CN102381476A - 一种微型半主动折叠扑翼 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微型半主动折叠扑翼，由前梁、斜梁、翼肋和蒙皮组成。前梁和斜梁在中部分为两段，前梁内段和外段分别固定折叠座和折叠头，折叠头摇臂与软钢丝绳连接，软钢丝绳穿过前梁内段固接于扑翼驱动机构机架，前梁内段根部与扑翼驱动机构输出摇臂插接。扑翼下扑过程中，扑翼保持平直，上扑过程中，扑翼外段由于气动力作用向下弯折一定角度，而随着钢丝绳的拉紧逐步平直。本发明通过简单可靠的方式实现了扑翼不对称的上下扑动，增加了一个扑动周期内气动升力的合力，提高了扑翼的气动效率，适合用于微型扑翼飞行器。

Description

一种微型半主动折叠扑翼

技术领域

本发明涉及一种折叠扑翼。

背景技术

微型扑翼飞行器是一种模仿鸟类飞行的新概念飞行器，它具有体积小、重量轻、隐蔽性好，使用灵活、效率高等优势，如果搭载传感器和相关的数据传输和飞行控制系统，形成微小型扑翼无人机平台，就会具有广阔的应用前景。围绕这一课题，各国已研制出可控飞行的扑翼飞行器，其中较成功的有美国Aero Vironment公司与加利福尼亚大学合作的“Microbat”以及荷兰Delft大学的“Delfly”等，但其性能距离实用化还有较大的差距，这主要体现为飞行时间有限，有效载荷小，操纵控制难度大等方面。究其原因，扑翼飞行器机翼的气动效率低、功率消耗大是相当重要的因素。

扑翼飞行器的扑翼在下扑过程中产生升力和大部分推力，在上扑过程中产生向上的力和小部分推力，由于扑翼几何形状固定不变，因此在一个扑动周期中产生的竖直方向气动力合力为零，这是人造扑翼气动效率显著低于鸟类扑翅的重要原因。在自然界，海鸥等鸟类的翅在下扑过程中保持平直，获得最大升力，而在上扑过程中通常会有展向折叠调整，减小翅的投影面积，减少无用功，从而在整个扑动过程中获得最大的合升力，保证气动效率。

为了实现这种气动效率更高的扑动模式，研究人员进行了一些尝试。

通过改进扑翼驱动机构，在原有的驱动机构输出的机翼上下扑动运动的基础上，将扑翼分为内外两段，通过连杆套筒等构件使扑翼外段能够在驱动机构的作用下周期性的弯折，从而实现上扑过程中机翼的主动折叠。这种方式的不足之处是增加了扑翼驱动机构的复杂程度和重量，降低了扑翼驱动机构的可靠性。2009年4月8日公开的中国专利“仿生飞行器机翼”(公开号CN201217500Y)公开了一种板状结构机翼，贯穿机翼上下表面有减阻孔，减阻孔内通过叶片轴铰接叶片。叶片可在机翼上下扑动时，由机构操控主动的进行开合运动，达到减阻增升的目的。其不足之处是，叶片及其机构会增加机翼的重量和转动惯量，增加扑动所需动力，减少扑动机构和机翼本身的寿命；叶片开合需要与扑动位置配合，增加控制难度。

2009年7月29日公开的中国专利“一种能够单向弯曲的微型扑翼机的扑翼”(公开号CN101492094A)公开了一种能够单向弯曲的扑翼，其展向梁断开为两段，在断开处上下表面分别固定可伸缩的弹性材料和可单向变形的连接片，实现下扑时扑翼完全展开，上扑时扑翼部分折叠的效果。其不足之处是，折叠效果完全由弹性材料在气动力的作用下被动产生，当扑翼扑动频率较高时，折叠效果会受到相当程度的削弱；弹性材料的老化和寿命直接影响扑翼整体的性能和寿命。

发明内容

为了克服现有技术使用被动弹性材料影响折叠效果和扑翼寿命的不足，本发明提供一种半主动式微型扑翼折叠扑翼，能够利用简单的结构使扑翼外段弯折，以较小重量代价实现上述高效扑动模式，使其具有良好的可靠性和实用性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括前梁、斜梁、翼肋和蒙皮。

