PL B1. INSTYTUT LOTNICTWA, Warszawa, PL BUP 05/16

Transkrypt

1 PL B1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: (51) Int.Cl. B64C 3/38 ( ) B64C 3/48 ( ) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: (54) Profil lotniczy o zmiennym kształcie z powłoką z materiału aktywnego (73) Uprawniony z patentu: INSTYTUT LOTNICTWA, Warszawa, PL (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 05/16 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 04/17 (72) Twórca(y) wynalazku: PAWEŁ SKALSKI, Warszawa, PL MACIEJ PARAFINIAK, Warszawa, PL DARIUSZ WYSOKIŃSKI, Raszyn, PL MACIEJ BEDNARSKI, Glinojeck, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Jerzy Woźnicki

2 2 PL B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest profil lotniczy o zmiennym kształcie z powłoką z materiału aktywnego, który umożliwia zmianę właściwości aerodynamicznych skrzydła samolotu lub łopaty wiropłatu podczas lotu, a także zmianę właściwości aerodynamicznych obracającej się łopaty turbiny wiatrowej. 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 wykorzystywane materiały aktywne zmieniające kształt pod wpływem zewnętrznego impulsu elektrycznego lub magnetycznego, takie jak materiały piezoelektryczne, magnetostrykcyjne, a także materiały ze stopów z pamięcią kształtu SMA, zmieniające kształt pod wpływem temperatury. W opisie patentowym US przedstawione jest skrzydło stabilizatora poziomego wyposażone w dwa aktuatory wykonane ze stopu SMA, które służą do zmiany kształtu tylnej elastycznej części skrzydła. W opisie patentowym US przedstawiony jest profil lotniczy o zmiennym kształcie, w którym zmiana kształtu profilu następuje pod wpływem aktuatora wykonanego z warstw materiału piezoelektrycznego. W zgłoszeniu patentowym DE 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 geometryczną zmianę profilu lotniczego pod wpływem źródła pola magnetycznego. 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. W opisie patentowym EP opisany jest element płatowy skrzydła o zmiennym kształcie zawierający elastyczną powłokę zewnętrzną podtrzymywaną przez rdzeń złożony z wielu przylegających do siebie elementów o regulowanym rozmiarze i/lub kształcie, z których każdy posiada urządzenie wykonawcze. Elementy na obwodzie rdzenia są połączone w sposób elastyczny z powłoką zewnętrzną. Elementy mogą być utworzone z materiału aktywnego, a urządzenia wykonawcze mogą zawierać środki do stosowania pól magnetycznych. Urządzenia wykonawcze wprawiają w ruch elementy rdzenia, co umożliwia modyfikację kształtu płata lub jego wybranych obszarów. Profil lotniczy o zmiennym kształcie, w którym w skład poszycia elementu płatowego wchodzi elastyczna powłoka wykonana z materiału aktywnego zmieniającego kształt pod wpływem pola magnetycznego wytwarzanego przez urządzenie wbudowane w strukturę profilu, według wynalazku charakteryzuje się tym, że materiał aktywny stanowi elastomer magnetoreologiczny, a powłoka jest napięta wzdłuż wnęki uformowanej pomiędzy użebrowaniem elementu płatowego, przy czym jeden koniec powłoki jest zamocowany do obrotowego członu urządzenia napinającego połączonego z napędem, który to człon jest zamocowany w przedniej części wnęki pomiędzy żebrami, a drugi koniec powłoki jest zamocowany do sztywnej części struktury profilu na końcu wnęki, zaś w skład urządzenia wytwarzającego pole magnetyczne wchodzą stałe magnesy rozmieszczone w podstawie wnęki. Korzystnym jest, jeżeli w podstawie wnęki pomiędzy magnesami a powłoką jest umieszczona sztywna przekładka. Korzystnym jest, jeżeli obrotowy człon urządzenia napinającego stanowi wałek cylindryczny. Korzystnym jest także, jeżeli obrotowy człon urządzenia napinającego stanowi wałek krzywkowy. Korzystnym jest, jeżeli napęd stanowi silnik elektryczny połączony z modułem sterującym. Korzystnym jest także, jeżeli napęd stanowi serwomechanizm połączony z modułem sterującym. Korzystnym jest, jeżeli serwomechanizm jest połączony z obrotowym członem poprzez cięgno. Korzystnym jest, jeżeli magnesy są wykonane z szeregu elementów magnetycznych rozmieszczonych korzystnie liniowo w podstawie wnęki pomiędzy żebrami. Pod wpływem stałego pola magnetycznego powłoka wykonana z elastomeru magnetoreologicznego jest przyciągana w kierunku magnesów przylegając do podstawy dna wnęki. Podczas działania magnesów następuje zmiana sztywności i odkształcenie powłoki, w tym zmiana grubości warstwy elastomerowej w wyniku oddziaływań elektrodynamicznych pomiędzy namagnesowanymi cząsteczkami i podatną na odkształcenie osnową. Ponadto możliwe jest odkształcenie warstwy elastomerowej w lokalnych zagłębieniach ukształtowanych w podstawie wnęki lub w wymiennej przekładce. Wymienna przekładka może służyć do odseparowania powłoki od elementów wytwarzających pole

