一种高高空螺旋桨装置，它包括多稳态柔顺机构、半柔性翼面、飞行状态传感器和控制系统；多稳态柔顺机构本体配置成响应于控制系统发出的激励信号输入而产生机构输出，半柔性翼面构成螺旋桨各个桨叶截面的叶素翼型，通过自身的可变形性，达到螺旋桨在飞行过程中气动力和功率的动态调整；飞行状态传感器时时采集飞行器的飞行参数，并将这些飞行参数快速传递给控制系统；控制系统接收飞行状态传感器传递的数据后进行分析和计算，并根据既定的程序对多稳态柔顺机构发出激励信号，调节螺旋桨的各个截面叶素翼型，从而使螺旋桨桨叶气动外形改变。它是一种效率高、重量轻、且在高高空低速飞行器飞行高度范围内均具有较佳气动性能的螺旋桨装置。
1.一种高高空螺旋桨装置，其特征在于：它包括多稳态柔顺机构、半柔性翼面、飞行状态传感器和控制系统；多稳态柔顺机构本体配置成响应于控制系统发出的激励信号输入而产生机构输出，半柔性翼面构成螺旋桨各个桨叶截面的叶素翼型，通过自身的可变形性，达到螺旋桨在飞行过程中气动力和功率的动态调整；飞行状态传感器实时采集飞行器的飞行参数，并将这些飞行参数快速传递给控制系统；控制系统接收飞行状态传感器传递的数据后进行分析和计算，并根据既定的程序对多稳态柔顺机构发出激励信号，调节螺旋桨的各个截面叶素翼型，从而使螺旋桨桨叶气动外形改变；
所述多稳态柔顺机构存在复数个，即分布在复数个螺旋桨桨叶截面叶素处，因此这种高高空螺旋桨装置的桨叶翼型变化是通过复数个多稳态柔顺机构的共同作用来完成的；控制系统能同时对复数个多稳态机构施加激励信号；该多稳态柔顺机构由柔性杆件、柔性铰链、刚性杆件、刚性铰链组成，彼此相互连接；该柔性杆件是截面为圆形或矩形的长直杆件或弯的杆件，它是由柔性材料构成的单个实体；该柔性铰链是左右两端较厚中间相对薄的部件，也是由柔性材料构成的实体部件，自身是一个整体，但左右两端能相对转动；该刚性杆件是刚度较好的杆件，该刚性铰链是连接两个固体并允许两者之间做转动的机械装置；
因此，这种多稳态柔顺机构本体具有由柔性材料制成的复数个区域，柔性材料在接受激活信号后产生机构内部弹性势能和材料属性的变化，最终产生机构输出点的位移和方向的变化；
所述半柔性翼面构成螺旋桨桨叶截面叶素翼型，半柔性翼面分为刚性翼面和柔性翼面，刚性翼面位于螺旋桨翼型的前缘段，不仅给多稳态柔顺机构和控制系统提供安装基座，也作为柔性段的固定端；柔性翼面连接于多稳态柔顺机构输出点，从而产生转动、拉伸和位移的变化；刚性翼面与柔性翼面为一体化连接，保证了螺旋桨桨叶平滑的上下翼面气动特性；该半柔性翼面具有足够的刚度和强度，从而保证螺旋桨能够承受住飞行过程中产生的气动载荷，包括的弯矩、扭矩、拉应力、压应力和剪切应力；翼面将部分气流所产生的载荷传递到多稳态柔顺机构时，不破环此时柔顺机构的稳定特性，即传递过来的气动载荷在多稳态柔顺机构维持稳定性能的能量裕度之类；
所述飞行状态传感器用于采集飞行器高度、螺旋桨前进速度数据，并将这些参数传递给控制系统，控制系统根据这些飞行参数计算出最佳的气动外形，从而生成激励信号，触发多稳态柔顺机构进行机构构型配置；
所述控制系统接收飞行状态传感器传递的数据后进行分析，并能计算出当前状态下桨叶具有较佳气动参数的翼型数据，并据此生成多稳态柔顺机构的激励信号并根据既定的程序对多稳态柔顺机构发出激励信号；该控制系统发出的激励信号使机构本体从第一构型特征位置跃变到第二构型特征位置，或者第n个构型特征位置；该激励信号是力、力矩、电流、电压、磁的形式；这些形式的激励信号触发机构的运动，特别是触发柔性材料的突弹跳变，用以改变柔性材料自身的材料属性以及机构自身的内部弹性势能。
2.根据权利要求1所述的一种高高空螺旋桨装置，其特征在于：该柔性材料从包括形状记忆合金、形状记忆合金聚合物、聚丙烯、压塑性塑料的组合来选择。
