一種新式撲旋翼構型及相應的微小型撲旋翼裝置製造方法

2023-05-31 00:36:31

一種新式撲旋翼構型及相應的微小型撲旋翼裝置製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種新式撲旋翼構型及相應的微小型撲旋翼裝置，所述撲旋翼構型將兩對完整的撲翼反對稱布置在一段橫梁的兩端，利用撲翼在上下撲動過程中，柔性翼膜同時產生升力和推力，兩個反方向推力形成力偶驅動橫梁及撲翼作自驅旋轉而不會產生反扭矩。利用此構型設計的撲旋翼裝置包括撲翼、具有驅動機構及電源的裝配體、連接軸及半橫梁；其中，半橫梁組裝在一起成為橫梁，橫梁中部與連接軸一端固定連接，撲翼固定在裝配體上，相對於連接軸的軸線反對稱安裝在橫梁兩端，本發明的撲旋翼構型具有很好的升力特性，能夠顯著增大飛行器有效載荷，並且滿足同時具備懸停和平飛能力的要求，有效擴展了微小型飛行器的應用範圍。
【專利說明】一種新式撲旋翼構型及相應的微小型撲旋翼裝置
【技術領域】
[0001]本發明屬於微小型飛行器設計及製造【技術領域】，更具體地說是涉及撲翼與旋翼相結合的微小型撲旋翼裝置設計方法及製造技術。
【背景技術】
[0002]微型飛行器是20世紀90年代中期源於軍事目的而發展起來的一種新型飛行器。1992 年，美國蘭德公司提交美國 DARPA (Defense Advanced Research Project Agency,國防高級研究計劃署)的一份關於未來軍事技術的研究報告首次提出了微型飛行器的概念。與常規無人飛行器相比，微小型飛行器具有體積小、重量輕、成本低的飛行平臺優勢，操縱方便、機動靈活、噪音小、隱蔽性好，無論是在軍事領域還是在民用領域，都有十分廣闊的應用前景，因而引起了世界各國的廣泛關注。
[0003]微小型飛行器按飛行特點可分為三類:固定翼、旋翼和撲翼。
[0004]微小型固定翼飛行器的特點是結構簡單、固定翼技術積累比較成熟，目前研究得較好的微小型固定翼飛行器有Sanders公司研製的「Micro Star」，AeroVironment公司研製的「Black Widow」以及美國海軍研究實驗室開發的「MITE」等，但是由於這類飛行器需要一定的飛行速度產生升力才能停留在空中，並且由於尺寸的限制導致最小平飛速度較大，難以實現懸停，限制了微小型固定翼飛行器的應用範圍。
[0005]微小型旋翼飛行器的特點是能夠垂直起降和懸停，這一特點在很大程度上擴展了此種飛行器在軍事和民用領域內的應用，比較成功的有Lutronix與Auburn大學合作研製的「Kolibri」、日本東京大學利用MEMS (Micro-Electro-Mechanic System,微機電系統)技術研製的一種翼展僅為4毫米的旋翼飛行裝置以及上海交通大學研製的雙螺旋槳微型飛行器。然而，由於旋翼系統的結構複雜，當整體尺寸減小時這一缺點更加明顯，而且在尺寸較小時，旋翼飛行器的氣動效率非常低，飛行穩定性和抗幹擾性能較差，使得微小型旋翼飛行器的製造及應用受到了較大影響。
[0006]微小型撲翼飛行器是採用仿鳥或昆蟲等自然界的飛行生物產生氣動力的原理而形成的一種仿生飛行器，它的特點在於可以利用較好的仿生效果通過尾跡氣流捕獲等升力機製得到較高升力，節省能量，並且在小尺寸情況下的氣動效率比固定翼及旋翼飛行器要高，目前研究得較為成熟的有加州理工學院、AeroVironment公司及加州大學共同研製的「MicroBat」,美國喬治亞理工大學研製的仿昆蟲微型飛行器「Entomopter」, AeroVironment公司研製的超級蜂鳥以及中國西北工業大學研製的「信鴿」等。但是由於目前的仿生以及MEMS技術發展得還不能達到理想的仿生效果，因此現有的微小型撲翼飛行器儘管可以很好地實現飛行(如AeiOViixmment公司研製的超級蜂鳥)，但有效載荷很低，或者為了達到提升有效載荷的目的不得不採取較大尺寸的構型，比如德國Festo公司研製的「SmartBird」的翼展達到了 1.2米，重量達到500克，這些缺點使得微小型撲翼飛行器在需要較大有效載荷的應用方面受到了很大制約，因此，為了使微小型撲翼飛行器在實際中得到更加廣泛地應用，解決微小型飛行器尺寸與有效載荷之間要求的矛盾是非常必要的。