CN103552687A - 一种新式扑旋翼构型及相应的微小型扑旋翼装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新式扑旋翼构型及相应的微小型扑旋翼装置，所述扑旋翼构型将两对完整的扑翼反对称布置在一段横梁的两端，利用扑翼在上下扑动过程中，柔性翼膜同时产生升力和推力，两个反方向推力形成力偶驱动横梁及扑翼作自驱旋转而不会产生反扭矩。利用此构型设计的扑旋翼装置包括扑翼、具有驱动机构及电源的装配体、连接轴及半横梁；其中，半横梁组装在一起成为横梁，横梁中部与连接轴一端固定连接，扑翼固定在装配体上，相对于连接轴的轴线反对称安装在横梁两端，本发明的扑旋翼构型具有很好的升力特性，能够显著增大飞行器有效载荷，并且满足同时具备悬停和平飞能力的要求，有效扩展了微小型飞行器的应用范围。

Description

一种新式扑旋翼构型及相应的微小型扑旋翼装置

技术领域

本发明属于微小型飞行器设计及制造技术领域，更具体地说是涉及扑翼与旋翼相结合的微小型扑旋翼装置设计方法及制造技术。

背景技术

微型飞行器是20世纪90年代中期源于军事目的而发展起来的一种新型飞行器。1992年，美国兰德公司提交美国DARPA（Defense Advanced Research Project Agency，国防高级研究计划署）的一份关于未来军事技术的研究报告首次提出了微型飞行器的概念。与常规无人飞行器相比，微小型飞行器具有体积小、重量轻、成本低的飞行平台优势，操纵方便、机动灵活、噪音小、隐蔽性好，无论是在军事领域还是在民用领域，都有十分广阔的应用前景，因而引起了世界各国的广泛关注。

微小型飞行器按飞行特点可分为三类：固定翼、旋翼和扑翼。

微小型固定翼飞行器的特点是结构简单、固定翼技术积累比较成熟，目前研究得较好的微小型固定翼飞行器有Sanders公司研制的“Micro Star”，AeroVironment公司研制的“BlackWidow”以及美国海军研究实验室开发的“MITE”等，但是由于这类飞行器需要一定的飞行速度产生升力才能停留在空中，并且由于尺寸的限制导致最小平飞速度较大，难以实现悬停，限制了微小型固定翼飞行器的应用范围。

微小型旋翼飞行器的特点是能够垂直起降和悬停，这一特点在很大程度上扩展了此种飞行器在军事和民用领域内的应用，比较成功的有Lutronix与Auburn大学合作研制的“Kolibri”、日本东京大学利用MEMS(Micro-Electro-Mechanic System，微机电系统)技术研制的一种翼展仅为4毫米的旋翼飞行装置以及上海交通大学研制的双螺旋桨微型飞行器。然而，由于旋翼系统的结构复杂，当整体尺寸减小时这一缺点更加明显，而且在尺寸较小时，旋翼飞行器的气动效率非常低，飞行稳定性和抗干扰性能较差，使得微小型旋翼飞行器的制造及应用受到了较大影响。

微小型扑翼飞行器是采用仿鸟或昆虫等自然界的飞行生物产生气动力的原理而形成的一种仿生飞行器，它的特点在于可以利用较好的仿生效果通过尾迹气流捕获等升力机制得到较高升力，节省能量，并且在小尺寸情况下的气动效率比固定翼及旋翼飞行器要高，目前研究得较为成熟的有加州理工学院、AeroVironment公司及加州大学共同研制的“MicroBat”，美国佐治亚理工大学研制的仿昆虫微型飞行器“Entomopter”，AeroVironment公司研制的超级蜂鸟以及中国西北工业大学研制的“信鸽”等。但是由于目前的仿生以及MEMS技术发展得还不能达到理想的仿生效果，因此现有的微小型扑翼飞行器尽管可以很好地实现飞行（如AeroVironment公司研制的超级蜂鸟），但有效载荷很低，或者为了达到提升有效载荷的目的不得不采取较大尺寸的构型，比如德国Festo公司研制的“SmartBird”的翼展达到了1.2米，重量达到500克，这些缺点使得微小型扑翼飞行器在需要较大有效载荷的应用方面受到了很大制约，因此，为了使微小型扑翼飞行器在实际中得到更加广泛地应用，解决微小型飞行器尺寸与有效载荷之间要求的矛盾是非常必要的。

