專利名稱：用于飛行器的波紋狀外殼及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于飛行器的外殼，尤其是用于其機翼或機身的外殼。
背景技術：
在飛行器中逐漸使用了漸變結構，無論它們是無人操縱的航空器(UAVs)還是更 大型的飛行器。這種結構需要一種能夠與漸變結構所強加的運動相符合的外殼。用于制造 飛行器外殼的傳統(tǒng)材料，例如鋁片，不能從低水平以上(對于大多數(shù)金屬而言小于1% )的 應變中完全地恢復。橡膠材料由于其能夠從高應變恢復過來的能力而為人所知，但具有非 常有限的強度和剛性。 在傳統(tǒng)的飛行器機翼結構中使用波紋狀材料是已知的。提供這種材料可提高機翼 的強度和剛度，但不適合于容許任何顯著的結構運動發(fā)生。此外，這些外殼通常只是旨在補 充由機翼的其它結構特征提供的強度和剛度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的在于，提供一種外殼，其在某些方向上剛硬且堅固，但在其它方 向上為柔性并能夠接受高水平的變形。 本發(fā)明提供了一種用于飛行器的漸變結構的外殼，該漸變結構包括一個或多個波 紋。 有利的是，本發(fā)明的外殼提供了一種可適應的結構，該結構沿著波紋堅固且抗撓 曲，并沿著垂直于波紋的方向為柔性。在一些實施例中，外殼足夠堅固，以避免針對通常在 飛行器內(nèi)找到的內(nèi)部結構元件的需要，例如用于制造機翼的翼梁和肋條，必要的強度來自 外殼本身。因此能夠減少使用該外殼而建造的飛行器的重量。 在某些實施例中，外殼可沿著波紋的長度而彎曲。這提供了以前可能使用這種外 殼時無法獲得的適應性，該外殼保留了其沿著波紋的強度和相對剛性及其垂直于波紋的柔 性。彎曲的外殼因而可用于制造不規(guī)則外形的飛行器構件。 在另一實施例中，襟翼部分可插入各個波紋中，并延伸出波紋足夠遠，以覆蓋外殼 的一部分。通過這種方式可產(chǎn)生大致平滑的空氣動力學外殼表面。優(yōu)選襟翼延伸出波紋， 并折疊起來以覆蓋相鄰的波紋。此外，優(yōu)選襟翼延伸波紋的整個長度，使得整個外殼表面被 覆蓋且大致平滑。 本發(fā)明還提供了一種制造用于飛行器的漸變結構的外殼的方法，其包括將外殼成 型為包括一個或多個波紋的所需的形狀。根據(jù)本發(fā)明的技術允許制造彎曲的或其它更復雜 的幾何形狀的波紋狀外殼。 本發(fā)明還提供了一種漸變結構，其包括由根據(jù)本發(fā)明的外殼制成的第一表面和由 根據(jù)本發(fā)明的外殼制成的第二表面，第一表面和第二表面通過連接裝置進行互連，該連接 裝置適合于將所需的外形賦予第一表面和第二表面。


以下是僅參照附圖并通過示例而做出的本發(fā)明的實施例的詳細描述，其中 圖1是沿著波紋而彎曲的波紋狀外殼區(qū)的示意圖； 圖2是具有垂直于波紋的額外的曲率的圖1的外殼區(qū)的示意圖； 圖3顯示了具備葉片波紋的所制造的外殼的橫截面示意圖； 圖4顯示了具備平衡的波紋的所制造的外殼的橫截面示意圖； 圖5是包括設置在波紋中的桿的外殼的示意圖； 圖6是用于飛行器的漸變結構的橫截面示意圖； 圖7、8以及9示意性地顯示了在波紋之間利用襟翼的本發(fā)明的一個實施例；
圖10是根據(jù)圖7、8以及9的所制造的外殼的橫截面圖；
圖11是包括操縱裝置的外殼的橫截面圖；以及 圖12是圖11中所示的外殼的橫截面圖，其中操縱裝置已經(jīng)被激活。
具體實施例方式