[0007]目前，在現有技術條件下，能夠實現懸停並且具有較大有效載荷是微小型飛行器的發展方向，而根據國內外研究結果，微小型飛行器的技術難點主要有低雷諾數下的升阻比劇烈下降和升力曲線非線性變化，動力和能源密度偏低，有效飛行控制難度大，飛行穩定性差等。而根據三種微小型飛行器的特點，可以發現三種形式均存在各自的技術缺點，難以解決對飛行器尺寸和有效載荷要求之間的矛盾。
[0008]近些年國內外研究人員提出了撲旋翼飛行器的概念，這是一種結合撲翼和旋翼的技術，利用撲翼的柔性變形，拍動時同時產生升力和推力，反對稱推力形成力偶，帶動撲翼做自驅旋轉，這樣就不需要額外的裝置(如單旋翼飛行器中的尾槳等)來平衡扭矩，而通過旋轉產生的周向運動速度又能增加升力，從而達到整體增升的目的。但是目前的撲旋翼結構在靠近旋轉軸的部分氣動效率很低，實驗結果表明，這樣的裝置目前不能產生足夠的升力，升力與結構重量之比很低，未達到可以正常起飛的能力。

【發明內容】

[0009]本發明的目的在於克服目前的撲旋翼結構在靠近旋轉軸的部分氣動效率低的缺點，解決現有技術條件下對微小型飛行器的尺寸和有效載荷要求的矛盾，滿足微小型飛行器同時具備懸停和平飛的能力。提出了一種新式撲旋翼構型並進行相應的微小型撲旋翼裝置設計，這一構型具體解釋為:兩對完整的撲翼反對稱布置在一段橫梁的兩端，橫梁中心固定的連接軸垂直於橫梁。預先將兩對撲翼設定合適的初始迎角，撲翼在上下撲動過程中，由於柔性翼膜的作用能夠同時產生升力和推力，兩對撲翼產生相同方向的升力，兩個反方向推力形成力偶驅動橫梁及撲翼作自驅旋轉，且不會產生反扭矩，撲翼的旋轉周向速度可以增大撲翼本身產生的升力，旋轉過程中兩對撲翼的完整性可以促進尾跡的有利幹擾和相互利用，進一步獲得升力提升，從而在整體上達到較大升力的目的。
[0010]利用這一新式撲旋翼構型設計的微小型撲旋翼裝置可以通過以下技術方案實現。本發明的微小型撲旋翼裝置，包括撲翼、具有驅動機構及電源的裝配體、連接軸、半橫梁。
[0011]其中，兩對完整的撲翼分別與兩套具有驅動機構及電源的裝配體裝配成為整體，並能夠進行單獨控制實現撲動；將兩段相同的半橫梁組裝在一起成為橫梁，並將兩個裝配體分別安裝在橫梁的兩端；調整好安裝的相對角度，使得撲翼拍動時具有一個合適的初始迎角；調整好橫梁與撲翼固定位置的上下位置，避免撲翼拍動時與橫梁產生位置幹擾，並且橫梁的長度應保證內側兩片撲翼在撲動過程中不會相互撞擊；通過每個半橫梁上的半圓孔組裝後形成的橫梁中間圓孔，將連接軸一端與橫梁中間圓孔固接在一起。將此撲旋翼裝置從空中釋放後，立即接通電源使撲翼撲動，兩對反對稱安裝的撲翼產生的力偶能夠實現繞連接軸自驅旋轉。
[0012]本發明的微小型撲旋翼裝置產生升力的原理是採用雙撲翼共同提供升力，撲翼旋轉是自驅旋轉，在理論上不產生反扭。由於本發明的微小型飛行器構型保留了撲翼的完整性，將會產生足夠大的對稱升力和反對稱推力，反對稱推力形成力偶驅動撲翼旋轉。通過調整半橫梁長度及半橫梁與撲翼的相對安裝角度，可以使得在不發生運動幹涉的情況下，撲翼具有一個合適的初始迎角，同時兩對撲翼有良好的飛行條件，達到最優的增升效果。
[0013]本發明的微小型撲旋翼構型能夠產生較大升力的詳細解釋為:首先，實驗表明，完整的撲翼產生的升力和推力與其安裝的初始迎角以及前飛速度密切相關，通過調整初始迎角可以獲得最優的升力推力比，使得兩對撲翼產生的推力形成的力偶能夠提供合適的周向旋轉速度，此時兩對撲翼產生的升力的合力、撲翼旋轉提供的增升作用的總體效果達到最優狀態，升力最大；其次，由於懸停時自驅旋轉為周期性運動，這樣一對撲翼相當於處在另一對撲翼產生的尾流場中。
