一种超音速飞行器头部可变形结构的偏转控制机构的制作方法

本发明属于飞行器设计领域，具体涉及一种可用于提高超音速飞行器机动效能的头部可变形结构的偏转控制机构。

背景技术：

超音速飞行器的操纵效率是衡量其性能的重要指标，高效率的操纵方式具有重大的研究价值。

然而在现有的操纵方式中，控制舵面大多位于飞行器上偏后的位置，随着飞行速度的增加，升力面的结构弹性变形会对舵面效率产生较大的影响。一般情况下，随着操纵面的偏转，翼型弯度的变化会产生与升力方向相反的附加升力；随着飞行速度的增加，该附加升力的值不断增加，操纵效率会不断降低。当飞行速度增加到一定值时，舵面偏转角完全失去作用，操纵效率变为零；如果再增加动压，甚至会出现相反的效果，即操纵反效。

技术实现要素：

本发明针对现有技术中存在的问题，公开了一种控制超音速飞行器头部可变形结构的偏转控制机构的设计方案，本发明的偏转控制机构能够提高超音速飞行器的操纵效率。

本发明是这样实现的：

一种超音速飞行器头部可变形结构的偏转控制机构，包括机头以及机体，其特征在于，所述的机头、机体之间设置偏转控制机构；所述的偏转控制机构为对称结构，包括左右对称设置的双球铰连接结构。双球铰连接结构采用两端完全对称的方式，以此保证在进行头部偏转动作时，将结构的弯曲(偏转)平均分配到两个球铰所在位置，避免出现局部变形过大的问题。

所述的双球铰连接结构内测两端分别连接头部连接环和机身连接环。头部连接环连接超音速飞行器的头部用来产生偏置力矩的结构部分，如整流罩或雷达罩；机身连接环连接超音速飞行器的偏转控制机构后面的机体结构部分。双球铰连接结构、头部连接环、机身连接环共同构成完整的头部偏转控制机构；所述的双球铰连接结构上还设置有若干距离调整装置，按圆周均布在双球铰连接结构上，用来驱动飞行器的头部偏转，实现飞行器的航向操控。

进一步，所述的头部偏转控制机构整体呈现靠近外表面的环状结构，该环状内部空间大，不影响结构内部空间和纵向结构通路；所述的头部连接环、机身连接环均呈环状；所述的头部连接环的前端与机头固接，头部连接环的后端与双球铰连接结构的前端实现球面配合，形成球铰结构；所述的机身连接环的后端与机体固接；机身连接环的前端与双球铰连接结构的后端实现球面配合，形成球铰结构。

进一步，所述的双球铰连接结构呈环状，前端与头部连接环连接形成球铰，后端与机身连接环连接形成球铰，两个球铰串联形成一体，两球铰中间位置留一段长度作为头部连接环的后端和机身连接环的前端在双球铰连接结构中相互靠近时所需的活动空间。

进一步，所述的双球铰连接结构采用两端完全对称的方式，以此保证在进行头部偏转动作时，将结构的弯曲、偏转平均分配到两个球铰所在位置，避免出现局部变形过大；

在双球铰连接结构呈环状与头部连接环连接形成球铰中，设球面的半径为r，当球铰转动角度θ时，形成r*θ的转动弧线，同时飞行器头部也相对双球铰连接结构产生θ角度的头部偏转；所述的球铰所取的高度取决于飞行器飞行方向偏转所需的最大偏转角度，球面的最大活动空间即对应了飞行器飞行方向的最大偏转角度；每个球铰共需要θ*π/180°*r的预留弧度作为活动范围；

设定双球铰连接结构中每个球铰的所取高度对应的角度为ω，即球铰结构在转动保持ω的接触角度，所述的头部连接环、机身连接环上的球面需要角度为(θ*π/180° ω)对应的高度；

所述的双球铰连接结构内壁中间位置预留的长度，以保证头部连接环、机身连接环相对向中间位置运动的空间，考虑到整体偏转角度较小，每个球铰活动空间中弧面对应的直线段长度为r*sinθ；设定两球铰中间位置留一段长度为d，设定d为用于安装距离调整装置的定位板的长度，d需大于等于2*sinθ*r d，则双球铰连接结构则需要大于等于2*ω*r d的长度。