圖1是具有一系列波紋2的波紋狀外殼區(qū)1的示意性的透視圖。外殼(蒙皮)1是 使用由浸漬有可固化的樹脂的襯底材料而形成的，并在成型工藝之后，對外殼進行固化，以 使樹脂硬化。通過形成一種使用標準工具(master tool)的柔性波紋狀模具(未顯示)，將 樹脂浸漬過的襯底材料應用于柔性波紋狀模具上，并通過將其應用于彎曲剛性成形機(未 顯示)上而對模具及其上的襯底材料進行成型，從而可進行襯底材料的成型。
具體地說，通過將硅橡膠應用于包括波紋狀剛性模具的標準工具上，從而制成柔 性波紋狀模具，波紋狀剛性模具不具有任何曲率。 一旦已經(jīng)澆鑄了硅橡膠，那么就從標準工 具上除去成品的柔性橡膠模具。 一層襯底材料可選地用氟化乙丙烯(FEP)覆蓋，該層襯底 材料包括已經(jīng)用環(huán)氧樹脂預浸漬過的合適的加強材料，例如精碳、玻璃或芳族聚酰胺纖維 織物，F(xiàn)EP是有利于在固化后從模具除去外殼的可熔融處理的非粘性試劑。然后將襯底材 料應用于柔性橡膠模具上，確?？椢锊迦氲侥＞叩牟y中。 優(yōu)選芳族聚酰胺織物的纖維定向在相對于預期的波紋成45。的角度上。這減少了 弱點的產(chǎn)生，這些弱點是在已經(jīng)折疊的地方由于強加于織物上的曲率而沿著波紋出現(xiàn)的。 在圖1中由參考線3顯示了纖維相對于波紋的定向。 在織物插入到模具中之后，將模具放置在成形機上，該成形機包括具有預期的外 殼形狀的彎曲的鋁片。然后固化該組件，以使樹脂硬化。在固化之后，將外殼脫模。
用于固化組件的一個選擇是使用已知的熱固化工藝，其中，組件被裝入袋中，將袋 插入到波紋中，并在袋和外殼之間使用薄的尼龍皮層作為通氣器。 如可從圖2中看出，成品的外殼區(qū)1在垂直于波紋的方向上為柔性，并可容易地折 疊成所期望的外形。然而，外殼區(qū)l沿著波紋是剛性的，并且大致保持其波紋形狀。外殼l 由約束裝置4保持在其折疊的配置。 圖3和圖4是分別具有葉片波紋和平衡的波紋的外殼區(qū)1的橫截面示意圖。這 些圖顯示了制造外殼的備選技術，其中，通過在一系列成形棒5之間折疊襯底材料來進行 外殼的成型。 一次放置一個棒5，并在應用另一個棒之前根據(jù)需要折疊材料。如上所述，可 用環(huán)氧樹脂對材料進行預浸漬。棒可以包括鋁或其它合適的材料，例如尼龍或聚四氟乙烯(PTFE)。 成形棒5的使用導致大致明確限定的波紋，因為各個棒5是在將折疊引入材料中 之后依次應用的。在將襯底材料插入到波紋狀模具中的技術中，難以確保材料和模具之間 的完美接觸，并通常留有間隙。 圖3中使用的具體的工藝如下用氟化乙丙烯覆蓋預浸漬的芳族聚酰胺織物，并
且，如果利用熱固化，那么在材料的任一側放置薄的尼龍皮層作為通氣器，并將組合的材料
裝入袋內(nèi)以進行高壓滅菌處理。第一鋁棒放置在材料的邊緣之上，然后將材料向上折疊以
形成第一折疊7。第二棒抵著折疊7放置，然后在此處將材料向下折疊，以形成波紋頂點10。
然后移除第二棒，并抵著材料放置一個棒，以形成向下延伸的第二折疊8。重復這個過程，直
至用完所有的棒或直至已折疊所有的材料。重物和/或膠帶可用于將成品的組件保持在合
適位置。然后正常地進行固化，并通過移除棒和額外的層而使外殼脫模。 圖4中使用的工藝大致類似于圖3的工藝，但在形成第一折疊6并在抵著放置第
二棒且圍繞第二棒折疊材料之后，第二棒被留在合適位置，以保持平衡的波紋結構。同樣，
