CN102501971B - 一种具有水平前翼和垂直前翼的微型扑翼飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有水平前翼和垂直前翼的微型扑翼飞行器，包括机身、扑翼、扑翼驱动机构、扑翼支撑杆、水平前翼和垂直前翼。扑翼驱动机构和扑翼支撑杆连接一对扑翼上下扑动产生升力和推力，采用位于扑翼前方的水平前翼和垂直前翼，使满足静稳定性要求的重心位置位于扑翼和水平前翼之间，机载设备布置能够兼顾利用机身空间和满足飞行要求。同时，水平前翼具有正的安装角，在配平飞行时产生升力，提高全机气动效率。垂直前翼能够提供适合扑翼飞行方式的横航向操纵。本发明适合用作微型扑翼无人飞行器系统的平台。

Description

一种具有水平前翼和垂直前翼的微型扑翼飞行器

技术领域

本发明涉及扑翼飞行器，尤其是一种微型扑翼飞行器。

背景技术

1992年，美国首次提出微型飞行器的概念，由于其尺寸小、重量轻、效率高、用途广泛而迅速成为了研究热点。微型飞行器主要有微型固定翼飞行器、微型旋翼飞行器和微型扑翼飞行器三大类，空气动力学相关研究表明，在微型飞行器的雷诺数范围内，扑翼飞行器比其他两类飞行器具有更高的气动效率，以微型扑翼飞行器为平台的无人机系统已经成为未来微型无人飞行器发展的主要方向。围绕这一课题，各国已研制出可控飞行的扑翼飞行器，最近公开的具有代表性的是荷兰Delft大学的“Delfly III”和美国Aero Environment公司的“Hummingbird”，这些飞行器的飞行性能与之前相比有了较大提高，但仍然没有成为具备完善系统功能的微型扑翼无人机系统。

综合来看，由于微型扑翼飞行器载荷能力相对较差、内部空间有限，导致难以安装无人机系统所必须的飞控/导航系统、数据链以及任务载荷等机载设备，这个矛盾是微型扑翼无人机平台设计的核心问题之一。另一方面，目前的微型扑翼飞行器大多采用常规布局，即扑翼位于尾翼之前，重心位于扑翼和尾翼之间的布局形式。这种布局的不足有两个方面：一是微型扑翼飞行器全机焦点位置比较靠前，通常位于扑翼的四分之一至四分之三弦长位置，为了满足静稳定性要求，全机重心位置需要相应地向前调整，难以充分利用机身空间安装机载设备；而是为了满足配平飞行要求，水平尾翼通常产生负的升力，影响了气动效率，降低了微型扑翼飞行器的载荷能力。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种具有水平前翼和垂直前翼的微型扑翼飞行器，通过改变飞行器布局，提高微型扑翼飞行器的气动效率，充分利用微型飞行器的机身空间安装机载设备。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括机身、扑翼、扑翼驱动机构、扑翼支撑杆、水平前翼和垂直前翼。

所述机身为左右对称的平板，扑翼驱动机构安装于机身，能通过齿轮减速器和四连杆机构将电机的旋转运动变为四连杆一对左右对称摇臂的上下摆动。扑翼支撑杆位于扑翼驱动机构的后方，垂直于机身对称平面，向左右两侧对称的伸出。所述扑翼为左右对称的一对，包括位于前缘的前梁和位于后方的辅助梁，它们与若干翼肋共同构成扑翼框架，框架上粘贴薄膜蒙皮。扑翼前梁与扑翼驱动机构摇臂上的盲孔插接，扑翼辅助梁与扑翼支撑杆外端枢接。这种连接方式使扑翼能在扑翼驱动机构摇臂的带动下进行上下扑动产生升力和推力。

所述水平前翼安装于机身上，位于扑翼前方，左右对称，分为前后两部分，前部为固定的水平安定面，后部为升降舵，可绕水平安定面和升降舵的连接线转动。水平安定面具有正的安装角，使得全机迎角一定时，水平前翼产生的升力增加，在无需增加水平前翼与扑翼距离的前提下就能有效的配平飞行器。又因为水平前翼和扑翼的距离是限制机身长度的主要因素，因此水平前翼采用正安装角能够减小机身长度，从而减小微型扑翼飞行器的尺寸。升降舵能由舵机驱动上下偏转，提供飞行中的俯仰操纵力矩。

所述垂直前翼安装于机身上，位于扑翼前方，其参考翼面位于机身对称平面内，分为前后两部分，前部为固定的垂直安定面，后部为方向舵，可在舵机的驱动下绕垂直安定面和方向舵的连接线转动，提供横航向控制力矩。由于扑翼扑动的作用会在扑动区域内形成涡流，如果垂直安定面和方向舵按照传统垂直尾翼的形式安装，则会完全置于扑翼涡流内，丧失操纵效能。又由于扑翼扑动作用导致扑翼飞行器横向阻尼相对较大，距离滚转轴线较近的升降舵无法通过左右差动提供足够的滚转操纵力矩。综上所述，本发明技术方案提出的垂直前翼布置方案是对此种布局扑翼飞行器进行有效横航向操纵的必要手段。

所述扑翼和水平前翼之间的机身可用于安装数据链、飞控/导航系统等机载设备。

本发明的有益效果是：由于上述布置方案，满足静稳定性要求的重心位置处在水平前翼与扑翼之间，这段空间是机身主体部分所在位置，也就是数据链、飞控/导航系统、任务载荷等无人机系统需要的机载设备安装的位置，只需纵向的小幅度位置调整就能满足重心要求。因此，本发明提供的技术方案取得了机载设备静稳定性要求和空间位置要求的统一，实现了机身空间的充分利用。