进一步，所述的距离调整装置包括一个带有双向螺杆的驱动控制盘、两个连接支臂、一个定位板；所述的双向螺杆用于实现距离调整装置的伸缩操作，双向螺杆固接在驱动控制盘的中心轴线处，驱动控制盘两侧螺杆一侧为左旋螺纹，另一侧为右旋螺纹，通过对驱动控制盘的控制完成螺杆的双向转动；驱动控制盘在厚度方向中间环向有凹槽，定位板在凹槽中滑动；定位板一端固定在双球铰连接结构的内壁上，另一端在驱动控制盘的凹槽中，来保证螺杆相对于双球铰连接结构没有轴向相对位移，且定位板位于双球铰连接结构轴向中间位置，使两个球铰上的偏转均匀分配。

进一步，所述的连接支臂连接头部连接环、机身连接环和双向螺杆，将距离调整装置的伸长或缩短传递到机身结构的相应部位；所述的连接支臂包括固定底座、支臂、连接圆环、调心螺母、销钉轴；所述的固定底座通过螺钉固接于头部连接环或机身连接环的内壁处；支臂的两端分别固定底座、连接圆环；调心螺母为圆环形，内壁是螺纹面，外壁是球面或双锥面，上、下面的半径比中面处的半径小h×调心角度，h为螺母上/下面到螺母中面的距离；所述的调心螺母螺纹旋向与对应位置的螺杆旋向相同，通过销钉轴连接在连接圆环上，以保证两端连接环与双球铰连接结构发生相对偏转时，螺杆仍然可以保持进动，促使调心螺母在螺杆上相对运动；销钉轴和调心螺母间为间隙配合，销钉轴与调心螺母发生相对转动，以此使调心螺母可以相对于连接圆环转动，同时在连接圆环与调心螺母间预留空隙作为调心螺母转动空间；连接支臂使驱动力和驱动位移传递路径短，传力直接，结构重量轻；每个距离调整装置对应一个伺服电机，以电机操纵驱动控制盘，通过对电机的控制完成双向螺杆的左旋和右旋，从而实现距离调整装置的伸缩操作。

进一步，所述的距离调整装置设置四个，圆周均布在双球铰连接结构上；每个距离调整装置中双向螺杆的左旋和右旋，促使两端的调心螺母相对靠近或远离，从而带动通过支臂连接的头部连接环、机身连接环在球铰结构中实现偏转，以此完成头部偏转动作；单个距离调整装置的伸缩动作可以实现机头在一个方向的偏转动作，而通过四个距离调整装置的耦合作用，实现机头航向任意角度的偏转。

进一步，所述的偏转控制机构与机体、壳体的连接处应用柔性蒙皮，该部位为柔性蒙皮应用处，柔性蒙皮使得柔性蒙皮应用处的外表面保持光顺。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

本发明利用超音速飞行器的头部呈细长的对称锥形体，以此保证较低的飞行阻力和平稳的飞行状态。当其头部发生一定的偏转时，不对称的结构会在高速飞行的条件下产生一定的偏置力，从而在气流的作用下产生相应的偏置力矩，使飞行器的飞行方向产生相应的变化；如果利用这种头部偏转效应，使头部偏转动作可控，则能高效地进行超音速飞行器的航向机动。

本发明在保证超音速飞行器结构功能的前提下，在超音速飞行器的头部的适当位置应用一种可调节的偏转控制机构，将不可动的超音速飞行器机头变为可灵活控制的头部可变形结构，形成一种新型的头部舵面装置，来进行超音速飞行器的航向控制。且在超音速飞机飞行过程中，速度越快，尾部舵面效率越低，而头部舵面的操纵效率越高；因此，一种头部可变形结构的偏转控制机构对于超音速飞行器的机动效能有较好的改善效果，具有较大的实用价值。

本发明的偏转控制机构可以灵活控制飞行器头部偏转动作，高效率地完成飞行器航向机动，且不像舵面偏后的操纵控制方式，有随飞行速度增加操纵速度效率降低的负面效果，对飞行速度有较好的适应性；且原理简单，控制效率较高，能满足超音速飞行器的高机动性要求。

本发明的超音速飞行器头部可变形结构的偏转控制机构，可以快速地调整飞行器的飞行方向，使其实现航向任意角度偏转。该结构应用于超音速飞行器的头部的适当位置，有利于提高现有超音速飞机的操纵效率，增强机动效能。

