CN101316478B - 微型飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微型飞行器，包括机身和固定在机身上的机翼，机翼包括机翼骨架和粘结在机翼骨架上的蒙皮，其中至少部分所述蒙皮为集成有机载电路的挠性电路板。在这里，机翼蒙皮集成有机载电路和器件，由此使机翼同时成为翼表流场传感器以及其它相关机载电路和器件的载体，减轻了飞行器重量并为其它任务载荷提供了更多安装空间。本发明的机翼蒙皮集成有机载电路和器件，方便了飞行器各部分的电气连接，提高了系统可靠性，同时也方便了飞行器的电气扩展。

Description

微型飞行器

技术领域

本发明涉及微型飞行器，具体地说，涉及集成有机载电路和器件的微型飞行器。

背景技术

自从1992年美国提出“微型飞行器”的概念以来，微型飞行器因为具有特殊用途而备受关注。一些国家投入专项经费，研制翼展1米以下乃至150毫米以下的飞行器，并取得了相当的成果。微型飞行器执行的任务主要有：空中侦察、目标指示、通信中继等。飞行器本身的稳定性及可控性等是其执行各项任务的前提，具有较小的尺寸使得微型飞行器具有诸如低的悬停速度等优点，但从空气动力学、控制性能、操纵性能等角度考虑，微型飞行器存在如下一些不利的主要特征：

1.由于尺寸小、飞行速度低，导致飞行雷诺数低；低雷诺数使得机翼表面出现层流附面层分离、层紊流转变等现象，从而使升阻比减小，阻力系数增大。

2.由于展弦比较低，诱发较强的翼表涡流，使飞行器受力复杂；低展弦比本身使飞行器滚转稳定性变差，而翼尖涡流的存在使滚转稳定性进一步恶化。

3.由于重量小、惯性小、飞行速度低，使飞行器易受扰动，抗风能力差。

如图1所示，传统飞行器包括机翼11、机身12、垂直安定面(包括水平尾翼13和垂直尾翼14)，并有升降舵15、方向舵16和副翼17三组舵面来分别控制飞机的俯仰、偏航和滚转三轴运动。现有的微型飞行器一般是具有图1所示的结构并按比例缩小形成微型飞行器；其它比较常见的设计比如中国专利CN2681998Y中是采用翼身融合的升力体结构，此类方案多采用传统翼形，飞行器本体为刚性。为了从空气动力学、控制性能、操纵性能等角度来克服微型飞行器存在的上述不利特征，现有的微型飞行器大多采用独立的、集成有MEMS惯性传感器及其它传感器的自动驾驶仪进行阻尼增稳、姿态控制、导航控制等。

但是，在实际应用中，现有微型飞行器仍然存在如下一些不足：

1.机身容量小，使飞控系统和任务载荷布置困难，进而影响到系统性能；

2.机载电路分体设计和布置，不仅占据了有限的机身容量，还使飞行器有效载荷降低。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中微型飞行器机身容量小、有效载荷低等不足，从而提供一种新的微型飞行器。

为了达到上述目的，本发明提供一种微型飞行器，包括机身和固定在所述机身上的机翼，机翼包括机翼骨架和粘结在机翼骨架上的蒙皮，其中，蒙皮的至少一部分为集成有机载电路的挠性电路板。

在上述技术方案中，所述机载电路包括流场传感器阵列、传感器信号调理电路、处理器、存储器等，所述流场传感器阵列可以由多个微型流场传感器组成，这样就可以用于测量飞行器翼表流场并通过数据融合方法获得多个飞行参数，数据融合的方法可以参照申请号为200610065681.5的中国专利申请。

所述挠性电路板的基材为可挠曲的绝缘薄膜，它由聚酯、聚酰亚胺、聚乙烯环烷、环氧树脂或者玻璃布结构材料制成。

在上述技术方案中，所述飞行器采用无尾飞翼式气动布局。

在上述技术方案中，所述机翼骨架为弹性骨架，机翼弦向弯曲变形量一般在平均气动弦长的20％以内。

在上述技术方案中，所述弹性骨架可以主要由弹性复合材料如碳纤维、金属材料或竹纤维等材料制成。

在上述技术方案中，所述机翼和机身均沿与飞行方向平行的中轴线对称。

在上述技术方案中，机翼平面形状采用诱导阻力较小的齐默曼形。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1.本发明的机翼蒙皮集成有机载电路和器件，使机翼同时成为翼表流场传感器以及其它相关机载电路和器件的载体，减轻了飞行器的重量，并且为其它任务载荷提供了更多安装空间；

