，或者復(fù)合材料支撐構(gòu)件32的相對(duì)端部32b可以不被任何蒙皮或后緣構(gòu)件34 在翼片15的后緣22處包圍。對(duì)于另一例子，本發(fā)明可以用來(lái)改變進(jìn)氣部或排氣部的表面部分的構(gòu)造，或者用 來(lái)改變氣流罩的表面部分的構(gòu)造。本發(fā)明可以用于比如卡車牽引單元的車輛整流裝置，以 利用具有一個(gè)或多個(gè)復(fù)合材料構(gòu)件的支撐結(jié)構(gòu)來(lái)改變整流裝置的外表面部分的幾何形狀， 該復(fù)合材料構(gòu)件的幾何形狀可以在雙穩(wěn)態(tài)之間改變，用于根據(jù)牽引單元是否在牽引拖車而 進(jìn)行性能優(yōu)化。從而，盡管在所述的例子中本發(fā)明是應(yīng)用于具有上外表面部分24b和下外表面部 分25b兩者的控制表面30，但是本發(fā)明也可以應(yīng)用于僅僅具有單個(gè)外表面部分的裝置。本發(fā)明不僅可應(yīng)用于比如圖1所示的單個(gè)主續(xù)航旋翼直升機(jī)，還可應(yīng)用于串聯(lián)式 續(xù)航旋翼直升機(jī)。前述說明書、下述權(quán)利要求或者附圖中公開的，以其特定形式或用于執(zhí)行所公開 功能的裝置的形式表達(dá)的特征，或者用于獲得所公開結(jié)果的合適方法或過程，可以單獨(dú)地 或以這些特征的任意組合用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的各種不同形式。
權(quán)利要求
一種在使用中承受流體流的裝置(15)，所述裝置(15)包括外表面部分(24b、25b)，所述外表面部分的幾何形狀是可變的以影響所述流體流，所述裝置(15)包括支撐所述外表面部分的支撐結(jié)構(gòu)(31)，所述支撐結(jié)構(gòu)(31)位于所述裝置(15)的內(nèi)部并且包括多個(gè)由復(fù)合材料制成的支撐構(gòu)件(32)，所述支撐結(jié)構(gòu)(31)的幾何形狀能夠通過致動(dòng)設(shè)備(50)在第一穩(wěn)定幾何形狀和第二穩(wěn)定幾何形狀之間改變，以便實(shí)現(xiàn)所述外表面部分(24b、25b)的幾何形狀的變化，所述支撐構(gòu)件(32)為所述外表面部分(24b、25b)提供結(jié)構(gòu)剛度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)(31)的復(fù)合材料在無(wú)需當(dāng)幾何 形狀分別改變?yōu)榈诙€(wěn)定幾何形狀或第一穩(wěn)定幾何形狀時(shí)來(lái)自所述致動(dòng)設(shè)備(50)的任何 影響的情況下，維持第一穩(wěn)定幾何形狀或第二穩(wěn)定幾何形狀。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于，所述致動(dòng)設(shè)備(50)通過向復(fù)合材料 構(gòu)件的一部分施加機(jī)械力來(lái)實(shí)現(xiàn)所述第一穩(wěn)定幾何形狀和所述第二穩(wěn)定幾何形狀之間的 改變。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，每個(gè)支撐構(gòu)件(32)的復(fù)合材料為疊層復(fù) 合材料，所述疊層復(fù)合材料包括多個(gè)嵌入固化基質(zhì)材料中的纖維疊層(35a-35d)，所述纖維 疊層(35a-35d)中的至少一個(gè)包括在基質(zhì)材料固化之前被施加應(yīng)力的纖維(35b、35d)區(qū)域 (禮、R2),每個(gè)由復(fù)合材料制成的支撐構(gòu)件(32)的疊層的纖維基本上在該疊層內(nèi)對(duì)準(zhǔn)，所述 構(gòu)件(32)或每個(gè)構(gòu)件(32)中作為預(yù)加應(yīng)力纖維的任何纖維(35b、35d)沿同一方向延伸并 且在內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)中形成單一方向的應(yīng)力場(chǎng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其中，所述纖維為玻璃纖維或碳纖維，所述基質(zhì)材料為 諸如環(huán)氧樹脂的不受溫濕變化影響的材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，每個(gè)支撐構(gòu)件(32)的復(fù)合材料為疊層復(fù) 合材料，所述疊層復(fù)合材料包括多個(gè)嵌入固化基質(zhì)材料中的纖維疊層(35a-35d)，所述纖維 疊層(35a-35d)中的至少一個(gè)包括在基質(zhì)材料固化之前被施加應(yīng)力的纖維(35b、35d)區(qū)域 (禮、R2),每個(gè)由復(fù)合材料制成的支撐構(gòu)件(32)的疊層的纖維基本上在該疊層內(nèi)對(duì)準(zhǔn)，所述 構(gòu)件(32)或每個(gè)構(gòu)件(32)中作為預(yù)加應(yīng)力纖維的任何纖維(35b、35d)沿同一方向延伸 并且在內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)中形成單一方向的應(yīng)力場(chǎng)，并且所述外表面部分(24b、25b)的支撐結(jié)構(gòu) (31)包括錨定部(33a)，每個(gè)復(fù)合材料構(gòu)件(32)的一個(gè)端部保持到所述錨定部，每個(gè)支撐 構(gòu)件的相對(duì)端部以允許構(gòu)件(32)在相對(duì)端部處進(jìn)行有差別的運(yùn)動(dòng)的方式保持在一起。