3.根据权利要求1所述的一种高高空螺旋桨装置，其特征在于：该多稳态柔顺机构内部弹性势能的改变由多稳态柔性机构接收激励信号后发生的突弹跳变而产生，其中，至少一种材料属性以选择性改变的材料属性值为特征；机构内部弹性势能和本体材料属性值伴随着控制器输出的激励信号值而改变；该多稳态柔顺机构的多稳态性能体现在机构在没有能量，即没有外部的力、力矩、温度形式的激励信号输入时，机构仍能保持稳定的构型位置，且这种稳定的构型位置具有两种或以上，从而保证了半柔性翼面变形后的多稳态性。
一种高高空螺旋桨装置
技术领域
[0001] 本发明提供一种高高空螺旋桨装置，它是涉及一种适应于高高空低速飞行器大跨度飞行的螺旋桨装置，特别是涉及一种利用多稳态柔顺机构来改变螺旋桨桨距和翼型参数的螺旋桨装置。属于航空装备技术领域。
背景技术
[0002] 高高空低速飞行器的巡航高度高(20km～30km)、飞行高度跨度大(0km～巡航高度)，其螺旋桨的工作环境变化较大，如海拔20km～30km高度下，空气密度是海平面的1/13～1/70，运动粘度为海平面的11～55倍。因此，固定桨距及翼型参数的螺旋桨不能同时满足高空大气环境和低空大气环境对螺旋桨气动性能的要求。为使高高空低速飞行器在高、低均能有效推进，目前的解决方法有两种：一种是布置高空和低空两套螺旋桨装置。这种方法简单、直接。高空推进时，采用高空螺旋桨装置；低空推进时，采用低空螺旋桨装置。
采取这种方法时，由于高、低空螺旋桨均需配置相应的驱动装置，使得推进系统的利用效率较低、质量大，推重比小。另一种是采用折叠式螺旋桨装置。这种螺旋桨装置通过特定的机构将高、低空螺旋桨桨叶组合在一起，在两个特定的飞行高度下具有较佳的气动性能，但为了适应高低空螺旋桨桨叶对转矩和转速的不同需求，必须为螺旋桨驱动电机或发动机配置变速装置；另外，采用这种螺旋桨时，还须考虑螺旋桨结构变化所需的工作空间。
发明内容
[0003] 本发明的目的是针对上述背景技术存在的缺陷，提供一种高高空螺旋桨装置，它是一种效率高、重量轻、对驱动装置改动小，且在高高空低速飞行器飞行高度范围内均具有较佳气动性能的螺旋桨装置。
[0004] 为实现上述目的，本发明根据高高空低速飞行器的飞行高度，通过多稳态柔顺机构实现螺旋桨桨距和翼形参数的调节，解决螺旋桨与动力驱动装置的匹配问题，并使螺旋桨装置在整个飞行高度范围内均有较佳的气动性能。技术方案如下：
[0005] 一种高高空螺旋桨装置，具体包括多稳态柔顺机构、半柔性翼面、飞行状态传感器、控制系统。它们之间的位置连接关系及信号走向是：多稳态柔顺机构本体配置成响应于控制系统发出的激励信号输入而产生机构输出，半柔性翼面构成螺旋桨各个桨叶截面的叶素翼型，通过自身的可变形性，达到螺旋桨在飞行过程中气动力和功率的动态调整；飞行状态传感器时时采集飞行器的飞行参数(包括飞行高度、飞行器前飞速度等数据)，并将这些飞行参数快速传递给控制系统；控制系统接收飞行状态传感器传递的数据后进行分析和计算，并根据既定的程序对多稳态柔顺机构发出激励信号，调节螺旋桨的各个截面叶素翼型，从而使螺旋桨桨叶气动外形改变。
[0006] 所述多稳态柔顺机构存在多个，即分布在多个螺旋桨桨叶截面叶素处。因此这种高高空螺旋桨装置的桨叶翼型变化是通过多个多稳态柔顺机构的共同作用来完成的。控制系统能同时对多个多稳态机构施加激励信号。该多稳态柔顺机构由柔性杆件、柔性铰链、刚性杆件、刚性铰链组成，彼此相互连接；该柔性杆件是截面为圆形或矩形的长直杆件，也可以是弯的杆件，它是由柔性材料构成的单个实体；该柔性铰链是左右两端较厚中间相对薄的部件，也是由柔性材料构成的实体部件，虽然自身是一个整体，但左右两端可以相对转动；该刚性杆件是一般刚度较好的杆件，该刚性铰链是一般连接两个固体并允许两者之间做转动的机械装置。因此，这种多稳态柔顺机构本体具有由柔性材料制成的多个区域。柔性材料在接受激活信号后产生机构内部弹性势能和材料属性的变化，最终产生机构输出点的位移和方向的变化。