前梁与翼展方向平行，位于扑翼的前缘；斜梁在弦向方向上位于前梁后方，与翼展方向呈锐角，其位于翼梢的端点比位于翼根的端点更靠近扑翼的前缘。前梁和斜梁在翼展方向的中部分为两段，前梁内段中空，一端与折叠座固接，前梁外段一端与折叠头固接。折叠头和折叠座铰接，折叠头在折叠座内可向扑翼下扑方向旋转一定角度，旋转的角度范围由折叠座的限位决定，具体方式为：所述折叠座的限位作用是折叠头向扑翼上扑方向旋转的最大角度为折叠头上壁与折叠座上限位边接触，折叠头向扑翼下扑方向旋转的最大角度为折叠头下壁与折叠座下限位边接触。以前梁内段为参考，以前梁内段与前梁外段共线为基准位置，外段扑翼向扑翼下扑方向旋转角度为正，折叠头在折叠座内的最大旋转角度为0～60°。

斜梁内段和斜梁外段通过柔性铰链连接，斜梁外段可相对斜梁内段向扑翼下扑方向旋转一定角度，旋转角度由扑翼蒙皮传递的前梁弯折后的力以及扑动过程中的气动载荷决定，最大旋转角度不超过主梁折叠头的最大旋转角度。

折叠头在垂直于扑翼前梁向扑翼上扑方向伸出一个摇臂，在摇臂处与软钢丝绳连接，软钢丝绳穿过中空的前梁内段后与扑动机构机架下方固定点连接。所述扑动机构机架安装于扑翼飞行器机身上。

前梁内段根部与扑动机构的输出摇臂插接，所述摇臂铰接于扑动机构机架上方固定点，能绕固定点上下摆动，带动扑翼上下扑动。

所述的前梁、斜梁和翼肋的材料为树脂基碳纤维复合材料。

扑翼在下扑全过程中由气动载荷和折叠头与折叠座的相互限位作用保持平直，即前梁内段与前梁外段共线。在上扑的前半程扑翼外段由于气动力作用以及软钢丝绳的松弛会向扑翼下扑方向旋转一定角度，在上扑的后半程软钢丝绳逐渐张紧拉动折叠头向上旋转，折叠头带动外段扑翼逐渐展平，在内段扑翼扑动到最高点时正好展平，前梁内段与前梁外段恢复共线。所述折叠头在扑翼上扑过程中开始旋转的时机由软钢丝绳在前梁内段的穿入位置、软钢丝绳在前梁内段的穿出位置、软钢丝绳在机架的连接位置、折叠头摇臂的长度决定。

本发明的有益效果是：

本发明同现有固定结构的扑翼相比，仅增加了折叠头、折叠座和钢丝绳等构件，付出的重量代价小，增加的转动惯量也小，避免了扑动过程能耗变大，在提高气动效率的同时保持了动力效率，使应用本发明的扑翼飞行器整体效率提高。

本发明扑翼上扑过程中的折叠与恢复平直过程受到钢丝绳的半主动控制，在不增加主动控制构件的条件下，实现了对扑动过程的控制，保证了扑翼精确实现预设的扑动模式。

本发明扑翼的单向折叠所需的限位作用由折叠头与折叠座配合完成，两者均为刚性结构件，而折叠过程的部分载荷由软钢丝绳承受。扑翼整体的可靠性较高，使用寿命长，同时能够保证扑翼折叠的时机和效果达到设计要求，不存在折叠不足或时机不正确影响扑动效率的问题。

附图说明

图1为本发明示意图

图2为本发明折叠头与折叠座组装示意图

图3为本发明折叠座限位作用原理示意图

图4为本发明安装示意图

图5为本发明一个扑动周期工作原理示意图

图中，1-前梁，1A-前梁内段，1B-前梁外段，2-后梁，3-翼肋，4-蒙皮，5-折叠座6-折叠头，7-柔性铰链，8-软钢丝，9A-扑动机构下方固定点，9B-扑动机构上方固定点，10-扑动机构摇臂，11-折叠头下壁，12-折叠座下限位边，13-折叠头上壁，14-折叠座上限位边。

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。

本发明的微型半主动折叠扑翼，由前梁1、斜梁2、翼肋3、蒙皮4组成，前梁、斜梁和翼肋的材料为树脂基碳纤维复合材料，蒙皮为抗穿刺聚醚薄膜。

前梁与翼展方向平行，位于扑翼的前缘；斜梁在弦向方向上位于前梁后方，与翼展方向呈锐角，其位于翼梢的端点比位于翼根的端点更靠近扑翼的前缘。前梁和斜梁在翼展方向的中部分为两段，前梁内段1A中空，与折叠座5固接，前梁外段1B与折叠头6固接，折叠头和折叠座铰接，均由POM工程塑料制成。折叠头6在折叠座5内可向下旋转一定角度，角度范围由折叠座的限位决定，具体方式为：所述折叠座的限位表现为折叠头向上弯折的最大角度为折叠头上壁13与折叠座上限位边14接触，折叠头向下弯折的最大角度为折叠头下壁11与折叠座下限位边12接触。以前梁内段为基准，外段扑翼向下弯折角度为正，折叠头在折叠座内的最大旋转角度为0～60°。

