PL225536B1 - Profil lotniczy o zmiennym kształcie z elastyczną powłoką z materiału aktywnego - Google Patents

Abstract

W skład poszycia elementu płatowego (3) profilu wchodzi elastyczna powłoka (2) wykonana z materiału aktywnego zmieniającego kształt pod wpływem pola magnetycznego wytwarzanego przez urządzenie wykonawcze wbudowane w strukturę profilu. Materiał aktywny stanowi elastomer magnetoreologiczny, a powłoka (2) jest napięta wzdłuż wnęki uformowanej pomiędzy użebrowaniem elementu płatowego (3). Jeden koniec powłoki (2) jest zamocowany do obrotowego członu (4) urządzenia napinającego połączonego z napędem (6), który to człon jest zamocowany w przedniej części wnęki pomiędzy żebrami, a drugi koniec powłoki (2) jest zamocowany do sztywnej części struktury profilu na końcu wnęki. W skład urządzenia wytwarzającego pole magnetyczne wchodzą elektromagnesy (1) rozmieszczone w podstawie wnęki.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest profil lotniczy o zmiennym kształcie z elastyczną powłoką z materiału aktywnego, który umożliwia zmianę właściwości aerodynamicznych skrzydła samolotu lub łopaty wiropłatu podczas lotu, a także zmianę właściwości aerodynamicznych obracającej się łopaty turbiny wiatrowej.

W technice lotniczej stosowane są struktury o zmiennym kształcie, zwane także strukturami morficznymi, pozwalające na zmianę właściwości aerodynamicznych powierzchni nośnych i sterowych podczas lotu, zwiększając przez to efektywność lotu. Do budowy tego typu struktur są wykorzystyw ane materiały aktywne zmieniające kształt pod wpływem zewnętrznego impulsu elektrycznego lub magnetycznego, takie jak materiały piezoelektryczne, magnetostrykcyjne, a także materiały ze stopów z pamięcią kształtu SMA, zmieniające kształt pod wpływem temperatury.

W opisie patentowym US8043053 przedstawione jest skrzydło stabilizatora poziomego wyposażone w dwa aktuatory wykonane ze stopu SMA, które służą do zmiany kształtu tylnej elastycznej części skrzydła.

W opisie patentowym US2009079301 przedstawiony jest profil lotniczy o zmiennym kształcie, w którym zmiana kształtu profilu następuje pod wpływem aktuatora wykonanego z warstw materiału piezoelektrycznego.

W zgłoszeniu patentowym DE1997112034 przedstawiony jest profil lotniczy z krawędzią o zmiennym kształcie, w którym elastyczne poszycie profilu ma wbudowaną miejscowo warstwę aktywną z materiału aktywnego, piezoceramicznego, piezoelektrycznego lub magnetostrykcyjnego. Rozwiązanie umożliwia geometryczną zmianę profilu lotniczego pod wpływem źródła pola magnetycznego. Profil lotniczy może być wykonany z warstw kompozytowych o odpowiednio dobranej grubości, umożliwiających elastyczne odkształcenie pod wpływem materiału aktywnego. Rozwiązanie to może być stosowane także w łopatach turbin wiatrowych w celu zmiany ich charakterystyki aerodynamicznej.

W opisie patentowym EP2097314 opisany jest element płatowy skrzydła o zmiennym kształcie zawierający elastyczną powłokę zewnętrzną podtrzymywaną przez rdzeń złożony z wielu przylegających do siebie elementów o regulowanym rozmiarze i/lub kształcie, z których każdy posiada urządzenie wykonawcze. Elementy na obwodzie rdzenia są połączone w sposób elastyczny z powłoką zewnętrzną. Elementy mogą być utworzone z materiału aktywnego, a urządzenia wykonawcze mogą zawierać środki do stosowania pól magnetycznych. Urządzenia wykonawcze wprawiają w ruch elementy rdzenia, co umożliwia modyfikację kształtu płata lub jego wybranych obszarów.