[0007] 所述半柔性翼面构成螺旋桨桨叶截面叶素翼型，半柔性翼面分为刚性翼面和柔性翼面，刚性翼面位于螺旋桨翼型的前缘段，不仅给多稳态柔顺机构和控制系统提供安装基座，也作为柔性段的固定端。柔性翼面连接于多稳态柔顺机构输出点，从而产生转动、拉伸和位移的变化。刚性翼面与柔性翼面为一体化连接，保证了螺旋桨桨叶平滑的上下翼面气动特性。该半柔性翼面具有足够的刚度和强度，从而保证螺旋桨能够承受住飞行过程中产生的气动载荷，包括的弯矩、扭矩、拉应力、压应力和剪切应力。翼面将部分气流所产生的载荷传递到多稳态柔顺机构时，不破环此时柔顺机构的稳定特性，即传递过来的气动载荷在多稳态柔顺机构维持稳定性能的能量裕度之类。
[0008] 所述飞行状态传感器用于采集飞行器高度、螺旋桨前进速度等数据，并将这些参数传递给控制系统，控制系统根据这些飞行参数计算出最佳的气动外形，从而生成激励信号，触发多稳态柔顺机构进行机构构型配置。
[0009] 所述控制系统接收飞行状态传感器传递的数据后进行分析，并能计算出当前状态下桨叶具有较佳气动参数的翼型数据，并据此生成多稳态柔顺机构的激励信号并根据既定的程序对多稳态柔顺机构发出激励信号。该控制系统发出的激励信号使机构本体从第一构型特征位置跃变到第二构型特征位置，或者第n个构型特征位置。该激励信号可以是但不仅限于是力、力矩、电流、电压、磁的形式。这些形式的激励信号触发机构的运动，特别是触发柔性材料的突弹跳变，用以改变柔性材料自身的材料属性以及机构自身的内部弹性势能。
[0010] 其中，该柔性材料从包括形状记忆合金、形状记忆合金聚合物、聚丙烯、压塑性塑料的组合来选择。
[0011] 其中，该多稳态柔顺机构内部弹性势能的改变由多稳态柔性机构接收激励信号后发生的突弹跳变而产生。其中，至少一种材料属性以选择性改变的材料属性值为特征；其中机构内部弹性势能和本体材料属性值伴随着控制器输出的激励信号值而改变。该多稳态柔顺机构的多稳态性能体现在机构在没有能量，即没有外部的力、力矩、温度等形式的激励信号输入时，机构仍能保持稳定的构型位置，且这种稳定的构型位置具有两种或以上，从而保证了半柔性翼面变形后的多稳态性。
[0012] 一种具有多稳态柔顺机构的高高空螺旋桨，螺旋桨桨叶具体气动外形变化过程为：首先，飞行状态传感器将收集到的状态信号传递给控制系统，控制系统中央处理器对数据进行计算后产生激励信号输出，使多稳态柔顺机构构型柔顺变换，机构从第一个构型特征位置变换到第二个构型特征位置。螺旋桨柔性翼面响应多稳态柔顺机构输出点的运动，从而发生桨叶气动外形的变化。当飞行高度较高是，所处的飞行环境空气密度较低，螺旋桨桨叶展弦比大、桨距较小。当飞行高度低，所处的飞行环境空气密度较高时，螺旋桨桨叶展弦比小、桨距较大。这样匹配出适应不同飞行高度环境的螺旋桨各个截面翼型和桨距，从而达到最佳的飞行状态。
[0013] 优点及功效：本发明一种高高空螺旋桨装置，它的优点是：结合柔顺机构可变形的特点和高高空螺旋桨几何外形的要求，使螺旋桨桨叶气动外形能够根据需求任意改变。因为柔性机构具有的结构简单、免装配和摩擦等特点，使得本发明的一种高高空螺旋桨结构简单,可靠性好，重量轻。另外，飞行状态能被时时监控，控制系统能发出改变螺旋桨几何外形的激励信号，可以实现整个飞行过程中桨叶气动外形的动态调整以适应当前的飞行状态，因此该高高空螺旋桨装置气动特性好，兼顾高、低空推进需求。最后，对高低空飞行的兼顾使得螺旋桨与电机功率匹配特性好。