目前，在现有技术条件下，能够实现悬停并且具有较大有效载荷是微小型飞行器的发展方向，而根据国内外研究结果，微小型飞行器的技术难点主要有低雷诺数下的升阻比剧烈下降和升力曲线非线性变化，动力和能源密度偏低，有效飞行控制难度大，飞行稳定性差等。而根据三种微小型飞行器的特点，可以发现三种形式均存在各自的技术缺点，难以解决对飞行器尺寸和有效载荷要求之间的矛盾。

近些年国内外研究人员提出了扑旋翼飞行器的概念，这是一种结合扑翼和旋翼的技术，利用扑翼的柔性变形，拍动时同时产生升力和推力，反对称推力形成力偶，带动扑翼做自驱旋转，这样就不需要额外的装置（如单旋翼飞行器中的尾桨等）来平衡扭矩，而通过旋转产生的周向运动速度又能增加升力，从而达到整体增升的目的。但是目前的扑旋翼结构在靠近旋转轴的部分气动效率很低，实验结果表明，这样的装置目前不能产生足够的升力，升力与结构重量之比很低，未达到可以正常起飞的能力。

发明内容

本发明的目的在于克服目前的扑旋翼结构在靠近旋转轴的部分气动效率低的缺点，解决现有技术条件下对微小型飞行器的尺寸和有效载荷要求的矛盾，满足微小型飞行器同时具备悬停和平飞的能力。提出了一种新式扑旋翼构型并进行相应的微小型扑旋翼装置设计，这一构型具体解释为：两对完整的扑翼反对称布置在一段横梁的两端，横梁中心固定的连接轴垂直于横梁。预先将两对扑翼设定合适的初始迎角，扑翼在上下扑动过程中，由于柔性翼膜的作用能够同时产生升力和推力，两对扑翼产生相同方向的升力，两个反方向推力形成力偶驱动横梁及扑翼作自驱旋转，且不会产生反扭矩，扑翼的旋转周向速度可以增大扑翼本身产生的升力，旋转过程中两对扑翼的完整性可以促进尾迹的有利干扰和相互利用，进一步获得升力提升，从而在整体上达到较大升力的目的。

利用这一新式扑旋翼构型设计的微小型扑旋翼装置可以通过以下技术方案实现。本发明的微小型扑旋翼装置，包括扑翼、具有驱动机构及电源的装配体、连接轴、半横梁。

其中，两对完整的扑翼分别与两套具有驱动机构及电源的装配体装配成为整体，并能够进行单独控制实现扑动；将两段相同的半横梁组装在一起成为横梁，并将两个装配体分别安装在横梁的两端；调整好安装的相对角度，使得扑翼拍动时具有一个合适的初始迎角；调整好横梁与扑翼固定位置的上下位置，避免扑翼拍动时与横梁产生位置干扰，并且横梁的长度应保证内侧两片扑翼在扑动过程中不会相互撞击；通过每个半横梁上的半圆孔组装后形成的横梁中间圆孔，将连接轴一端与横梁中间圆孔固接在一起。将此扑旋翼装置从空中释放后，立即接通电源使扑翼扑动，两对反对称安装的扑翼产生的力偶能够实现绕连接轴自驱旋转。

本发明的微小型扑旋翼装置产生升力的原理是采用双扑翼共同提供升力，扑翼旋转是自驱旋转，在理论上不产生反扭。由于本发明的微小型飞行器构型保留了扑翼的完整性，将会产生足够大的对称升力和反对称推力，反对称推力形成力偶驱动扑翼旋转。通过调整半横梁长度及半横梁与扑翼的相对安装角度，可以使得在不发生运动干涉的情况下，扑翼具有一个合适的初始迎角，同时两对扑翼有良好的飞行条件，达到最优的增升效果。

本发明的微小型扑旋翼构型能够产生较大升力的详细解释为：首先，实验表明，完整的扑翼产生的升力和推力与其安装的初始迎角以及前飞速度密切相关，通过调整初始迎角可以获得最优的升力推力比，使得两对扑翼产生的推力形成的力偶能够提供合适的周向旋转速度，此时两对扑翼产生的升力的合力、扑翼旋转提供的增升作用的总体效果达到最优状态，升力最大；其次，由于悬停时自驱旋转为周期性运动，这样一对扑翼相当于处在另一对扑翼产生的尾流场中。