Profil lotniczy o zmiennym kształcie, w którym w skład poszycia elementu płatowego wchodzi elastyczna powłoka wykonana z materiału aktywnego zmieniającego kształt pod wpływem pola m agnetycznego wytwarzanego przez urządzenie wykonawcze wbudowane w strukturę profilu, według wynalazku charakteryzuje się tym, że materiał aktywny stanowi elastomer magnetoreologiczny, a powłoka jest napięta wzdłuż wnęki uformowanej pomiędzy użebrowaniem elementu płatowego, przy czym jeden koniec powłoki jest zamocowany do obrotowego członu urządzenia napinającego połączonego z napędem, który to człon jest zamocowany w przedniej części wnęki pomiędzy żebrami, a drugi koniec powłoki jest zamocowany do sztywnej części struktury profilu na końcu wnęki, zaś w skład urządzenia wytwarzającego pole magnetyczne wchodzą elektromagnesy rozmieszczone w podstawie wnęki.

Korzystnym jest, jeżeli w podstawie wnęki pomiędzy elektromagnesami a powłoką jest umieszczona sztywna przekładka.

Korzystnym jest, jeżeli obrotowy człon urządzenia napinającego stanowi wałek cylindryczny.

Korzystnym jest także, jeżeli obrotowy człon urządzenia napinającego stanowi wałek krzywkowy.

Korzystnym jest, jeżeli elektromagnesy są połączone z pierwszym modułem sterującym podłączonym do źródła zasilania.

Korzystnym jest, jeżeli napęd stanowi silnik elektryczny połączony z drugim modułem sterującym.

Korzystnym jest także, jeżeli napęd stanowi serwomechanizm połączony z drugim modułem sterującym.

Korzystnym jest, jeżeli serwomechanizm jest połączony z obrotowym członem poprzez cięgno.

Pod wpływem pola magnetycznego powłoka wykonana z elastomeru magnetoreologicznego jest przyciągana w kierunku elektromagnesów przylegając do podstawy dna wnęki. Podczas działania elektromagnesów następuje zmiana sztywności i odkształcenie powłoki, w tym zmiana grubości warstwy elastomerowej w wyniku oddziaływań elektrodynamicznych pomiędzy namagnesowanymi cząPL 225 536 B1 steczkami i podatną na odkształcenie osnową. Ponadto możliwe jest odkształcenie warstwy elastom erowej w lokalnych zagłębieniach ukształtowanych w podstawie wnęki lub w wymiennej przekładce. Wymienna przekładka może służyć do odseparowanie powłoki od elementów wytwarzających pole magnetyczne oraz do regulacji szczeliny między tymi elementami i powłoką. Naciągnięcie powłoki przez urządzenie napinające powoduje jej odciągnięcie od podstawy wnęki i przywrócenie stanu początkowego z wykorzystaniem właściwości sprężystych.

Rozwiązanie według wynalazku umożliwia zmianę właściwości aerodynamicznych skrzydła samolotu lub łopaty wiropłatu podczas lotu oraz zmianę jego obrazu optycznego i elektromagnetycznego dzięki deformacji powłoki z materiału magnetycznego o refleksyjnej powierzchni. Może być także wykorzystane do zmiany właściwości aerodynamicznych obracającej się łopaty turbiny wiatrowej.

Przedmiot wynalazku jest objaśniony w przykładzie wykonania przedstawionym na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia profil lotniczy o zmiennym kształcie w przekroju poprzecznym, z wałkiem cylindrycznym napędzanym silnikiem elektrycznym, fig. 2 przedstawia fragment profilu lotniczego z fig. 1 w perspektywie, fig. 3 przedstawia profil lotniczy o zmiennym kształcie w przekroju poprzecznym, z wałkiem krzywkowym napędzanym przez serwomechanizm, fig. 4 przedstawia fragment profilu lotniczego z fig. 1 w perspektywie, a fig. 5 ilustruje zmianę właściwości optycznych profilu lotniczego.