[0014]本發明的有益效果有:[0015](I)本發明的撲旋翼構型保留了撲翼的完整性，能夠產生較大升力，可以增加微小型飛行器載荷；
[0016](2)本發明的撲旋翼構型提供一種自驅旋轉，不需要多餘的裝置平衡扭矩，有利於精簡結構，減輕結構重量並減少能量消耗；
[0017](3)本發明的微小型撲旋翼裝置能夠實現垂直起降、懸停，通過適當的控制能夠實現平飛，擴展了微小型飛行器的應用範圍。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是本發明的微小型撲旋翼裝置的軸測圖；
[0019]圖2是本發明的微小型撲旋翼裝置的半橫梁的軸測圖；
[0020]圖3是本發明的微小型撲旋翼裝置的撲翼的俯視圖。
[0021]圖中:
[0022]1-撲翼； 2-裝配體；3-連接軸；4-半橫梁；
[0023]Ia-前緣； Ib-翼弦； lc_後緣點；Id-後緣；
[0024]4a_連接段；4b_過渡段；4c_半橫梁中段；4d_半圓孔。
【具體實施方式】
[0025]下面結合附圖和實施例對本發明的新式撲旋翼構型作詳細說明。
[0026]本發明的微小型撲旋翼裝置，包括撲翼1、裝配體2、連接軸3和半橫梁4。如圖1所示，兩個半橫梁4通過半橫梁中段4c粘接在一起形成橫梁，所述橫梁的兩端分別固定一個包含驅動機構及電源的裝配體2，在所述兩個裝配體2上分別安裝有一對撲翼1，兩對撲翼I相對於連接軸3軸線反對稱安裝在所述裝配體2上，所述橫梁軸線垂直於連接軸3的軸線。所述連接軸3 —端與橫梁中部圓孔固接，另一端為自由端。
[0027]如圖3所示，所述撲翼I後緣Id呈拋物線形狀，且弦長最大處後緣點Ic為拋物線頂點，該頂點固定連接在裝配體2上。所述撲翼前緣Ia為直線形狀，翼弦Ib通過後緣點Ic並垂直於前緣la。
[0028]兩對完整的撲翼I反對稱布置在一段橫梁的兩端，預先將兩對撲翼I設定合適的初始迎角，撲翼I在上下撲動過程中，由於柔性翼膜的作用能夠同時產生升力和推力，兩對撲翼產生相同方向的升力，兩個反方向推力形成力偶驅動橫梁及撲翼I作自驅旋轉，且不會產生反扭矩，撲翼I的旋轉周向速度可以增大撲翼I本身產生的升力，旋轉過程中兩對撲翼I的完整性可以促進尾跡的有利幹擾和相互利用，進一步獲得升力提升，從而在整體上達到較大升力。
[0029]本發明的微小型撲旋翼裝置的製作步驟是:
[0030]第一步，製作撲翼I。選用合適的柔性材料作為撲翼I的翼面材料，如圖3所示，採用前緣骨架和後緣點Ic固定的方式將翼面前緣Ia粘接在前緣骨架上，四片撲翼I的翼面形狀相同，製作後的撲翼I的前緣骨架Ia應向翼弦Ib外伸出適當長度，以能夠與驅動機構及電源2組裝在一起實現撲動；
[0031]第二步，製作裝配體2。將電動機、電源、導線、減速裝置以及傳動機構裝配在一個長方殼體結構內成為一套裝配體2，並將裝配體2內的傳動機構與撲翼I的前緣骨架Ia相連，撲翼I後緣Id通過後緣點Ic粘接固定於裝配體2上，當電源接通時，電動機能夠通過減速裝置、傳動機構帶動撲翼I前緣骨架上下周期運動，這樣就實現了撲翼I的撲動；
[0032]第三步，製作半橫梁4和連接軸3。如圖2，半橫梁4包括連接段4a、過渡段4b、半橫梁中段4c和半圓孔4d。其中，連接段4a端部用於安裝撲翼I和裝配體2，半橫梁中段4c端部設置有半圓孔4d，兩個辦橫梁4上的兩個半圓孔4d組裝成圓孔與連接軸3配合，起到定位作用，過渡段4b是半橫梁中段4c和連接段4a的過渡結構；半橫梁4具有足夠的剛度防止飛行過程中扭轉過大，且其截面尺寸要遠小於撲翼I的弦長，以避免對流場產生較大的幹擾；連接軸3為圓柱形，其外圓面直徑與兩個半圓孔4d組裝成的圓孔的直徑相同，並且連接軸3端部固定在所述圓孔內。