附图说明

图1是本发明的偏转控制机构在超音速飞行器中的安装位置示意图；

图2是本发明的偏转控制机构的整体结构示意图以及本实施例中的偏转情况；

图3是距离调整装置的部分示意图；

图4是距离调整装置的局部放大图；

图5是双球铰结构的示意图；

图6为偏转控制机构转动的示意图；

其中，1-机头、2-偏转控制机构，3-机体，4-头部连接环、5-双球铰连接结构、6-距离调整装置，7-机身连接环，8-连接支臂、9-双向螺杆、10-驱动控制盘，11-定位板，12-壳体，13-柔性蒙皮应用处，8.1-固定底座、8.2-支臂、8.3-连接圆环、8.4-调心螺母，8.5-销钉轴。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，以下列举实例对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1～2所示，本发明的偏转控制机构包括机头1以及机体3，所述的机头1、机体3之间设置偏转控制机构2；所述的偏转控制机构2为对称结构，包括左右对称设置的双球铰连接结构5；所述的双球铰连接结构5内测两端分别连接头部连接环4和机身连接环7；双球铰连接结构5、头部连接环4、机身连接环7共同构成完整的头部偏转控制机构；所述的双球铰连接结构5上还设置有若干距离调整装置6，按圆周均布在双球铰连接结构上，用来驱动飞行器的头部偏转，实现飞行器的航向操控。

本发明中的头部连接环4呈环状，头部连接环4的前端与超音速飞行器的机头部分固接，例如整流罩或者雷达罩；头部连接环的后端与双球铰连接结构的前端实现球面配合，形成球铰结构。

本发明中的机身连接环7呈环状，机身连接环7的后端与超音速飞行器的机身部分固接；机身连接环的前端与双球铰连接结构的后端实现球面配合，形成球铰结构。

本发明中的双球铰连接结构5呈环状，前端与头部连接环4连接形成球铰，后端与机身连接环7连接形成球铰，两个球铰串联形成一体，两球铰中间位置留一段距离作为头部连接环4的后端和机身连接环7的前端在双球铰连接结构中相互靠近时所需的活动空间。

双球铰连接结构5双球铰连接结构采用两端完全对称的方式，以此保证在进行头部偏转动作时，将结构的弯曲(偏转)平均分配到两个球铰所在位置，避免出现局部变形过大的问题。以前端(与头部连接环配合的)球铰为例，设球面的半径为r，当球铰转动角度θ时，会形成r*θ的转动弧线，同时飞行器头部也相对双球铰连接结构产生θ角度的头部偏转。根据这样的计算，球铰所取的高度取决于飞行器飞行方向偏转所需的最大偏转角度，球面的最大活动空间即对应了飞行器飞行方向的最大偏转角度。

本实施例中设定所需的最大头部偏转角度为10°的情况，结构将这个相对偏转角度平均分配到两球铰上，即θ＝5°，即双球铰连接结构相对机身偏转5°，机头部分相对双球铰连接结构偏转5°，两球铰在不同方向上会同时相对靠近或相对远离转动5°，因此每个球铰共需要10°*π/180°*r的预留弧度作为活动范围，如果双球铰连接结构中每个球铰的所取高度对应的角度为ω，即球铰结构在转动保持ω的接触角度，由此可以计算，头部连接环、机身连接环上的球面需要角度为(10°*π/180° ω)对应的高度。同时，在双球铰连接结构内壁中间位置预留一定长度，以保证头部连接环、机身连接环相对向中间位置运动的空间，考虑到整体偏转角度较小，球铰半径较大，可以作弧面到直线段的近似计算，中间预留的长度d需大于等于2*sin10°*r d(d为给定位板预留的长度)，而整个双球铰连接结构则需要大于等于2*ω*r d的长度。

如图3～6所示，所述的距离调整装置6包括一个带有双向螺杆的驱动控制盘10、两个连接支臂8、一个定位板11；所述的双向螺杆用于实现距离调整装置6的伸缩操作，双向螺杆固接在驱动控制盘10的中心轴线处，驱动控制盘两侧螺杆一侧为左旋螺纹，另一侧为右旋螺纹，通过对驱动控制盘10的控制完成螺杆的双向转动；驱动控制盘10在厚度方向中间环向有凹槽，定位板11在凹槽中滑动；定位板11一端固定在双球铰连接结构5的内壁上，另一端在驱动控制盘10的凹槽中，来保证螺杆相对于双球铰连接结构没有轴向相对位移，且定位板位于双球铰连接结构轴向中间位置，使两个球铰上的偏转均匀分配。