Jak przedstawiono na rysunku, profil lotniczy o zmiennym kształcie ma element płatowy 3, w którym w skład poszycia wchodzi elastyczna powłoka 2 wykonana z materiału aktywnego zmieni ającego kształt pod wpływem pola magnetycznego wytwarzanego przez urządzenie wykonawcze wbudowane w strukturę profilu. Materiał aktywny stanowi elastomer magnetoreologiczny. Powłoka 2 jest napięta wzdłuż wnęki uformowanej pomiędzy użebrowaniem elementu płatowego 3, przy czym jeden koniec powłoki 2 jest zamocowany do obrotowego członu 4 urządzenia napinającego połączonego z napędem 6, który to człon jest zamocowany w przedniej części wnęki pomiędzy żebrami 7. Drugi koniec powłoki 2 jest zamocowany przy krawędzi spływu do sztywnej części struktury profilu na końcu wnęki. W skład urządzenia wytwarzającego pole magnetyczne wchodzą elektromagnesy 1 rozmies zczone w podstawie wnęki. Elektromagnesy 1 są połączone z pierwszym modułem sterującym 10 podłączonym do źródła zasilania 8.

W podstawie wnęki może być umieszczona sztywna przekładka, nadająca kształt zewnętrznej powierzchni podstawy. Przekładka może stanowić element wymienny o różnie ukształtowanej powierzchni zewnętrznej. Przekładka może mieć wgłębienia definiujące kształt powierzchni w zależności od realizacji założonej funkcji, na przykład spełniające funkcję komory odladzającej.

W wykonaniu przedstawionym na fig. 1, 2, obrotowy człon 4 urządzenia napinającego stanowi wałek cylindryczny. Napęd 6 stanowi silnik elektryczny. Widoczna na fig. 1 powłoka 2 jest przyciągana przez pole magnetyczne elektromagnesów 1 do podstawy wnęki.

W innym wykonaniu przedstawionym na fig. 3, 4, obrotowy człon 4 urządzenia napinającego stanowi wałek krzywkowy. W tym wykonaniu jako napęd 6 zastosowano serwomechanizm połączony z obrotowym członem 4 poprzez cięgno 11. Ponadto serwomechanizm jest połączony z drugim modułem sterującym 9. Widoczna powłoka 2 jest napięta pomiędzy obrotowym członem 4 a krawędzią spływu. Linią przerywaną jest pokazane położenie powłoki 2 po jej przyciągnięciu przez pole magnetyczne elektromagnesów 1 do podstawy wnęki.

Elektromagnesy 1, które kształtują pole magnetyczne w otoczeniu powłoki 2, są rozmieszczone równomiernie w zdefiniowanym położeniu, realizującym założoną deformację powłoki 2 przed jej nawinięciem na obrotowy człon 4 lub po jego zwolnieniu i zmniejszeniu naprężenia napiętej powłoki 2. Do sterowania elektromagnesami 1 służy pierwszy moduł sterujący 10, a do sterowania serwomechanizmem drugi moduł sterujący 9. Oba moduły podłączone są do źródła zasilania 8. Pod wpływem pola magnetycznego powłoka 2 wykonana z elastomeru magnetoreologicznego jest przyciągana w kierunku elektromagnesów 1. Gdy obrotowy człon 4 jest zwolniony, elektromagnesy 1 o odpowiednio ukierunkowanym polu magnetycznym powodują lokalną zmianę kształtu powłoki 2 oraz jej przyleganie do podstawy wnęki lub przekładki. Nawinięcie powłoki 2 na obrotowy człon 4 powoduje jej naciągnięcie i oderwanie od elektromagnesów 1. W rezultacie następuje zmiana kształtu profilu i jego własności aerodynamicznych oraz zmiana sztywności powłoki 2.

