PL225570B1

PL225570B1 - A variable shape aviation profile

Info

Publication number: PL225570B1
Application number: PL404928A
Authority: PL
Inventors: Paweł Skalski; Maciej Parafiniak; Łukasz Czajkowski
Original assignee: Inst Lotnictwa
Priority date: 2013-07-31
Filing date: 2013-07-31
Publication date: 2017-04-28
Also published as: PL404928A1

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest profil lotniczy o zmiennym kształcie, posiadający strukturę z materiałem aktywnym umożliwiającym zmianę właściwości aerodynamicznych skrzydła samolotu lub łopaty wiropłatu podczas lotu, a także zmianę właściwości aerodynamicznych obracającej się łopaty turbiny wiatrowej.The subject of the invention is a variable shape aviation profile having a structure with an active material that allows the aerodynamic properties of an airplane wing or a rotorcraft blade to change during flight, as well as the aerodynamic properties of a rotating wind turbine blade.

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 m agnetycznego, takie jak materiały piezoelektryczne, magnetostrykcyjne, materiały ze stopów z pamięcią kształtu (SMA).In aviation technology, variable shape structures, also called morphic structures, are used, allowing the aerodynamic properties of the wing and control surfaces to change during flight, thus increasing flight efficiency. For the construction of this type of structures, active materials are used that change shape under the influence of an external electric or magnetic impulse, such as piezoelectric, magnetostrictive materials, and shape memory alloy (SMA) materials.

W opisie patentowym US8043053 przedstawione jest skrzydło stabilizatora poziomego wyp osażone w dwa aktuatory wykonane ze stopu SMA, które służą do zmiany kształtu tylnej elastycznej części skrzydła.Patent description US8043053 presents a wing of a horizontal stabilizer equipped with two actuators made of SMA alloy, which are used to change the shape of the rear flexible part of the wing.

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.In the patent description US2009079301 an aviation profile with a variable shape is presented, in which the change of the shape of the profile takes place under the influence of an actuator made of layers of piezoelectric material.

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 adaptacyjną zmianę profilu lotniczego pod wpływem impulsu sterującego. 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. Ponadto zastosowana warstwa aktywna może służyć jako czujnik przekazujący sygnały do układu sterowania.Patent application DE1997112034 shows an aviation profile with a variable edge shape, in which the flexible sheathing of the profile has a locally embedded active layer made of an active, piezoceramic, piezoelectric or magnetostrictive material. The solution enables an adaptive change of the air profile under the influence of a control impulse. The aviation profile can be made of composite layers of appropriately selected thickness, enabling elastic deformation under the influence of the active material. This solution can also be used in wind turbine blades to change their aerodynamic characteristics. Moreover, the applied active layer can serve as a sensor transmitting signals to the control system.

W przedstawionych powyżej rozwiązaniach wykorzystuje się mechaniczny element wykonawczy wykonany ze stałego materiału aktywnego.In the solutions presented above, a mechanical actuator made of a solid active material is used.

W technice lotniczej stosowane są także ciecze i elastomery magnetoreologiczne, które mogą zmieniać swoje właściwości lepkosprężyste pod wpływem pola magnetycznego. Mogą także osiągać konsystencję ciała stałego w czasie kilku milisekund. Te cechy materiałów magnetoreologicznych są wykorzystywane do aktywnego tłumienia drgań mechanizmów. Z opisu patentowego EP 1422439 znany jest także układ mocujący, w którym zaczepy są wykonane z magnetoreologicznego elastomeru o zmiennym kształcie i sztywności. Zmiana kształtu i sztywności następuje pod wpływem pola m agnetycznego generowanego przez magnes stały, elektromagnes, lub układ tych magnesów.In aviation technology, magnetorheological liquids and elastomers are also used, which can change their viscoelastic properties under the influence of a magnetic field. They can also become solid in a few milliseconds. These features of magnetorheological materials are used to actively damp vibrations of the mechanisms. From the patent description EP 1422439 there is also known a fastening system in which the catches are made of a magnetorheological elastomer of variable shape and stiffness. The change of shape and stiffness occurs under the influence of the magnetic field generated by a permanent magnet, electromagnet, or a system of these magnets.

Profil lotniczy o zmiennym kształcie, posiadający elektromagnesy wytwarzające pole magnetyczne w otoczeniu substancji magnetoreologicznej umieszczonej w strukturze profilu, według wyn alazku charakteryzuje się tym, że substancję magnetoreologiczną stanowi ciecz magnetoreologiczn a wypełniająca kanaliki wykonane w elastomerowej powłoce przymocowanej od zewnątrz do poszycia, zaś elektromagnesy są zamocowane do poszycia od wewnątrz profilu, przy czym rdzenie cewek elektromagnesów są skierowane w kierunku powłoki.An aviation profile with a variable shape, having electromagnets generating a magnetic field in the vicinity of a magnetorheological substance placed in the profile structure, according to the invention, it is characterized by the fact that the magnetorheological substance is a magnetorheological liquid and filling the channels made in an elastomeric shell attached to the outer shell, and the electromagnets are fixed to the sheathing on the inside of the profile, with the cores of the electromagnet coils facing the shell.

