一種微型半主動摺疊撲翼的製作方法

2023-06-18 15:49:11

專利名稱：一種微型半主動摺疊撲翼的製作方法
技術領域：
本發明涉及ー種摺疊撲翼。
背景技術：
微型撲翼飛行器是ー種模仿鳥類飛行的新概念飛行器，它具有體積小、重量輕、隱蔽性好，使用靈活、效率高等優勢，如果搭載傳感器和相關的數據傳輸和飛行控制系統，形成微小型撲翼無人機平臺，就會具有廣闊的應用前景。圍繞這ー課題，各國已研製出可控飛行的撲翼飛行器，其中較成功的有美國Aero Vironment公司與加利福尼亞大學合作的「Microbat」以及荷蘭Delft大學的「 Delf ly」等，但其性能距離實用化還有較大的差距，這主要體現為飛行時間有限，有效載荷小，操縱控制難度大等方面。究其原因，撲翼飛行器機
翼的氣動效率低、功率消耗大是相當重要的因素。撲翼飛行器的撲翼在下撲過程中產生升力和大部分推力，在上撲過程中產生向上的力和小部分推力，由於撲翼幾何形狀固定不變，因此在ー個撲動周期中產生的豎直方向氣動カ合力為零，這是人造撲翼氣動效率顯著低於鳥類撲翅的重要原因。在自然界，海鷗等鳥類的翅在下撲過程中保持平直，獲得最大升力，而在上撲過程中通常會有展向摺疊調整，減小翅的投影面積，減少無用功，從而在整個撲動過程中獲得最大的合升力，保證氣動效率。為了實現這種氣動效率更高的撲動模式，研究人員進行了ー些嘗試。通過改進撲翼驅動機構，在原有的驅動機構輸出的機翼上下撲動運動的基礎上，將撲翼分為內外兩段，通過連杆套筒等構件使撲翼外段能夠在驅動機構的作用下周期性的彎折，從而實現上撲過程中機翼的主動摺疊。這種方式的不足之處是增加了撲翼驅動機構的複雜程度和重量，降低了撲翼驅動機構的可靠性。2009年4月8日公開的中國專利「仿生飛行器機翼」(公開號CN201217500Y)公開了ー種板狀結構機翼，貫穿機翼上下表面有減阻孔，減阻孔內通過葉片軸鉸接葉片。葉片可在機翼上下撲動吋，由機構操控主動的進行開合運動，達到減阻增升的目的。其不足之處是，葉片及其機構會增加機翼的重量和轉動慣量，増加撲動所需動力，減少撲動機構和機翼本身的壽命；葉片開合需要與撲動位置配合，増加控制難度。2009年7月29日公開的中國專利「ー種能夠單向彎曲的微型撲翼機的撲翼」(公開號CN101492094A)公開了ー種能夠單向彎曲的撲翼，其展向梁斷開為兩段，在斷開處上下表面分別固定可伸縮的彈性材料和可單向變形的連接片，實現下撲時撲翼完全展開，上撲時撲翼部分摺疊的效果。其不足之處是，摺疊效果完全由弾性材料在氣動カ的作用下被動產生，當撲翼撲動頻率較高時，摺疊效果會受到相當程度的削弱；彈性材料的老化和壽命直接影響撲翼整體的性能和壽命。
發明內容為了克服現有技術使用被動彈性材料影響摺疊效果和撲翼壽命的不足，本發明提供ー種半主動式微型撲翼摺疊撲翼，能夠利用簡單的結構使撲翼外段彎折，以較小重量代價實現上述高效撲動模式，使其具有良好的可靠性和實用性。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是包括前梁、斜梁、翼肋和蒙皮。前梁與翼展方向平行，位於撲翼的前緣；斜梁在弦向方向上位於前梁後方，與翼展方向呈銳角，其位於翼梢的端點比位於翼根的端點更靠近撲翼的前緣。前梁和斜梁在翼展方向的中部分為兩段，前梁內段中空，一端與摺疊座固接，前梁外段一端與摺疊頭固接。摺疊頭和摺疊座鉸接，摺疊頭在摺疊座內可向撲翼下撲方向旋轉一定角度，旋轉的角度範圍由摺疊座的限位決定，具體方式為所述摺疊座的限位作用是摺疊頭向撲翼上撲方向旋轉的最大角度為摺疊頭上壁與摺疊座上限位邊接觸，摺疊頭向撲翼下撲方向旋轉的最大角度為摺疊頭下壁與摺疊座下限位邊接觸。