本发明的有益效果有：

(1)本发明的扑旋翼构型保留了扑翼的完整性，能够产生较大升力，可以增加微小型飞行器载荷；

(2)本发明的扑旋翼构型提供一种自驱旋转，不需要多余的装置平衡扭矩，有利于精简结构，减轻结构重量并减少能量消耗；

(3)本发明的微小型扑旋翼装置能够实现垂直起降、悬停，通过适当的控制能够实现平飞，扩展了微小型飞行器的应用范围。

附图说明

图1是本发明的微小型扑旋翼装置的轴测图；

图2是本发明的微小型扑旋翼装置的半横梁的轴测图；

图3是本发明的微小型扑旋翼装置的扑翼的俯视图。

图中：

1-扑翼；     2-装配体；   3-连接轴；       4-半横梁；

1a-前缘；    1b-翼弦；    1c-后缘点；      1d-后缘；

4a-连接段；  4b-过渡段；  4c-半横梁中段；  4d-半圆孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的新式扑旋翼构型作详细说明。

本发明的微小型扑旋翼装置，包括扑翼1、装配体2、连接轴3和半横梁4。如图1所示，两个半横梁4通过半横梁中段4c粘接在一起形成横梁，所述横梁的两端分别固定一个包含驱动机构及电源的装配体2，在所述两个装配体2上分别安装有一对扑翼1，两对扑翼1相对于连接轴3轴线反对称安装在所述装配体2上，所述横梁轴线垂直于连接轴3的轴线。所述连接轴3一端与横梁中部圆孔固接，另一端为自由端。

如图3所示，所述扑翼1后缘1d呈抛物线形状，且弦长最大处后缘点1c为抛物线顶点，该顶点固定连接在装配体2上。所述扑翼前缘1a为直线形状，翼弦1b通过后缘点1c并垂直于前缘1a。

两对完整的扑翼1反对称布置在一段横梁的两端，预先将两对扑翼1设定合适的初始迎角，扑翼1在上下扑动过程中，由于柔性翼膜的作用能够同时产生升力和推力，两对扑翼产生相同方向的升力，两个反方向推力形成力偶驱动横梁及扑翼1作自驱旋转，且不会产生反扭矩，扑翼1的旋转周向速度可以增大扑翼1本身产生的升力，旋转过程中两对扑翼1的完整性可以促进尾迹的有利干扰和相互利用，进一步获得升力提升，从而在整体上达到较大升力。

本发明的微小型扑旋翼装置的制作步骤是：

第一步，制作扑翼1。选用合适的柔性材料作为扑翼1的翼面材料，如图3所示，采用前缘骨架和后缘点1c固定的方式将翼面前缘1a粘接在前缘骨架上，四片扑翼1的翼面形状相同，制作后的扑翼1的前缘骨架1a应向翼弦1b外伸出适当长度，以能够与驱动机构及电源2组装在一起实现扑动；

第二步，制作装配体2。将电动机、电源、导线、减速装置以及传动机构装配在一个长方壳体结构内成为一套装配体2，并将装配体2内的传动机构与扑翼1的前缘骨架1a相连，扑翼1后缘1d通过后缘点1c粘接固定于装配体2上，当电源接通时，电动机能够通过减速装置、传动机构带动扑翼1前缘骨架上下周期运动，这样就实现了扑翼1的扑动；

第三步，制作半横梁4和连接轴3。如图2，半横梁4包括连接段4a、过渡段4b、半横梁中段4c和半圆孔4d。其中，连接段4a端部用于安装扑翼1和装配体2，半横梁中段4c端部设置有半圆孔4d，两个办横梁4上的两个半圆孔4d组装成圆孔与连接轴3配合，起到定位作用，过渡段4b是半横梁中段4c和连接段4a的过渡结构；半横梁4具有足够的刚度防止飞行过程中扭转过大，且其截面尺寸要远小于扑翼1的弦长，以避免对流场产生较大的干扰；连接轴3为圆柱形，其外圆面直径与两个半圆孔4d组装成的圆孔的直径相同，并且连接轴3端部固定在所述圆孔内。