附图说明
[0014] 图1为本发明结构示意图；
[0015] 图2(a)一种高高空低速飞行器螺旋桨桨叶外形示意图；
[0016] 图2(b)一种高高空低速飞行器螺旋桨桨叶截面叶素示意图；
[0017] 图3多稳态柔顺机构示意图；
[0018] 图4(a)一种稳态翼型示意图。
[0019] 图4(b)变形后的另一种稳态翼型示意图。
[0020] 图中符号说明如下：
[0021] 1、半柔性翼面；2、多稳态柔顺机构；3、控制系统；4、飞行状态传感器。
具体实施方式
[0022] 本发明是一种高高空螺旋桨装置，如图1，它是由多稳态柔顺机构2、半柔性翼面1、飞行状态传感器4、控制系统3组成；其中这种装置重点是将柔顺机构多稳态性能与可变形螺旋桨设计相结合。控制系统3可根据飞行器飞行高度和螺旋桨前进速度，初选与动力驱动系统匹配的翼型，并解算出产生该翼型的的相关机构形式，最后驱动机构使螺旋桨已期望翼型运转。
[0023] 如图4(a)、(b)所示为高高空螺旋桨在叶素r/R＝0.4(以此处叶素为例说明)处的两种不同稳定形态的翼型，多稳态柔顺机构2的固定端与半柔性翼面1的刚性翼面部分通过铰链连接在一起，多稳态柔顺机构2的输出端与半柔性翼面1的柔性翼面部分也通过铰链连接在一起，多稳态柔性机构本身的各个杆件(包括刚性杆件和柔性杆件)通过刚性铰链和柔性铰链相连。飞行状态传感器4与控制系统3连接。控制系统3输出的激励信号点位于多稳态柔顺机构2的柔顺杆件和柔性铰链上。图2(a)、(b)为本发明螺旋桨桨叶外形及截面叶素示意图。
[0024] 如图1所示，飞行状态传感器4将采集飞行高度、螺旋桨前进速度等数据，并将这些数据传递给控制系统3。根据对不同飞行环境的数据分析处理，控制系统3计算出此时螺旋桨叶素的最佳翼型数据，并匹配出对多稳态柔顺机构2的多个输入点输入特定的激励信号(激励信号的形式可以是但不仅限于是电流、电压信号)，用以改变了该多稳态柔顺机构2上的柔性材料的材料属性和机构自身的内部弹性势能。通过多稳态柔性机构2内部杆件、铰链自身弹性势能的调整、以及机构与外部连接件在力学上的平衡，多稳态柔性机构2将会从第一构型图4(a)变换位第二构型图4(b)，第一构型和第二构型均为该多稳态柔顺机构2的两种稳定的构型，且两种构型空间坐标位置相对较大，能量稳定裕度跨度也较大。这样稳定的气动外形具有三至五个或者更多。图3为该多稳态柔顺机构示意图。
[0025] 柔性翼面与多稳态柔顺机构的位移变化输出点铰接在一起，由于机构自身构型调整和变化，将驱动柔性翼面的变化，叶素翼型的曲率，弦长，厚度、迎角等参数发生改变，这样就使得螺旋桨获取不同的气动外形。桨叶的柔性翼面的不同形态储存的弹性应力能够由多稳态柔顺机构和刚性翼面加以平衡，且半柔性翼面也具有足够的刚度和强度。
[0026] 如图4(a)所示叶素的构型是飞行器在飞行高度h1,来流速度V1飞行状态下能匹配出的最佳构型，此时电推进系统功率吸收率n1足够大；如图4(b)所示叶素的构型是飞行器在飞行高度h2,来流速度V2飞行状态下能匹配出的最佳构型，此时电推进系统功率吸收率n2足够大。飞行状态传感器4时时采集到飞行参数传递给控制系统3时，当控制系统3辨识到飞行器从飞行h1进入到h2时，将发出激励信号，触发多稳态柔顺机构2的构型调整。从而使叶素r/R＝0.4处截面翼型从图4(a)变化到图4(b)的稳定位置。
[0027] 通过以上利用多稳态柔顺机构2构型调整与半柔性翼面1变形调整的结合的方法，高高空飞行器能够在多个高度充分利用电推进系统的能源供给，以适应高低空飞行任务。