Korzystnym jest, jeżeli poszycie jest uformowane z kompozytu warstwowego, do którego są zamocowane rdzenie wraz z cewkami.Preferably, the sheathing is formed of a sandwich composite to which the cores are attached with the coils.

Korzystnym jest także, jeżeli w skład poszycia wchodzi płyta nośna, do której są przymocowane od wewnątrz rdzenie wraz z cewkami, a od zewnątrz elastomerowa powłoka z kanalikami.It is also advantageous if the sheathing consists of a support plate to which the cores with the coils are attached from the inside, and an elastomeric sheath with channels on the outside.

W korzystnym wykonaniu profilu, płyta nośna stanowi część modułu z macierzowym układem transformatorów, mocowanego rozłącznie w profilu lotniczym.In a preferred embodiment of the profile, the support plate forms part of a module with a matrix arrangement of transformers, detachably mounted in the aviation profile.

Podczas działania elektromagnesów ciecz magnetoreologiczną przemieszcza się do miejsca działania wytworzonego pola magnetycznego. Pole magnetyczne oddziałuje na ciecz magnetoreologiczną powodując zmianę położenia cząstek magnetycznych. Ciecz wypiętrza się pokonując opór elastycznej powłoki, co powoduje zmianę kształtu profilu lotniczego, a tym samym zmianę jego właściwości aerodynamicznych i optycznych.During the operation of the electromagnets, the magnetorheological fluid moves to the place of operation of the created magnetic field. The magnetic field affects the magnetorheological fluid causing the position of the magnetic particles to change. The liquid pushes up against the resistance of the elastic coating, which changes the shape of the aviation profile, and thus changes its aerodynamic and optical properties.

Przedmiot wynalazku jest objaśniony w przykładzie wykonania przedstawionym na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia profil lotniczy o zmiennym kształcie w przekroju poprzecznym, fig. 2 prze dstawia szczegół A z fig. 1 w powiększeniu, fig. 3 przedstawia fragment profilu lotniczego z fig. 1 w perspektywie, fig. 4 przedstawia modułową strukturę warstwową do profilu lotniczego o zmiennymThe subject of the invention is explained in the embodiment shown in the drawing, in which fig. 1 shows an aviation profile with a variable shape in a cross-section, fig. 2 shows detail A in fig. 1 enlarged, fig. 3 shows a fragment of the aviation profile from fig. 1 in perspective, Fig. 4 shows a modular sandwich structure for a variable aviation profile

PL 225 570 B1 kształcie w przekroju poprzecznym, fig. 5 przedstawia szczegół A z fig. 4, a fig. 6 przedstawia modułową strukturę warstwową z fig. 4 w perspektywie.5 shows detail A of fig. 4 and fig. 6 shows the modular sandwich structure of fig. 4 in perspective.

Jak przedstawiono na fig. 1, 3, profil lotniczy o zmiennym kształcie posiada elektromagnesy wytwarzające pole magnetyczne w otoczeniu substancji magnetoreologicznej umieszczonej w strukturze profilu. Substancję magnetoreologiczną stanowi ciecz magnetoreologiczna wypełniająca kanaliki 3 wykonane w elastomerowej powłoce 2 przymocowanej od zewnątrz do poszycia 1. Elektromagnesy są zamocowane do poszycia 1 od wewnątrz profilu tak, że rdzenie 5 cewek 4 elektromagnesów są skierowane w kierunku powłoki 2. Poszycie 1 profilu lotniczego widocznego na fig. 1 jest uformowane z kompozytu warstwowego, do którego są zamocowane bezpośrednio rdzenie 5 wraz z cewkami 4. Struktura profilu może być wyposażona w rozmieszczone macierzowo transformatory wytwarzające pole magnetyczne w wybranych miejscach powłoki 2 widocznej na fig. 3. Macierz transformatorów wraz z powłoką 2 może być także wykonana jako modułowa struktura warstwowa, mocowana w strukturze profilu, złożona z co najmniej jednego rzędu transformatorów.As shown in Figures 1, 3, the variable shape aviation profile has electromagnets that generate a magnetic field in the vicinity of a magnetorheological substance placed in the profile structure. The magnetorheological substance is a magnetorheological fluid filling the channels 3 made in an elastomeric shell 2 attached from the outside to the shell 1. The electromagnets are attached to the shell 1 from the inside of the profile so that the cores 5 of the coils 4 of the electromagnets are directed towards the shell 2. The shell 1 of the aviation profile visible on the Fig. 1 is formed of a sandwich composite to which the cores 5 are attached directly with the coils 4. The profile structure may be equipped with matrix-arranged transformers generating a magnetic field at selected points of the shell 2 shown in Fig. 3. The transformer array with the shell 2 it can also be made as a modular sandwich structure, fixed in the profile structure, composed of at least one row of transformers.