可重復這種折疊過程，直至折疊了所有的材料。 成品的外殼的外形由成形棒的外形決定，并可采用許多種形狀。例如，棒可以彎曲 和/或可具有依次變化的幾何形狀，從而容許產(chǎn)生復雜的外殼外形。應該理解，上述技術可 用于制造沿著波紋不彎曲的外殼以及彎曲的外殼。 圖5顯示了外殼區(qū)1的一個示例，其中，桿11定位于其中一個或多個波紋2中，并 可從其末端向外延伸。優(yōu)選桿ll設在各個波紋中。桿ll例如可由碳復合材料制成，并用 于將外殼區(qū)連接到另一構件上，例如另一外殼區(qū)或飛行器機身的另一部分上。在實踐中，通 過使用上述的連續(xù)棒技術，并通過在折疊工藝期間插入桿ll，從而可最便利地結合桿。當 結合參照圖3所述的方法而進行插入時，桿11有利地保持在波紋頂點10上，處于第一折疊 7和第二折疊8之間的合適位置上。桿ll的包含導致圓角化的波紋頂點10。作為備選，在 模制和固化工藝之后，在外殼中結合桿。 圖6中顯示了可利用桿11的方式的一個示例。包括連接器12的連接裝置在合適 的配置中與桿接合，以將第一外殼區(qū)13和第二外殼區(qū)14互連，從而形成漸變結構。連接器 12能夠以任何合適的方式布置，以賦予外殼結構所期望的形狀，并且，連接器可以可選地為 可調(diào)整的，以改變漸變結構的幾何形狀。此外，連接器12不需要處于彼此相同的平面中，因 為外殼沿著波紋呈剛性。在這方面，能夠在外殼中切出凹口 (未顯示)，容許接近沿著波紋 延伸的桿，使其可連接到連接器12上。 圖7至圖IO顯示了外殼的又一實施例，其中，襟翼部分15插入各個波紋中，并延 伸出波紋足夠遠，以覆蓋外殼的一部分。優(yōu)選襟翼部分覆蓋相鄰的波紋并延伸波紋的整個 長度。通過沿著外殼的表面提供一系列的襟翼，使得該表面大致平滑并仍然提供了波紋的 柔性。襟翼部分包括連接到外殼的襯底材料上的一件單獨的材料15，并能夠相對于相鄰的 波紋而移動。 現(xiàn)參照圖IO，討論將襟翼15結合入外殼中的工藝。同樣，預浸漬的芳族聚酰胺織 物用于外殼區(qū)的主體，即使現(xiàn)在織物僅在一個側面上，例如在下側面上覆蓋有FEP。除了在 織物的下側面上使用鋁制成形棒5并在織物的上側面上使用硅橡膠棒16以替代鋁棒之外， 該工藝類似于參照圖4所述的工藝。硅橡膠棒比鋁棒長大約3cm，這容許它們被抓握以從固化的組件中拔出。在插入各硅橡膠棒之前，將預浸漬的織物帶15插入外殼，該織物帶也僅 在一個側面上具有FEP涂層。該FEP涂層位于織物帶15的背離外殼的側面上，而外殼主體 上的FEP涂層位于與織物帶相反的側面上(即下側面)，使得織物帶在其面向外殼的側面粘 到外殼上，而不粘在其它地方。使用硅橡膠棒替代鋁棒抵著外殼的上側面的優(yōu)點在于，硅橡 膠在固化工藝期間不粘到外殼上，并可承受固化溫度。 一旦所有的鋁棒和硅橡膠棒處于合 適位置，就將整個組件裝入袋中，并進行固化。通過拔出硅橡膠帶并移除工具棒和FEP釋放 層來進行脫模。成品的波紋狀外殼具有依然柔性的大致平滑的表面。 圖7顯示了襟翼處于平坦配置中的波紋狀外殼。圖8顯示了襟翼位于外殼的凹面 上的處于彎曲配置中的外殼l，而圖9顯示了襟翼15定位在外殼的凸面上的在其它方向上 彎曲的外殼。在任一情況下，所呈現(xiàn)的表面大致平滑。就空氣動力學而言，對于飛行器的機 翼和機身而言，顯然需要具有平滑的表面。 在本發(fā)明的又一實施例中，如圖11和圖12中所示，在其中一個或多個波紋中設 有操縱裝置17，以調(diào)整外殼的配置。這種操縱裝置可包括設在一對波紋之間的可膨脹的囊 17，從而當囊膨脹時，如圖12中所示，波紋被推開，從而改變外殼的折疊度。
這里討論的成形工藝和折疊工藝均可手動地或使用自動化工藝來進行。
權利要求
一種用于飛行器的漸變結構的外殼，其中，所述外殼包括一個或多個波紋。
2. 根據(jù)權利要求1所述的外殼，其特征在于，所述波紋包括葉片波紋或平衡的波紋。
