“撷抗式”SMA驱动器的设计及在变厚度机翼中的应用

杨开元

（济宁市兖州区第一中学，山东 济宁 272100）

1 绪论

1.1 变厚度机翼

变体机翼是指飞行器机翼在飞行过程中，为了根据不同的飞行环境做出响应，通过改变机翼的一些部件的几何形状、尺寸或者位置，使得机翼具备不同的形状从而改变飞行姿态，以获得更好的飞行性能。根据不同的飞行环境，变体机翼可以通过驱动器调节不同参数，比如前缘位置、后缘位置、弦线弧度和翼型厚度等。变厚度机翼是通过机翼上表面的蒙皮变形，改变机翼的相对厚度，从而改变机翼的气动特性。巡航飞行时，增加机翼的相对厚度，保证飞行器的升力系数，减小油耗，增加航程；加速飞行时，减小机翼的相对厚度，降低飞行器的超速度波阻，提高飞行器的机动性能。

1.2 形状记忆合金

形状记忆合金（shape memory alloy，简称SMA）是能够记忆其初始形状的智能材料。SMA受益于其独特的形状记忆效应而广泛应用于变体飞行器、变循环发动机和卫星等领域。形状记忆效应是指当SMA处于低于其相变温度的环境时，对其加载并卸载并存在残余应变，此时对SMA加热至相变温度之上，残余应变会消失，SMA完全恢复到加载前的形状。利用形状记忆效应，SMA驱动器不仅能够输出大驱动力和大驱动位移，还具有主动变形功能和较高的功重比。传统的变体机翼驱动器普遍采用的是液压驱动器和电机驱动，这两类驱动器由于其结构和控制系统复杂，功重比较低，可靠性低且维护成本高，已经逐渐被智能驱动器所取代。因此，SMA驱动器成为了设计变体机翼驱动结构的重要技术手段。

2 “撷抗式”SMA驱动器设计

2.1 “撷抗式”SMA驱动器结构设计

本文利用形状记忆合金丝的形状记忆效应和主动变形的特点设计了撷抗式”SMA驱动器。“撷抗式”SMA驱动器的结构如图1所示。图1（a）是组成“撷抗式”SMA驱动器的一个驱动单元，该驱动单元由两根SMA丝、定滑轮，铰链组成。SMA丝一端固定在固定端，另一端通过铰链相与另一根SMA丝相连接，其中铰链呈90°缠绕在定滑轮上，并可以在定滑轮上自由滑动。所谓“撷抗式”（如图1（a）所示），是指驱动单元的两组SMA丝呈对拉状态。两组SMA丝有各自的加热电路，当通电加热SMA-1丝时，SMA-1丝受热收缩，拉动定滑轮转动，同时产生的拉力会将SMA-2丝拉长；相反地，当通电加热SMA-2时，SMA-2受热收缩，顺时针拉动定滑轮转动，同时产生的拉力会将SMA-1丝拉长。

图1 “撷抗式”驱动器

“撷抗式”SMA驱动器的结构如图1（b）所示，该驱动器由四个驱动器单元组成并进行了适当改进。为了实现“撷抗式”的驱动原理，本文将四个驱动单元分为两组，分别位于横杆的上、下方，并呈现对称分布。四组SMA丝与铰链相连接，一端固定在固定端，另一端通过绕过定滑轮的铰链与横板相连接。横板上方有两组SMA丝和一组定滑轮，成对称分布，横板下方有同样两组SMA丝和一组定滑轮，呈对称分布。

2.2 “撷抗式”SMA驱动器原理

“撷抗式”SMA驱动器的原理是利用SMA的形状记忆特性，通过两组SMA丝带动横板运动，以此来实现往复、连续驱动。如图所示，“撷抗式”SMA驱动器具体的工作原理如下。

（1）首先，当需要横板向上运动时，利用电流加热被预拉伸处理的SMA-1a丝和SMA-1b丝（预拉伸的长度需要根据SMA丝的回复性能确定），使其受热收缩从而拉动横板向上运动，此时输出向上的驱动力和驱动位移。同时横板的向上运动会将下方SMA-2b丝和SMA-2b丝拉伸一定长度，即对下方的SMA丝进行了预拉伸处理。

（2）然后，需要横板向下运动回到初始位置时，利用电流SMA-2a丝和SMA-2b丝，使其受热收缩从而拉动横板向下运动并回到初始位置，此时输出向下的驱动力和驱动位移。同时横板的向下运动会将下方SMA-1b丝和SMA-1b丝拉伸回到初始长度，即下方的SMA丝回到了预拉伸状态。至此，驱动器恢复到初始状态，实现了驱动器的往复驱动。

（3）最后，重复（1）～（2）可以实现连续、往复驱动。

3 变体机翼的设计

3.1 变厚度机翼的设计思路

变体机翼需要驱动器提供驱动力和驱动位移来改变某个部件的形状、位置或者尺寸。本文将“撷抗式”SMA驱动器安装在常规机翼中，利用驱动器提供的竖直方向驱动力和驱动位移来驱动机翼蒙皮改变蒙皮弧高。

3.2 变厚度机翼的结构

本文利用三个“撷抗式”SMA驱动器驱动蒙皮改变弧高。三个驱动器（A、B、C）均匀分布，可以使蒙皮的变形光滑连续，避免出现局部变形过大，影响气动性能。变厚度机翼的结构如图2所示，每组驱动器的横板上安装竖直推杆，推杆与蒙皮相连，可以将横板输出的驱动力和驱动位置传递给蒙皮，驱动蒙皮改变孤高。需要指出的是，每个驱动器的安装位置不同，所以推杆的长度也不同，需要根据蒙皮的弧线进行设计。

3.3 变厚度机翼的原理

本文提出的变厚度机翼具有主动变形、往复变形和变形光滑柔顺的特点，且工作简单，切换加热电路即可实现机翼厚度的增加和降低。如图2所示，变厚度机翼的具体工作原理为：当飞行条件改变，需要增加机翼厚度时，通过电流加热驱动器上方的SMA丝，使得其受热收缩并带动推杆向上运动，同时将下方的SMA丝进行拉伸，此时机翼蒙皮在多组驱动器推杆的驱动下升高，使得机翼的蒙皮弧线增加高度；当飞行条件改变，需要降低机翼厚度恢复初始厚度时，通过电流加热全部驱动器下方的SMA丝，使得其受热收缩并带动其所在驱动器的推杆向下运动，同时将上方的SMA丝拉伸至初始状态，此时机翼蒙皮在多组驱动器推杆的驱动下降低高度，使得机翼恢复到初始厚度。

此外，除上述两种主要工作状态以外，变厚度机翼可以选择性地使驱动器A、B、C中某个或某几个工作，通过不同的驱动器组合方式，可以使机翼蒙皮具有更复杂多样的高度，从而使机翼具有多种厚度，可以适应更复杂多变的飞行环境。

图2 变体机翼的设计

4 结语

本文首先利用形状记忆合金设计了一种新型的“撷抗式”SMA驱动器，然后利用该驱动器驱动调节变体机翼的机翼厚度变化，以满足飞行器在不同飞行环境下的气动性能需求。本文得到的主要研究内容如下。

（1）本文利用形状记忆合金的主动变形性能，设计了一种能够主动变形、可往复驱动的“撷抗式”SMA驱动器。

（2）利用“撷抗式”SMA驱动器驱动变体机翼的变厚度调节，且为变体机翼带来了主动变形、变形光滑柔顺的特点。