所述的连接支臂8连接头部连接环4、机身连接环7和双向螺杆，将距离调整装置6的伸长或缩短传递到机身结构的相应部位；所述的连接支臂8包括固定底座8.1、支臂8.2、连接圆环8.3、调心螺母8.4、销钉轴8.5；所述的固定底座8.1通过螺钉固接于头部连接环4或机身连接环7的内壁处；支臂8.2的两端分别固定底座8.1、连接圆环8.3；调心螺母8.4为圆环形，内壁是螺纹面，外壁是球面或双锥面，上、下面的半径比中面处的半径小h×调心角度，h为螺母上/下面到螺母中面的距离；所述的调心螺母8.4螺纹旋向与对应位置的螺杆旋向相同，通过销钉轴8.5连接在连接圆环上，以保证两端连接环与双球铰连接结构发生相对偏转时，螺杆仍然可以保持进动，促使调心螺母在螺杆上相对运动；销钉轴8.5和调心螺母8.4间为间隙配合，销钉轴8.5与调心螺母8.4发生相对转动，以此使调心螺母8.4可以相对于连接圆环8.3转动，同时在连接圆环8.3与调心螺母8.4间预留空隙作为调心螺母8.4转动空间；连接支臂使驱动力和驱动位移传递路径短，传力直接，结构重量轻；每个距离调整装置6对应一个伺服电机，以电机操纵驱动控制盘，通过对电机的控制完成双向螺杆的左旋和右旋，从而实现距离调整装置的伸缩操作。

以下结合附图具体叙述工作过程：

使用该偏转机构时，在超音速飞行器的头部的适当位置应用该结构，如图1所示，头部连接环4与机头1部分固接，机身连接环7与机身部分固接，以此完成该装置的安装。

在进行整体装置安装工作前，先进行部分配件的连接：

由于双球铰连接结构5的最小内径大于头部连接环4、机身连接环7的最大外径，需要进行热加工，将头部连接环4的后端与双球铰连接结构5的前端连接，形成球铰结构；将机身连接环7的前端与双球铰连接结构5的后端连接，形成球铰结构。

在进行距离调整装置6的安装时，先用销钉轴8.5将连接支臂8与调心螺母8.4连接，连接支臂8上的连接圆环有通孔，调心螺母8.4外壁有沉孔，销钉轴8.5与连接支臂8间为过盈配合，销钉轴8.5与调心螺母8.4之间为间隙配合，可相对转动但空隙不宜过大，接着将调心螺母8.4拧到螺杆上，并保持调心螺母8.4在无初始转动且两端调心螺母所处位置对称的状态。

在进行该偏转控制机构的安装时，首先将机身连接环7后端与机身固接，接着在双球铰连接结构5内壁中间位置固定好定位板11，保持结构恢复到无转动的状态；然后将距离调整装置6中的固定底座用螺钉固定8.1在两端连接环的内壁上，固定底座安装前要把双向螺纹的距离调整,，并使得定位板11落在驱动控制盘10中的凹槽里，以此完成距离调整装置的安装；最后，再将超音速飞行器的机头与头部连接环的头部用螺钉固连。本机构采用壳体结构，传力均匀，避免了应力集中，结构效率高。

如图4所示，调心螺母8.4与支臂8.2通过销钉轴8.5连接，需要注意的是，销钉轴作为从调心螺母到支臂的唯一传力部件，需要有足够的强度和刚度。

如图6所示，由于两端的头部连接环4、机身连接环7和双球铰连接结构5的相对转动，需要在飞行器壳体与控制偏转机构的连接处应用柔性蒙皮，使连接处的外表面保持光顺；而在不同的转动情况下，同一处的头部连接环和机身连接环既可能会相对靠近，也可能会相对远离，因此需要对柔性蒙皮进行预拉伸，保证其在两端连接环靠近时不会发生褶皱堆积，出现鼓包现象。

本装置通过双球铰结构完成飞行器头部偏转来实现方向操纵，在双球铰连接结构中，共有四个周向均布的距离调整装置6，两个相隔180°的距离调整装置6与双球铰连接结构5的轴线形成一个偏转平面，如图2所示，相隔180°的两个距离调整装置6的伸缩操作，控制着超音速飞行器的机头在该偏转平面内的偏转，而另一个偏转平面内的两距离调整装置的伸缩控制着机头在那个偏转平面内的偏转；当同时进行四个距离调整装置6的伸缩操纵时，就可以通过两个垂直的偏转平面内的机头偏转动作的耦合来实现航向任意角度偏转，以此完成全方向的操纵。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。