Modułowa struktura warstwowa widoczna na fig. 4-6 składa się z płyty nośnej 6, do której są przymocowane od wewnątrz rdzenie 5 wraz z cewkami 4, a od zewnątrz elastomerowa powłoka 2 z kanalikami 3. Krawędzie boczne powłoki 2 są zespolone z wygiętymi do góry krawędziami płyty nośnej 6. Moduł z rozmieszczonymi macierzowo transformatorami wytwarzającymi pole magnetyczne w wybranych miejscach powłoki 2 jest widoczny na fig. 6. Taki moduł może być mocowany rozłąc znie do struktury profilu lotniczego, a wówczas płyta nośna 6 wchodząca w skład modułu zastępuje część poszycia 1. Elektromagnesy kształtujące pole magnetyczne mogą być rozmieszczone w zdefiniowanym położeniu, optymalnym i odpowiadającym za założoną deformację powierzchni.The modular sandwich structure shown in Figs. 4-6 consists of a support plate 6 to which the cores 5 are attached with the coils 4 on the inside, and the elastomeric sheath 2 with the channels 3 on the outside. The side edges of the sheath 2 are combined with those curved upwards. the edges of the support plate 6. The module with matrix-arranged transformers generating the magnetic field at selected points of the shell 2 is shown in Fig. 6. Such a module can be attached separately to the structure of the aviation profile, and then the support plate 6 included in the module replaces a part of the shell 1 The electromagnets shaping the magnetic field can be placed in a defined position, optimal and corresponding to the assumed deformation of the surface.

Pod wpływem pola magnetycznego, ciecz magnetoreologiczna wypiętrza się powodując lokalną zmianę kształtu powłoki 2. Kształt wypiętrzeń cieczy magnetoreologicznej znajdującej się w kanalikach 3 zależy od siły i sposobu ukierunkowania pola magnetycznego, a także od układu kanalików 3 wypełnionych cieczą. Elektromagnesy mogą być włączane oddzielnie w poszczególnych rzędach. W rezultacie uzyskuje się wypukłe wypiętrzenie miejscowe lub liniowe w kierunku wzdłużnym lub poprzecznym, co z kolei wpływa na własności aerodynamiczne profilu i jego sztywność. Kanaliki na ciecz m agnetoreologiczną ograniczają przemieszczenie cieczy do strefy działania pola magnetycznego. Kanaliki 3 umożliwiają także przesuniecie środka ciężkości w wyniku częściowego przem ieszczenia cieczy, co pozwala na zmianę położenia profilu. Na fig. 4-6 widoczne jest wypukłe wypiętrzenie miejscowe spowodowane działaniem pojedynczego elektromagnesu. Analogiczne wypukłe wypiętrzenia powstaje w powłoce 2 profilu lotniczego przedstawionego na fig. 1.Under the influence of the magnetic field, the magnetorheological fluid swells up causing a local change in the shape of the shell 2. The shape of the rising magnetorheological fluid in the channels 3 depends on the strength and method of directing the magnetic field, as well as on the arrangement of the channels 3 filled with the liquid. The electromagnets can be turned on separately in each row. The result is a local or linear convex uplift in the longitudinal or transverse direction, which in turn affects the aerodynamic properties of the profile and its stiffness. The agnetheological fluid channels restrict the movement of the fluid into the magnetic field. The channels 3 also allow a shift of the center of gravity as a result of the partial displacement of the liquid, which allows the profile to be repositioned. Figures 4-6 show a local convex uplift caused by the action of a single electromagnet. Analogous raised elevations are formed in the skin 2 of the aviation profile shown in Fig. 1.

Rozwiązanie według wynalazku może funkcjonalnie spełniać rolę klapki będącej elementem skrzydła, a jego rola polega zarówno na zwiększeniu siły nośnej lub ograniczeniu 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. Dodatkowo, deformacja struktury prowadzi do zmiany obrazu powierzchni oraz do rozproszenia promieniowania radarowego, co może być wykorzystane w technologii stealth.The solution according to the invention may functionally fulfill the role of a flap being an element of the wing, and its role is to both increase the lift or reduce drag forces, and to actively influence the aerodynamic properties in order to limit self-excited vibrations, excessive vibrations caused by dynamic loading of the profile, as well as to reduce the noise level or energy loss during movement. In addition, deformation of the structure leads to a change in the surface image and scattering of the radar radiation, which can be used in stealth technology.

Claims

1. Variable shape aviation profile with electromagnets generating a magnetic field in the vicinity of a magnetorheological substance placed in the profile structure, characterized in that the magnetorheological substance is a magnetorheological liquid filling the channels (3) made in an elastomeric shell (2) attached to the outside of the sheathing (1 ), and the electromagnets are attached to the shell (1) on the inside of the profile, with the cores (5) of the electromagnet coils (4) facing the shell (2).

2. Profile according to claim 3. The skin as claimed in claim 1, characterized in that the skin (1) is formed of a sandwich composite to which the cores (5) are fixed with the coils (4).

3. Profile according to p. The casing (1) comprises a support plate (6) to which the cores (5) with the coils (4) are attached from the inside, and an elastomeric sheath (2) with channels (3) from the outside.

4. Profile according to p. 3. A method as claimed in claim 3, characterized in that the support plate (6) forms part of a module with a matrix arrangement of transformers, detachably mounted in the aviation profile.