斜梁内段和斜梁外段通过柔性铰链7连接，斜梁外段可相对斜梁内段向扑翼下扑方向旋转一定角度，柔性铰链是一个从动部件，前梁折叠头和折叠座的旋转通过蒙皮传递给柔性铰链，柔性铰链就进行旋转，最大旋转角度不超过主梁折叠头的最大旋转角度。

折叠头在垂直于扑翼前梁向扑翼上扑方向伸出一个摇臂，折叠头的摇臂处与软钢丝绳连接，软钢丝绳穿过前梁内段后与扑动机构机架下方固定点9A连接。

前梁内段根部与扑动机构的输出摇臂10插接，所述输出摇臂与扑动机构机架上方固定点9B铰接，能够绕固定点上下摆动，带动扑翼上下扑动。

翼肋垂直于扑翼前梁，与前梁和斜梁通过凯夫拉纤维捆绑固定共同构成扑翼的骨架，蒙皮用聚氨酯粘合剂粘贴于骨架上。

扑翼下扑的全过程由折叠头和折叠座的相互限位作用保持平直。在上扑的前半程扑翼外段由气动力作用及软钢丝绳的松弛向下弯折一定角度，在后半程软钢丝绳逐渐张紧拉动折叠头向上旋转，折叠头带动外段扑翼逐渐展平，在内段扑翼扑动到最高点时正好展平。所述折叠头在扑翼上扑过程中开始旋转的时机由软钢丝绳在前梁内段的穿入位置、软钢丝绳在前梁内段的穿出位置、软钢丝绳在机架的连接位置、折叠头摇臂的长度决定，在制作过程中可通过静态位置试装确定。

半主动式微型扑翼折叠扑翼能够用于微型扑翼飞行器，左右对称的一对折叠扑翼安装于微型扑翼飞行器扑翼驱动机构，由扑翼驱动机构带动进行上下扑动，为扑翼飞行器提供飞行所需气动力。

Claims (3)

1.一种微型半主动折叠扑翼，包括前梁、斜梁、翼肋和蒙皮，其特征在于：前梁与翼展方向平行，位于扑翼的前缘；斜梁在弦向方向上位于前梁后方，与翼展方向呈锐角，其位于翼梢的端点比位于翼根的端点更靠近扑翼的前缘；前梁和斜梁在翼展方向的中部分为两段，前梁内段中空，一端与折叠座固接，前梁外段一端与折叠头固接；折叠头和折叠座铰接，折叠头在折叠座内可向扑翼下扑方向旋转，以前梁内段为参考，以前梁内段与前梁外段共线为基准位置，外段扑翼向扑翼下扑方向旋转角度为正，折叠头在折叠座内的最大旋转角度为0～60°；斜梁内段和斜梁外段通过柔性铰链连接，斜梁外段可相对斜梁内段向扑翼下扑方向旋转，最大旋转角度不超过主梁折叠头的最大旋转角度；折叠头在垂直于扑翼前梁向扑翼上扑方向伸出一个摇臂，在摇臂处与软钢丝绳连接，软钢丝绳穿过中空的前梁内段后与扑动机构机架下方固定点连接；所述扑动机构机架安装于扑翼飞行器机身上；前梁内段根部与扑动机构的输出摇臂插接，所述摇臂铰接于扑动机构机架上方固定点，能绕固定点上下摆动，带动扑翼上下扑动。

2.根据权利要求1所述的微型半主动折叠扑翼，其特征在于：所述的折叠头在折叠座内可向扑翼下扑方向旋转的角度范围由折叠座的限位决定，具体方式为：所述折叠座的限位作用是折叠头向扑翼上扑方向旋转的最大角度为折叠头上壁与折叠座上限位边接触，折叠头向扑翼下扑方向旋转的最大角度为折叠头下壁与折叠座下限位边接触。

3.根据权利要求1所述的微型半主动折叠扑翼，其特征在于：所述的前梁、斜梁和翼肋的材料为树脂基碳纤维复合材料。

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