2.本发明的机翼蒙皮集成有机载电路和器件，方便了飞行器各部分的电气连接，提高了系统可靠性，同时，也方便了飞行器的电气扩展；

3.本发明还可以用弹性的机翼骨架和集成有机载电路和器件的蒙皮粘结形成柔性机翼，柔性机翼采用传统翼型的中弦线设计，机翼的前缘有用于增大前缘半径的整流带；柔性机翼能随环境(如阵风)变化而产生被动变形，从而使飞行器被动适应环境，大大降低了突风过载，提高飞行器的抗风能力和飞行稳定性，以及可操纵性；柔性机翼很好地消除大气运动中的高频扰动对于微型飞行器的影响，有利于消除微型飞行器自身的高频抖动，降低机载传感器的高频噪声；柔性翼微型飞行器可以无需传统微型飞行器所必须的阻尼增稳系统，从而简化了飞行器的控制系统。

4.本发明的机翼蒙皮上可以分布有多个微型流场传感器，可以用于机翼表面流场的检测，并采用数据融合方法(请参照申请号为200610065681.5的中国专利)获得多个飞行参数，如迎角、侧滑角等，这些飞行参数可以用于飞行器的稳定控制和抗风控制，从而提高飞行器的稳定性和抗风性。

附图说明

图1是传统飞行器的结构示意图；其中图1(a)是飞行器的俯视图，图1(b)是主视图；图1(c)是右视图；

图2是本发明的一种以挠性电路板为蒙皮的微型飞行器的俯视图；

图3(a)是本发明的一种以挠性电路板为蒙皮的柔性翼微型飞行器的立体图；图3(b)是图3(a)中飞行器的左视图；

图4是本发明的作为柔性蒙皮的、集成有微型流场传感器阵列和传感器信号调理电路的挠性电路板；

图5是柔性机翼选用的翼形中弦线示意图；

图6是柔性机翼的弹性骨架。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

图2示出了根据本发明的微型飞行器的一个实施例，该实施例的微型飞行器结构如文献“吴怀宇，Micro air vehicle：configuration，analysis，fabrication and test，IEEE/ASME TRANSACTIONS ONMECHATRONICS，VOL.9，NO.1，MARCH2004”中记载。该飞行器采用飞翼式气动布局，飞机由骨架和蒙皮组成。唯一的区别在于，如图2所示，蒙皮是挠性电路板，在所述挠性电路板上集成有流速传感器阵列33、传感器信号调理电路34、传感器数据采集和记录电路61。传感器阵列33布置在机翼前缘的上下表面，传感器信号调理电路34、数据采集和记录电路均布置于蒙皮中央，位于飞行器内侧表面，使电路受到保护。传感器阵列33测得的信号经传感器信号调理电路34放大滤波后由传感器数据采集电路进行A/D转换，最后由数据记录电路记录。但也可以规定，只有一部分蒙皮采用挠性电路板。

图3和图4表示本发明微型飞行器的另一个实施例，它以挠性电路板为蒙皮并集成有翼表流场传感器阵列。该飞行器主要包括机身12和与机身12固定在一起的柔性机翼，该柔性机翼包括由挠性电路板形成的柔性蒙皮21以及由碳纤维制成的弹性骨架22。在柔性机翼的挠性电路板21上集成有翼表流场传感器阵列33和传感器信号调理电路34。此外，用于机翼的弹性骨架的材料要求强度高、弹性好、密度小。在本实施例中选用碳纤维材料是因为其弹性模量和强度均比较大，而且密度小，比刚度与比强度都大大高于常规金属材料，如钢材、铝材等。不过，作为弹性骨架材料，可以采用其它弹性复合材料或金属材料或竹纤维。

在本实施例中，柔性机翼的前缘有用于增大前缘半径的整流带25，柔性机翼后缘有升降舵15，机身12下后方有方向舵16，机身27前端有螺旋桨29，整个飞行器关于一条平行于飞行方向的轴线00’对称。