以前梁內段為參考，以前梁內段與前梁外段共線為基準位置，外段撲翼向撲翼下撲方向旋轉角度為正，摺疊頭在摺疊座內的最大旋轉角度為O 60°。斜梁內段和斜梁外段通過柔性鉸鏈連接，斜梁外段可相對斜梁內段向撲翼下撲方向旋轉一定角度，旋轉角度由撲翼蒙皮傳遞的前梁彎折後的力以及撲動過程中的氣動載荷決定，最大旋轉角度不超過主梁摺疊頭的最大旋轉角度。摺疊頭在垂直於撲翼前梁向撲翼上撲方向伸出一個搖臂，在搖臂處與軟鋼絲繩連接，軟鋼絲繩穿過中空的前梁內段後與撲動機構機架下方固定點連接。所述撲動機構機架安裝於撲翼飛行器機身上。前梁內段根部與撲動機構的輸出搖臂插接，所述搖臂鉸接於撲動機構機架上方固定點，能繞固定點上下擺動，帶動撲翼上下撲動。所述的前梁、斜梁和翼肋的材料為樹脂基碳纖維複合材料。撲翼在下撲全過程中由氣動載荷和摺疊頭與摺疊座的相互限位作用保持平直，SP前梁內段與前梁外段共線。在上撲的前半程撲翼外段由於氣動力作用以及軟鋼絲繩的鬆弛會向撲翼下撲方向旋轉一定角度，在上撲的後半程軟鋼絲繩逐漸張緊拉動摺疊頭向上旋轉，摺疊頭帶動外段撲翼逐漸展平，在內段撲翼撲動到最高點時正好展平，前梁內段與前梁外段恢復共線。所述摺疊頭在撲翼上撲過程中開始旋轉的時機由軟鋼絲繩在前梁內段的穿入位置、軟鋼絲繩在前梁內段的穿出位置、軟鋼絲繩在機架的連接位置、摺疊頭搖臂的長度決定。本發明的有益效果是本發明同現有固定結構的撲翼相比，僅增加了摺疊頭、摺疊座和鋼絲繩等構件，付出的重量代價小，増加的轉動慣量也小，避免了撲動過程能耗變大，在提高氣動效率的同時保持了動カ效率，使應用本發明的撲翼飛行器整體效率提高。本發明撲翼上撲過程中的摺疊與恢復平直過程受到鋼絲繩的半主動控制，在不增加主動控制構件的條件下，實現了對撲動過程的控制，保證了撲翼精確實現預設的撲動模式。本發明撲翼的單向摺疊所需的限位作用由摺疊頭與摺疊座配合完成，兩者均為剛性結構件，而摺疊過程的部分載荷由軟鋼絲繩承受。撲翼整體的可靠性較高，使用壽命長，同時能夠保證撲翼摺疊的時機和效果達到設計要求，不存在摺疊不足或時機不正確影響撲動效率的問題。[0019]
圖I為本發明示意圖；圖2為本發明折置頭與折置座組裝意圖；圖3(a)為本發明摺疊座的摺疊前結構圖，圖3(b)為本發明摺疊座的摺疊後結構圖；圖4為本發明安裝示意圖；圖5為本發明一個撲動周期工作原理示意圖；圖中，I-前梁，IA-前梁內段，IB-前梁外段，2-後梁，3-翼肋，4-蒙皮，5-摺疊座6_摺疊頭，7-柔性鉸鏈，8-軟鋼絲，9A-撲動機構下方固定點，9B-撲動機構上方固 定點，10-撲動機構搖臂，11-摺疊頭下壁，12-摺疊座下限位邊，13-摺疊頭上壁，14-摺疊座上限位邊。
具體實施方式

以下結合附圖和具體實施方式
對本發明作進ー步詳細描述。本發明的微型半主動摺疊撲翼，由前梁I、斜梁2、翼肋3、蒙皮4組成，前梁、斜梁和翼肋的材料為樹脂基碳纖維複合材料，蒙皮為抗穿刺聚醚薄膜。前梁與翼展方向平行，位於撲翼的前緣；斜梁在弦向方向上位於前梁後方，與翼展方向呈銳角，其位於翼梢的端點比位於翼根的端點更靠近撲翼的前緣。前梁和斜梁在翼展方向的中部分為兩段，前梁內段IA中空，與摺疊座5固接，前梁外段IB與摺疊頭6固接，摺疊頭和摺疊座鉸接，均由POM工程塑料製成。摺疊頭6在摺疊座5內可向下旋轉一定角度，角度範圍由摺疊座的限位決定，具體方式為所述摺疊座的限位表現為摺疊頭向上彎折的最大角度為摺疊頭上壁13與摺疊座上限位邊14接觸，摺疊頭向下彎折的最大角度為摺疊頭下壁11與摺疊座下限位邊12接觸。以前梁內段為基準，外段撲翼向下彎折角度為正，摺疊頭在摺疊座內的最大旋轉角度為O 60°。斜梁內段和斜梁外段通過柔性鉸鏈7連接，斜梁外段可相對斜梁內段向撲翼下撲方向旋轉一定角度，柔性鉸鏈是ー個從動部件，前梁摺疊頭和摺疊座的旋轉通過蒙皮傳遞給柔性鉸鏈，柔性鉸鏈就進行旋轉，最大旋轉角度不超過主梁摺疊頭的最大旋轉角度。