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，每個(gè)支撐構(gòu)件(32)從所述錨定部(33a) 沿單一方向的應(yīng)力場(chǎng)的方向延伸。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述裝置(15)為翼片裝置，所述翼片裝置 包括主體(15a)以及前緣(21)和后緣(22)，所述主體(15a)具有上弧形表面(24)和下弧 形表面(25)，所述上弧形表面(24)和下弧形表面(25)至少部分地由相應(yīng)的上表面蒙皮和 下表面蒙皮提供，所述上表面蒙皮(24)和所述下表面蒙皮(25)中的至少一個(gè)連續(xù)地延伸 超出所述主體(15a)，以提供所述裝置(15)的所述外表面部分(24b、25b)的至少一部分。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，所述上表面蒙皮(24)和所述下表面蒙皮 (25)每個(gè)都連續(xù)地延伸超出所述主體(15a)，以分別提供所述裝置(15)的上外表面部分 (24b)和下外表面部分(25b)，所述支撐結(jié)構(gòu)(31)至少部分地位于由所述上表面蒙皮提供 的所述上外表面部分(24b)和由所述下表面蒙皮提供的所述下外表面部分(25b)之間。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的裝置，其特征在于，由所述支撐結(jié)構(gòu)(31)支撐的所述 外表面部分(24b、25b)或每個(gè)外表面部分(24b、25b)位于所述翼片裝置(15)的后緣(22) 處。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，所述裝置為沿其翼展基本上筆直地延伸 的旋翼槳葉(15)和飛行器機(jī)翼之一，所述外表面部分或者所述上外表面部分和所述下外 表面部分一起提供控制表面，所述控制表面為沿著翼片的翼展的一部分延伸的副翼、配平 片或襟翼。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述裝置為沿其翼展包括扭轉(zhuǎn)部的推進(jìn) 器和渦輪葉片之一。
13.一種操作飛行器(10)的方法，所述飛行器(10)包括根據(jù)權(quán)利要求11所述的翼片 裝置(15)，所述方法包括在飛行中通過操作致動(dòng)設(shè)備(50)而將內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)(31)的由復(fù)合 材料制成的支撐構(gòu)件(32)的幾何形狀從第一穩(wěn)定幾何形狀改變?yōu)榈诙€(wěn)定幾何形狀，來(lái) 實(shí)現(xiàn)翼片裝置(15)的上外表面部分(24b)和下外表面部分(25b)的幾何形狀的改變，以 便影響經(jīng)過所述翼片裝置(15)的氣流，其中所述內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)(31)支撐所述上外表面部分 (24b)和所述下外表面部分(25b)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述翼片裝置為螺旋槳飛行器(10)的 旋翼槳葉(15)，所述上外表面部分(24b)和所述下外表面部分(25b)的幾何形狀的改變實(shí) 現(xiàn)為使得一種幾何形狀用于盤旋，另一種幾何形狀用于向前飛行。
15.一種飛行器(10)，具有根據(jù)權(quán)利要求1至12中任一個(gè)所述的裝置(15)，所述裝置 (15)為沿其翼展基本上筆直地延伸的旋翼槳葉和機(jī)翼之一。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種在使用中承受流體流的諸如翼片的裝置(15)，其包括外表面部分(24b、25b)，所述外表面部分的幾何形狀是可變的以影響流體流，該裝置(15)包括支撐外表面部分(24b、25b)的支撐結(jié)構(gòu)(31)，該支撐結(jié)構(gòu)(31)位于裝置(15)的內(nèi)部并且包括多個(gè)由復(fù)合材料制成的支撐構(gòu)件(32)，該支撐結(jié)構(gòu)(31)的幾何形狀能夠通過致動(dòng)設(shè)備(50)在第一穩(wěn)定幾何形狀和第二穩(wěn)定幾何形狀之間改變，以實(shí)現(xiàn)外表面部分(24b、25b)的幾何形狀的變化，支撐構(gòu)件(32)為外表面部分(24b、25b)提供結(jié)構(gòu)剛度。
文檔編號(hào)B64C27/467GK101811574SQ20101011480
公開日2010年8月25日 申請(qǐng)日期2010年2月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月20日
發(fā)明者K·波特, P·韋弗, S·戴恩斯 申請(qǐng)人:西部直升機(jī)有限公司