3 PL B1 3 magnetyczne oraz do regulacji szczeliny między tymi elementami i powłoką. Naciągnięcie powłoki przez urządzenie napinające powoduje jej odciągnięcie od podstawy wnęki i przywrócenie stanu początkowego z wykorzystaniem właściwości sprężystych. Rozwiązanie według wynalazku umożliwia zmianę właściwości aerodynamicznych skrzydła samolotu lub łopaty wiropłatu podczas lotu oraz zmianę jego obrazu optycznego i elektromagnetycznego dzięki deformacji powłoki z materiału magnetycznego o refleksyjnej powierzchni. Może być także wykorzystane do zmiany właściwości aerodynamicznych obracającej się łopaty turbiny wiatrowej. Przedmiot wynalazku jest objaśniony w przykładzie wykonania przedstawionym na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia profil lotniczy o zmiennym kształcie w przekroju poprzecznym, z wałkiem cylindrycznym napędzanym silnikiem elektrycznym, fig. 2 przedstawia fragment profilu lotniczego z fig. 1 w perspektywie, fig. 3 przedstawia profil lotniczy o zmiennym kształcie w przekroju poprzecznym, z wałkiem krzywkowym napędzanym przez serwomechanizm, fig. 4 przedstawia fragment profilu lotniczego z fig. 1 w perspektywie, a fig. 5 ilustruje zmianę właściwości optycznych profilu lotniczego. Jak przedstawiono na rysunku, profil lotniczy o zmiennym kształcie ma element płatowy 3, w którym w skład poszycia wchodzi elastyczna powłoka 2 wykonana z materiału aktywnego zmieniającego kształt pod wpływem pola magnetycznego wytwarzanego przez urządzenie wbudowane w strukturę profilu. Materiał aktywny stanowi elastomer magnetoreologiczny. Powłoka 2 jest napięta wzdłuż wnęki uformowanej pomiędzy użebrowaniem elementu płatowego 3, przy czym jeden koniec powłoki 2 jest zamocowany do obrotowego członu 4 urządzenia napinającego połączonego z napędem 6, który to człon jest zamocowany w przedniej części wnęki pomiędzy żebrami 7. Drugi koniec powłoki 2 jest zamocowany przy krawędzi spływu do sztywnej części struktury profilu na końcu wnęki. W skład urządzenia wytwarzającego pole magnetyczne wchodzą stałe magnesy 1 rozmieszczone w podstawie wnęki. Magnesy 1 mogą być wykonane z szeregu elementów magnetycznych rozmieszczonych liniowo w podstawie wnęki pomiędzy żebrami 7. W podstawie wnęki może być umieszczona sztywna przekładka 12, nadająca kształt zewnętrznej powierzchni podstawy. Przekładka może stanowić element wymienny o różnie ukształtowanej powierzchni zewnętrznej. Przekładka może mieć wgłębienia definiujące kształt powierzchni w zależności od realizacji założonej funkcji, na przykład spełniające funkcję komory odladzającej. W wykonaniu przedstawionym na fig. 1, 2, obrotowy człon 4 urządzenia napinającego stanowi wałek cylindryczny. Napęd 6 stanowi silnik elektryczny. Widoczna na fig. 1 powłoka 2 jest przyciągana przez pole magnetyczne magnesów 1 do podstawy wnęki. W innym wykonaniu przedstawionym na fig. 3, 4, obrotowy człon 4 urządzenia napinającego stanowi wałek krzywkowy. W tym wykonaniu jako napęd 6 zastosowano serwomechanizm połączony z obrotowym członem 4 poprzez cięgno 11. Ponadto serwomechanizm jest połączony z drugim modułem sterującym 9. Widoczna powłoka 2 jest napięta pomiędzy obrotowym członem 4 a krawędzią spływu. Linią przerywaną jest pokazane położenie powłoki 2 po jej przyciągnięciu przez pole magnetyczne magnesów 1 do podstawy wnęki. Magnesy 1, które kształtują pole magnetyczne w otoczeniu powłoki 2, są rozmieszczone równomiernie w zdefiniowanym położeniu, realizującym założoną deformację powłoki 2 przed jej nawinięciem na obrotowy człon 4 lub po jego zwolnieniu i zmniejszeniu naprężenia napiętej powłoki 2. Do sterowania serwomechanizmem służy moduł sterujący 9 podłączony do źródła zasilania 8. Pod wpływem stałego pola magnetycznego powłoka 2 wykonana z elastomeru magnetoreologicznego jest przyciągana w kierunku magnesów 1. Gdy obrotowy człon 4 jest zwolniony, magnesy 1 o odpowiednio ukierunkowanym polu magnetycznym powodują lokalną zmianę kształtu powłoki 2 oraz jej przyleganie do podstawy wnęki lub przekładki. Nawinięcie powłoki 2 na obrotowy człon 4 powoduje jej naciągnięcie i oderwanie od magnesów 1. W rezultacie następuje zmiana kształtu profilu i jego własności aerodynamicznych oraz zmiana sztywności powłoki 2. Jak przedstawiono na fig. 5, zmiana właściwości optycznych profilu, powodująca efekt maskowania obiektu latającego i rozpraszania fal, następuje w wyniku sterowanej zmiany krzywizny płata i zmiany kierunku odbicia padających fal optycznych, czyli fal elektromagnetycznych z zakresu promieniowania bliskiego widzialnemu, od powierzchni powłoki, na której naniesiono warstwę refleksyjnej, która układać będzie się zgodnie z kształtem powłoki, i której deformacje będą zgodne z odkształceniami powłoki. W przypadku fal elektromagnetycznych z innego zakresu promieniowania, ich oddziaływanie następować będzie ze strukturą materiału aktywnego wchodzącego w skład elastomeru magnetoreologicznego. Zmiana wzajemnej odległości pomiędzy elementami magnetycznymi w strukturze elastomeru będzie powodować zmianę długości rozpraszanej i odbitej fali elektromagnetycznej,