第四步，装配，调整试飞。将扑翼1、装配体2与连接段4a端部装配在一起成为一个整体，扑翼1的前缘骨架扑动平面平行于半横梁4轴线，调整好安装的相对角度，使得扑翼1拍动时具有一个合适的初始迎角；调整好连接段4a的上下位置，避免扑翼1拍动时与半横梁4产生位置干扰。将两个半横梁4的半横梁中段4c粘接在一起，此时两个半圆孔4d组成一个圆孔并与连接轴3的一端粘接固定在一起，两对扑翼1关于连接轴3的轴线反对称，至此设计的微小型扑旋翼装置已装配完毕。将该微小型扑旋翼装置从空中释放后立即通电试飞，可以根据实际飞行效果调整扑翼1安装角度。

实施例：

本例中给出一组本发明微小型扑旋翼装置设计步骤中的各参数尺寸，结合以上关于本发明的微小型扑旋翼装置的制作步骤：

第一步，扑翼翼面材料为聚氯乙烯薄膜，前缘骨架为直径为1mm的碳纤维骨架，单片扑翼展长为135mm，翼弦1b弦长为90mm，扑翼后缘1d呈抛物线形状，且后缘点1c为抛物线顶点，作为单点固接点；

第二步，采用微小型电动机，电源为锂电池；

第三步，半横梁材料为碳纤维，半横梁中段4c长度为45mm，过渡段4b长度为60mm，连接段4a为长度150mm、截面直径为3mm的圆柱形结构，半圆孔4d直径为4mm；连接轴3长度为40mm，直径为4mm。

第四步，扑翼1的翼弦1b与连接轴3轴线的垂面之间的夹角为40°，即扑翼1的初始迎角为40°。

本实施例经过实验测试，在空中悬停飞行23秒，达到了预期的飞行效果。

Claims (10)

1.一种新式扑旋翼构型，其特征在于：两对完整的扑翼反对称布置在一段横梁的两端，预先将两对扑翼设定初始迎角，扑翼在上下扑动过程中，由于扑翼的柔性翼膜的作用能够同时产生升力和推力，两对扑翼产生相同方向的升力，两个反方向推力形成力偶驱动横梁及扑翼作自驱旋转。

2.根据权利要求1所述的一种新式扑旋翼构型，其特征在于：所述的扑翼后缘呈抛物线形状，且弦长最大处后缘点为抛物线顶点，扑翼前缘为直线形状，翼弦通过后缘点并垂直于前缘，柔性翼膜采用前缘骨架和后缘单点固定方式安装。

3.根据权利要求2所述的一种新式扑旋翼构型，其特征在于：扑翼的前缘骨架向翼弦外伸出，伸出长度以能够与装配体组装在一起实现扑动。

4.根据权利要求1所述的一种新式扑旋翼构型，其特征在于：所述的初始迎角设置为40度。

5.一种微小型扑旋翼装置，其特征在于：采用权利要求1中所述的扑旋翼构型，所述微小型扑旋翼装置包括两对扑翼、两个具有驱动机构及电源的装配体、一个连接轴和两个半横梁；其中，两个半横梁组装在一起成为横梁，连接轴一端与横梁中部圆孔固接，扑翼固定在所述装配体上，由装配体内驱动机构及电源控制，装配体安装在横梁的两端，装配体上的扑翼相对于连接轴轴线反对称。

6.根据权利要求5所述的一种微小型扑旋翼装置，其特征在于：所述的半横梁包括连接段、过渡段、半横梁中段和半圆孔；其中，连接段端部用于安装装配体，半横梁中段布置半圆孔，半圆孔与连接轴配合，起到定位作用，过渡段是半横梁中段和连接段的过渡结构。

7.根据权利要求6所述的一种微小型扑旋翼装置，其特征在于：所述的半横梁截面尺寸远小于扑翼的弦长；半横梁的长度应该满足两对扑翼扑动时内侧两片扑翼不会出现撞击的要求。

8.根据权利要求5所述的一种微小型扑旋翼装置，其特征在于：扑翼的前缘骨架扑动平面平行于半横梁轴线。

9.根据权利要求5所述的一种微小型扑旋翼装置，其特征在于：装配体内布置有驱动机构及电源，驱动机构包括电动机、减速装置以及传动机构，传动机构与扑翼的前缘骨架相连以驱动扑翼扑动；扑翼后缘点固定在装配体壳体上。

10.根据权利要求5所述的一种微小型扑旋翼装置，其特征在于：所述的柔性翼膜采用聚氯乙烯薄膜材料，扑翼前缘骨架、横梁的材料均为碳纤维。

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