Jak przedstawiono na fig. 5, zmiana właściwości optycznych profilu, powodująca efekt mask owania obiektu latającego i rozpraszania fal, następuje w wyniku sterowanej zmiany krzywizny płata i zmiany kierunku odbicia padających fal optycznych, czyli fal elektromagnetycznych z zakresu promieniowania bliskiego widzialnemu, od powierzchni powłoki, na której naniesiono warstwę refleksyjnej, która układać będzie się zgodnie z kształtem powłoki, i której deformacje będą zgodne z odkształ4

PL 225 536 B1 ceniami powłoki. W przypadku fal elektromagnetycznych z innego zakresu promieniowania, ich oddziaływanie następować będzie ze strukturą materiału aktywnego wchodzącego w skład elastomeru magnetoreologicznego. Zmiana wzajemnej odległości pomiędzy elementami magnet ycznymi w strukturze elastomeru będzie powodować zmianę długości rozpraszanej i odbitej fali elektromagnetycznej, na przykład podczas obserwacji radarowej. Przykładowa rozproszona wiązką promieniowania padająca na powłokę 2 przed i po jej deformacji pod wpływem pola magnetycznego, została zilustrowana strzałkami.

Rozwiązanie według wynalazku może funkcjonalnie spełniać rolę klapki będącej elementem profilu lotniczego, której działanie polega zarówno na zmianie siły nośnej lub zmianie sił oporu, jak i na aktywnym wpływaniu na własności aerodynamiczne, w celu ograniczenia drgań samowzbudnych, nadmiernych drgań spowodowanych dynamicznym obciążeniem profilu, a także w celu obniżenia poziomu hałasu lub strat energii podczas ruchu. Może także być wykorzystane do rozpraszania fal elektromagnetycznych, lub uzyskania efektów optycznych. Dodatkowo, deformacja profilu może zostać wykorzystana w systemach odladzających skrzydło samolotu.

Claims (8)

1. Profil lotniczy o zmiennym kształcie, w którym w skład poszycia elementu płatowego (3) wchodzi elastyczna powłoka (2) wykonana z materiału aktywnego zmieniającego kształt pod wpływem pola magnetycznego wytwarzanego przez urządzenie wykonawcze wbudowane w strukturę profilu, znamienny tym, że materiał aktywny stanowi elastomer magnetoreologiczny, a powłoka (2) jest napięta wzdłuż wnęki uformowanej pomiędzy użebrowaniem elementu płatowego (3), przy czym jeden koniec powłoki (2) jest zamocowany do obrotowego członu (4) urządzenia napinającego połączonego z napędem (6), który to człon jest zamocowany w przedniej części wnęki pomiędzy żebrami (7), a drugi koniec powłoki (2) jest zamocowany do sztywnej części struktury profilu na końcu wnęki, zaś w skład urządzenia wytwarzającego pole magnetyczne wchodzą elektromagnesy (1) rozmieszczone w podstawie wnęki.

2. Profil według zastrz. 1, znamienny tym, że w podstawie wnęki pomiędzy elektromagnesami (1) a powłoką (2) jest umieszczona sztywna przekładka.

3. Profil według zastrz. 1, znamienny tym, że obrotowy człon (4) urządzenia napinającego stanowi wałek cylindryczny.

4. Profil według zastrz. 1, znamienny tym, że obrotowy człon (4) urządzenia napinającego stanowi wałek krzywkowy.

5. Profil według zastrz. 1, znamienny tym, że elektromagnesy (1) są połączone z pierwszym modułem sterującym (10) podłączonym do źródła zasilania (8).

6. Profil według zastrz. 1, znamienny tym, że napęd (6) stanowi silnik elektryczny połączony z drugim modułem sterującym (9).

7. Profil według zastrz. 1, znamienny tym, że napęd (6) stanowi serwomechanizm połączony z drugim modułem sterującym (9).

8. Profil według zastrz. 7, znamienny tym, że serwomechanizm jest połączony z obrotowym członem (4) poprzez cięgno (11).