摺疊頭在垂直於撲翼前梁向撲翼上撲方向伸出一個搖臂，摺疊頭的搖臂處與軟鋼絲繩連接，軟鋼絲繩穿過前梁內段後與撲動機構機架下方固定點9A連接。前梁內段根部與撲動機構的輸出搖臂10插接，所述輸出搖臂與撲動機構機架上方固定點9B鉸接，能夠繞固定點上下擺動，帶動撲翼上下撲動。翼肋垂直於撲翼前梁，與前梁和斜梁通過凱夫拉縴維捆綁固定共同構成撲翼的骨架，蒙皮用聚氨酯粘合劑粘貼於骨架上。撲翼下撲的全過程由摺疊頭和摺疊座的相互限位作用保持平直。在上撲的前半程撲翼外段由氣動力作用及軟鋼絲繩的鬆弛向下彎折一定角度，在後半程軟鋼絲繩逐漸張緊拉動摺疊頭向上旋轉，摺疊頭帶動外段撲翼逐漸展平，在內段撲翼撲動到最高點時正好展平。所述摺疊頭在撲翼上撲過程中開始旋轉的時機由軟鋼絲繩在前梁內段的穿入位置、軟鋼絲繩在前梁內段的穿出位置、軟鋼絲繩在機架的連接位置、摺疊頭搖臂的長度決定，在製作過程中可通過靜態位置試裝確定。半主動式微型撲翼摺疊撲翼能夠用於微型撲翼飛行器，左右対稱的ー對摺疊撲翼安裝於微型撲翼飛行器撲翼驅動機構，由撲翼驅動機構帶動進行上下撲動，為撲翼飛行器 提供飛行所需氣動力。
權利要求1.一種微型半主動摺疊撲翼，包括前梁、斜梁、翼肋和蒙皮，其特徵在於前梁與翼展方向平行，位於撲翼的前緣；斜梁在弦向方向上位於前梁後方，與翼展方向呈銳角，其位於翼梢的端點比位於翼根的端點更靠近撲翼的前緣；前梁和斜梁在翼展方向的中部分為兩段，前梁內段中空，一端與摺疊座固接，前梁外段一端與摺疊頭固接；摺疊頭和摺疊座鉸接，摺疊頭在摺疊座內可向撲翼下撲方向旋轉，以前梁內段為參考，以前梁內段與前梁外段共線為基準位置，外段撲翼向撲翼下撲方向旋轉角度為正，摺疊頭在摺疊座內的最大旋轉角度為O 60° ;斜梁內段和斜梁外段通過柔性鉸鏈連接，斜梁外段可相對斜梁內段向撲翼下撲方向旋轉，最大旋轉角度不超過主梁摺疊頭的最大旋轉角度；摺疊頭在垂直於撲翼前梁向撲翼上撲方向伸出一個搖臂，在搖臂處與軟鋼絲繩連接，軟鋼絲繩穿過中空的前梁內段後與撲動機構機架下方固定點連接；所述撲動機構機架安裝於撲翼飛行器機身上；前梁內段根部與撲動機構的輸出搖臂插接，所述搖臂鉸接於撲動機構機架上方固定點，能繞固定點上下擺動，帶動撲翼上下撲動。
2.根據權利要求I所述的微型半主動摺疊撲翼，其特徵在於所述的摺疊頭在摺疊座內可向撲翼下撲方向旋轉的角度範圍由摺疊座的限位決定，具體方式為所述摺疊座的限 位作用是摺疊頭向撲翼上撲方向旋轉的最大角度為摺疊頭上壁與摺疊座上限位邊接觸，摺疊頭向撲翼下撲方向旋轉的最大角度為摺疊頭下壁與摺疊座下限位邊接觸。
3.根據權利要求I所述的微型半主動摺疊撲翼，其特徵在於所述的前梁、斜梁和翼肋的材料為樹脂基碳纖維複合材料。
專利摘要本實用新型公開了一種微型半主動摺疊撲翼，由前梁、斜梁、翼肋和蒙皮組成。前梁和斜梁在中部分為兩段，前梁內段和外段分別固定摺疊座和摺疊頭，摺疊頭搖臂與軟鋼絲繩連接，軟鋼絲繩穿過前梁內段固接於撲翼驅動機構機架，前梁內段根部與撲翼驅動機構輸出搖臂插接。撲翼下撲過程中，撲翼保持平直，上撲過程中，撲翼外段由於氣動力作用向下彎折一定角度，而隨著鋼絲繩的拉緊逐步平直。本實用新型通過簡單可靠的方式實現了撲翼不對稱的上下撲動，增加了一個撲動周期內氣動升力的合力，提高了撲翼的氣動效率，適合用於微型撲翼飛行器。
文檔編號B64C33/02GK202400287SQ20112029184
公開日2012年8月29日 申請日期2011年8月11日 優先權日2011年8月11日
發明者宋筆鋒, 李洋, 楊文青, 樊邦奎, 王利光, 高廣林, 魯合營 申請人:西北工業大學