3. 根據(jù)權利要求1或2所述的外殼，其特征在于，所述外殼沿著所述波紋的長度而彎曲。
4. 根據(jù)權利要求1至3中的任一項所述的外殼，其特征在于，桿位于其中一個或多個所述波紋中并從所述波紋的末端向外延伸。
5. 根據(jù)權利要求1至4中的任一項所述的外殼，其特征在于，襟翼部分插入各個波紋中并延伸出所述波紋足夠遠，以覆蓋所述外殼的一部分。
6. 根據(jù)權利要求5所述的外殼，其特征在于，所述襟翼部分覆蓋相鄰的波紋。
7. 根據(jù)權利要求5或6所述的外殼，其特征在于，所述襟翼部分延伸所述波紋的整個長度。
8. 根據(jù)權利要求5至7中的任一項所述的外殼，其特征在于，所述襟翼部分包括連接到所述外殼的襯底材料上的一件單獨的材料。
9. 根據(jù)權利要求6所述的外殼，其特征在于，所述襟翼部分可相對于所述相鄰的波紋而移動。
10. 根據(jù)權利要求1至9中的任一項所述的外殼，其特征在于，操縱裝置設在其中一個或多個所述波紋中，以調(diào)整所述外殼的配置。
11. 根據(jù)權利要求io所述的外殼，其特征在于，所述操縱裝置包括可膨脹的囊。
12. —種制造用于飛行器的漸變結構的外殼的方法，包括將所述外殼成型為包括一個或多個波紋的所需的形狀。
13. 根據(jù)權利要求12所述的方法，其特征在于，使用浸漬有可固化的樹脂的襯底材料來形成所述外殼，并在所述成型步驟之后，使所述外殼固化。
14. 根據(jù)權利要求13所述的方法，其特征在于，所述襯底材料的成型包括如下步驟形成柔性波紋狀模具；將所述浸漬過的襯底材料應用于所述柔性波紋狀模具上；通過應用于彎曲的剛性成形機上而對所述模具和其上的所述襯底材料進行成型。
15. 根據(jù)權利要求14所述的方法，其特征在于，所述襯底材料的成型包括如下步驟將所述襯底材料折疊在一系列成形棒之間。
16. 根據(jù)權利要求12至15中的任一項所述的方法，其特征在于，形成于所述襯底材料中的所述波紋沿著其長度而彎曲。
17. 根據(jù)權利要求12至16中的任一項所述的方法，其特征在于，所述襯底材料在固化之前覆蓋有一層非粘性物質。
18. 根據(jù)權利要求12至17中的任一項所述的方法，其特征在于，在所述固化之前或之后將桿插入到其中一個或多個波紋中。
19. 根據(jù)權利要求12至18中的任一項所述的方法，其特征在于，襟翼部分插入各個波紋中。
20. —種用于飛行器的漸變結構，包括由根據(jù)權利要求1至11中的任一項所述的外殼制成的第一表面和第二表面，所述第一表面和所述第二表面通過連接裝置進行互連，所述連接裝置適合于將所需的外形賦予所述第一表面和所述第二表面。
21. —種大致如本文參照附圖所述的制造用于飛行器的漸變結構的外殼的方法。
22. —種大致如本文參照附圖所述的用于飛行器的漸變結構的外殼。
23. —種大致如本文參照附圖所述的用于飛行器的漸變結構。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于飛行器的漸變結構的外殼(1)，所述外殼包括一個或多個波紋(2)。本發(fā)明還公開了一種制造用于飛行器的漸變結構的外殼的相對應的方法，其包括使外殼(1)成型為包括一個或多個波紋(2)的所需的形狀。在一個實施例中，依次將鋁成形棒(5)引入外殼的材料中的折疊(7，8)之間。
文檔編號B64C1/00GK101723084SQ20091020848
公開日2010年6月9日 申請日期2009年10月27日 優(yōu)先權日2008年10月27日
發(fā)明者K·D·波特 申請人:通用電氣航空系統(tǒng)有限公司