4 4 PL B1 na przykład podczas obserwacji radarowej. Przykładowa rozproszona wiązka promieniowania padająca na powłokę 2 przed i po jej deformacji pod wpływem pola magnetycznego, została zilustrowana strzałkami. Rozwiązanie według wynalazku może funkcjonalnie spełniać rolę klapki będącej elementem profilu lotniczego, której działanie polega zarówno na zmianie siły nośnej lub zmianie 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. Może także być wykorzystane do rozpraszania fal elektromagnetycznych, lub uzyskania efektów optycznych. Dodatkowo, deformacja profilu może zostać wykorzystana w systemach odladzających skrzydło samolotu. Zastrzeżenia patentowe 1. Profil lotniczy o zmiennym kształcie, w którym w skład poszycia elementu płatowego (3) wchodzi elastyczna powłoka (2) wykonana z materiału aktywnego zmieniającego kształt pod wpływem pola magnetycznego wytwarzanego przez urządzenie wbudowane w strukturę profilu, znamienny tym, że materiał aktywny stanowi elastomer magnetoreologiczny, a powłoka (2) jest napięta wzdłuż wnęki uformowanej pomiędzy użebrowaniem elementu płatowego (3), przy czym jeden koniec powłoki (2) jest zamocowany do obrotowego członu (4) urządzenia napinającego połączonego z napędem (6), który to człon jest zamocowany w przedniej części wnęki pomiędzy żebrami (7), a drugi koniec powłoki (2) jest zamocowany do sztywnej części struktury profilu na końcu wnęki, zaś w skład urządzenia wytwarzającego pole magnetyczne wchodzą stałe magnesy (1) rozmieszczone w podstawie wnęki. 2. Profil według zastrz. 1, znamienny tym, że w podstawie wnęki pomiędzy magnesami (1) a powłoką (2) jest umieszczona sztywna przekładka. 3. Profil według zastrz. 1, znamienny tym, że obrotowy człon (4) urządzenia napinającego stanowi wałek cylindryczny. 4. Profil według zastrz. 1, znamienny tym, że obrotowy człon (4) urządzenia napinającego stanowi wałek krzywkowy. 5. Profil według zastrz. 1, znamienny tym, że napęd (6) stanowi silnik elektryczny połączony z modułem sterującym (9). 6. Profil według zastrz. 1, znamienny tym, że napęd (6) stanowi serwomechanizm połączony z modułem sterującym (9). 7. Profil według zastrz. 6, znamienny tym, że serwomechanizm jest połączony z obrotowym członem (4) poprzez cięgno (11). 8. Profil według zastrz. 1, znamienny tym, że magnesy (1) są wykonane z szeregu elementów magnetycznych rozmieszczonych korzystnie liniowo w podstawie wnęki pomiędzy żebrami (7).

5 PL B1 5 Rysunki

6 6 PL B1 Departament Wydawnictw UPRP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)