[0033]第四步，裝配，調整試飛。將撲翼1、裝配體2與連接段4a端部裝配在一起成為一個整體，撲翼I的前緣骨架撲動平面平行於半橫梁4軸線，調整好安裝的相對角度，使得撲翼I拍動時具有一個合適的初始迎角；調整好連接段4a的上下位置，避免撲翼I拍動時與半橫梁4產生位置幹擾。將兩個半橫梁4的半橫梁中段4c粘接在一起，此時兩個半圓孔4d組成一個圓孔並與連接軸3的一端粘接固定在一起，兩對撲翼I關於連接軸3的軸線反對稱，至此設計的微小型撲旋翼裝置已裝配完畢。將該微小型撲旋翼裝置從空中釋放後立即通電試飛，可以根據實際飛行效果調整撲翼I安裝角度。
[0034]實施例:
[0035]本例中給出一組本發明微小型撲旋翼裝置設計步驟中的各參數尺寸，結合以上關於本發明的微小型撲旋翼裝置的製作步驟:
[0036]第一步，撲翼翼面材料為聚氯乙烯薄膜，前緣骨架為直徑為Imm的碳纖維骨架，單片撲翼展長為135mm,翼弦Ib弦長為90mm,撲翼後緣Id呈拋物線形狀,且後緣點Ic為拋物線頂點，作為單點固接點；
[0037]第二步，採用微小型電動機，電源為鋰電池；
[0038]第三步，半橫梁材料為碳纖維，半橫梁中段4c長度為45mm，過渡段4b長度為60mm,連接段4a為長度150mm、截面直徑為3mm的圓柱形結構，半圓孔4d直徑為4mm ;連接軸3長度為40mm,直徑為4mm。
[0039]第四步，撲翼I的翼弦Ib與連接軸3軸線的垂面之間的夾角為40°，即撲翼I的初始迎角為40°。
[0040]本實施例經過實驗測試，在空中懸停飛行23秒，達到了預期的飛行效果。
【權利要求】
1.一種新式撲旋翼構型，其特徵在於:兩對完整的撲翼反對稱布置在一段橫梁的兩端，預先將兩對撲翼設定初始迎角，撲翼在上下撲動過程中，由於撲翼的柔性翼膜的作用能夠同時產生升力和推力，兩對撲翼產生相同方向的升力，兩個反方向推力形成力偶驅動橫梁及撲翼作自驅旋轉。
2.根據權利要求1所述的一種新式撲旋翼構型，其特徵在於:所述的撲翼後緣呈拋物線形狀，且弦長最大處後緣點為拋物線頂點，撲翼前緣為直線形狀，翼弦通過後緣點並垂直於前緣，柔性翼膜採用前緣骨架和後緣單點固定方式安裝。
3.根據權利要求2所述的一種新式撲旋翼構型，其特徵在於:撲翼的前緣骨架向翼弦外伸出，伸出長度以能夠與裝配體組裝在一起實現撲動。
4.根據權利要求1所述的一種新式撲旋翼構型，其特徵在於:所述的初始迎角設置為40度。
5.一種微小型撲旋翼裝置，其特徵在於:採用權利要求1中所述的撲旋翼構型，所述微小型撲旋翼裝置包括兩對撲翼、兩個具有驅動機構及電源的裝配體、一個連接軸和兩個半橫梁；其中，兩個半橫梁組裝在一起成為橫梁，連接軸一端與橫梁中部圓孔固接，撲翼固定在所述裝配體上，由裝配體內驅動機構及電源控制，裝配體安裝在橫梁的兩端，裝配體上的撲翼相對於連接軸軸線反對稱。
6.根據權利要求5所述的一種微小型撲旋翼裝置，其特徵在於:所述的半橫梁包括連接段、過渡段、半橫梁中段和半圓孔；其中，連接段端部用於安裝裝配體，半橫梁中段布置半圓孔，半圓孔與連接軸配合，起到定位作用，過渡段是半橫梁中段和連接段的過渡結構。
7.根據權利要求6所述的一種微小型撲旋翼裝置，其特徵在於:所述的半橫梁截面尺寸遠小於撲翼的弦長；半橫梁的長度應該滿足兩對撲翼撲動時內側兩片撲翼不會出現撞擊的要求。
8.根據權利要求5所述的一種微小型撲旋翼裝置，其特徵在於:撲翼的前緣骨架撲動平面平行於半橫梁軸線。
9.根據權利要求5所述的一種微小型撲旋翼裝置，其特徵在於:裝配體內布置有驅動機構及電源，驅動機構包括電動機、減速裝置以及傳動機構，傳動機構與撲翼的前緣骨架相連以驅動撲翼撲動；撲翼後緣點固定在裝配體殼體上。
10.根據權利要求5所述的一種微小型撲旋翼裝置，其特徵在於:所述的柔性翼膜採用聚氯乙烯薄膜材料，撲翼前緣骨架、橫梁的材料均為碳纖維。
【文檔編號】B64C33/00GK103552687SQ201310556415
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年11月11日 優先權日:2013年11月11日
【發明者】向錦武, 孫毅, 李道春, 甄衝, 範新 申請人:北京航空航天大學