在本发明中，在飞行器设计上采用了薄翼无尾飞翼式气动布局形式。与图1相比，图3中的飞行器的机翼为由柔性蒙皮21和弹性骨架22组成的薄翼，柔性薄翼机翼的平面形状采用诱导阻力较小的齐默曼形，柔性机翼的翼型采用传统有厚度翼型的中弦线，如图5中的翼型中弦线41。这样的设计使得柔性机翼可以随外界气流环境的变化而产生被动变形，改善飞行器飞行性能。综合考虑展弦比与机翼面积的关系，选取展弦比范围为K＝1.65至1.85，比如可以选取K＝1.75，平均气动弦长170mm至174mm，比如可以选取气动弦长为172mm。为满足纵向稳定性，柔性机翼的翼型选择后缘向上弯曲的S翼型。

如图4所示，柔性蒙皮21为挠性电路板，其基材为聚酰亚胺，厚度为0.08mm至0.12mm。在挠性电路板前缘的上下表面布置有微型流场传感器阵列33，在挠性电路板的下表面中央设有传感器信号调理电路34。在机身27和柔性机翼完成安装后，该传感器信号调理电路34位于机身27内部，受机身27保护。微型流场传感器可以采用微型热线/膜温度传感器或微型压力传感器。此外，所述挠性电路板的基材为可挠曲的绝缘薄膜，它还可以由聚酯、聚乙烯环烷、环氧树脂或者玻璃布结构材料制成。

柔性机翼的碳纤维骨架按展向与弦向布置，如图6所示的一种机翼骨架结构，包括机翼前缘51，机翼骨架展向主梁52，机翼展向后梁53，机翼弦向梁中的一根54和升降舵26。这样设计可以充分利用碳纤维复合材料的方向性，控制变形的幅度，满足机翼变形的要求。为保证足够的精度与对称性，弹性骨架采用模具加压固化成型，在上表面粘结覆盖挠性电路板后，即形成可以产生弹性变形的柔性薄膜机翼。柔性机翼的前缘是模仿鸟类翅膀，增加一条整流带25以增大前缘半径，改善大迎角下机翼的气动性能。柔性机翼的后缘部分为升降舵15，可上下偏转，用以控制飞行器升降运动。

机身27为船形结构，各横截面为上宽下窄的等腰梯形。完成安装后，机身27罩住柔性机翼上的传感器信号调理电路34，对其起到保护作用。机身27的上沿，即与柔性机翼结合部分，其形状与柔性机翼采用的翼形中弦线一致，从而使二者紧密结合。机身27尾部下侧为下置的单垂尾28，可左右偏转，产生正交联的偏航与滚转力矩，满足飞行器横侧方向的操纵性要求。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的飞行器结构和技术方案，但非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种微型飞行器，包括机身和固定在所述机身上的机翼，所述机翼包括机翼骨架和粘结在所述机翼骨架上的蒙皮，其特征在于，所述蒙皮的至少一部分为集成有机载电路的挠性电路板；

所述挠性电路板的基材为可挠曲的绝缘薄膜，它由聚酯、聚酰亚胺、聚乙烯环烷、环氧树脂或者玻璃布结构材料制成。

2.按照权利要求1所述的微型飞行器，其特征在于，所述机载电路包括流场传感器阵列、传感器信号调理电路、处理器和存储器；所述流场传感器阵列位于所述机翼前缘的上下表面。

3.按照权利要求2所述的微型飞行器，其特征在于，所述机翼为飞翼，所述传感器信号调理电路集成在所述飞翼下表面的中央且正好容纳于所述机身内部。

4.按照权利要求1所述的微型飞行器，其特征在于，所述机翼骨架是弹性的，并且如此选择所述机翼骨架的弹性，即所述机翼的最大弦向弯曲变形量小于平均气动弦长的20％。

5.按照权利要求4所述的微型飞行器，其特征在于，所述机翼骨架的材料包括弹性复合材料、金属材料或竹纤维。

6.按照权利要求5所述的微型飞行器，其特征在于，所述弹性复合材料为碳纤维。

7.按照权利要求1至6中任一项所述的微型飞行器，其特征在于，所述机翼和所述机身均沿与飞行方向平行的中轴线对称。

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