本发明的技术方案采用了位于扑翼前方的水平前翼，并采用了正的安装角，配平飞行状态下水平前翼产生正的升力，使全机升力大于扑翼产生的升力，提高了微型扑翼飞行器的气动效率。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图说明

图1为本发明轴测图；

图2为本发明俯视图；

图3为本发明侧视图；

图4为本发明安装机载设备示意图。

图中，1-机身，2-扑翼，3-扑翼驱动机构，4-扑翼支撑杆，5A-水平安定面，5B-升降舵，6A-垂直安定面，6B-方向舵，7A-1号舵机，7B-2号舵机，8-电池，9-飞控/导航系统。

具体实施方式

本发明是一种包括机身1、扑翼2、扑翼驱动机构3、扑翼支撑杆4、水平前翼和垂直前翼的微型扑翼飞行器。

如图1～3所示，所述机身1为左右对称的平板，其形状为上边平直，下边为前窄后宽的弧线，由轻木板表面包覆玻璃钢复合材料制成，轻木板上开有减轻孔。扑翼驱动机构3通过其机架上方平行于扑翼弦线方向的安装孔和机架底部垂直于扑翼弦线方向的安装孔用螺钉安装于机身，使用两级平行齿轮减速器和四连杆机构将微型外转子无刷电机的旋转运动变为四连杆一对左右对称摇臂的上下摆动，摇臂中心开有盲孔，用于连接扑翼。扑翼支撑杆4为树脂基碳纤维复合材料杆，位于扑翼驱动机构的后方，垂直于机身对称平面穿过机身，与机身胶接，向左右两侧对称的伸出一定距离，外端开有沿扑翼弦线方向的孔，用于连接扑翼3。所述扑翼3为左右对称的一对，包括位于前缘的前梁和位于后方的辅助梁，它们与5根翼肋胶接共同构成扑翼框架，框架均为树脂基碳纤维复合材料，框架上粘贴聚氨酯薄膜蒙皮。扑翼前梁与扑翼驱动机构摇臂上的盲孔插接，扑翼辅助梁上固定带弯折的金属丝，金属丝穿过扑翼支撑杆外端的孔，完成辅助梁与扑翼支撑杆的枢接。

所述水平前翼安装于机身上边，与机身胶接，位于扑翼前方，其前缘与扑翼前缘的距离为扑翼弦长的2倍，此距离加上扑翼弦长即为机身长度。水平前翼展弦比为6，根梢比为0.5，翼面积与扑翼几何翼面积之比为1∶3，前缘后掠角8°。水平前翼左右对称，分为前后两部分，前部为固定的水平安定面5A，后部为升降舵5B，升降舵5B占根弦长的40％，升降舵5B与水平安定面5A用纤维胶带粘接，可绕水平安定面5A和升降舵5B的连接线转动。升降舵5A与机身交叉的部分向内凹，而机身的对应部分有半月形开口，这种设置的目的是升降舵上下转动时不与机身发生运动干涉。水平安定面安装角为5°。水平前翼的后部机身上装有1号舵机7A，通过连杆带动升降舵上下偏转提供俯仰操纵力矩。

所述垂直前翼安装于机身上，位于扑翼前方，其参考翼面位于机身对称平面内，垂直前翼与水平前翼的面积比为1∶2，垂直前翼展弦比为3，跟梢比为0.8，前缘后掠角为8°。分为前后两部分，前部为固定的垂直安定面6A，后部为方向舵6B，方向舵占根弦长的50％，方向舵6B与垂直安定面6A用纤维胶带粘接。方向舵6B可在垂直前翼后方机身上安装的2号舵机7B的驱动下绕垂直安定面和方向舵的连接线转动，提供横航向控制力矩。

如图4所示，本发明要求飞行器的重心位于扑翼前缘与水平前翼后缘之间的位置，为了安装机载设备并配平重心，可将飞控/导航系统9和其他机载设备用海绵胶带固定于扑翼前缘和水平尾翼后缘之间的机身上，而将电池8用海绵胶带固定于扑翼下方的机身上。

Claims (1)

1.一种具有水平前翼和垂直前翼的微型扑翼飞行器，包括机身、扑翼、扑翼驱动机构、扑翼支撑杆、水平前翼和垂直前翼，其特征在于：所述机身为左右对称的平板，扑翼驱动机构安装于机身，通过齿轮减速器和四连杆机构将电机的旋转运动变为四连杆一对左右对称摇臂的上下摆动；扑翼支撑杆位于扑翼驱动机构的后方，垂直于机身对称平面，向左右两侧对称的伸出；所述扑翼为左右对称的一对，包括位于前缘的前梁和位于后方的辅助梁，它们与若干翼肋共同构成扑翼框架，框架上粘贴薄膜蒙皮；扑翼前梁与扑翼驱动机构摇臂上的盲孔插接，扑翼辅助梁与扑翼支撑杆外端枢接；所述水平前翼安装于机身上，位于扑翼前方，左右对称，分为前后两部分，前部为固定的水平安定面，后部为升降舵，可绕水平安定面和升降舵的连接线转动；所述垂直前翼安装于机身上，位于扑翼前方，其参考翼面位于机身对称平面内，分为前后两部分，前部为固定的垂直安定面，后部为方向舵，可在舵机的驱动下绕垂直安定面和方向舵的连接线转动；所述水平前翼的水平安定面具有正的安装角；所述扑翼和水平前翼之间的机身用于安装机载设备。

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