CN103991549B - 一种高强度旋转扑翼飞行器 - Google Patents
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Abstract
一种高强度旋转扑翼飞行器，属飞行器技术领域。它由机身、起落架、能源系统、操控系统、左旋转扑翼、右旋转扑翼、尾部螺旋桨和反扭力平衡杆组成。能源系统包括主电机、锂电池、减速齿轮组及调速装置；操控系统包括无线电遥控器、接收器和舵机；尾部螺旋桨起仰俯及转弯飞行姿态控制作用；左旋转扑翼和右旋转扑翼结构相同。左旋转扑翼由左近转臂、左近转臂轴、左翼轴、左翼片、左远转臂、左远转臂轴、左导向杆和左导向器组成；右旋转扑翼由右近转臂、右近转臂轴、右翼轴、右翼片、右远转臂、右远转臂轴、右导向杆和右导向器组成。该飞行器可垂直升降和悬停。带上拍摄设备可用于航拍、地理测量、交通执勤、军事侦查和抢险救灾等多种任务。
Description
技术领域
一种高强度旋转扑翼飞行器，属飞行器技术领域，特别是涉及一种扑翼飞行器。
背景技术
传统扑翼飞行器采用的升力装置是传统的扑翼机构，由曲轴连杆驱动，扑翼作上下扑动产生推力，效率较低，对扑翼的疲劳强度要求较高，扑翼采用柔性的，较难产生很大的推力，且很难垂直升降和空中悬停。
发明内容
为了克服上述传统飞行器的不足，本发明提供了一种高强度旋转扑翼飞行器，扑翼作旋转运动，能垂直升降和悬停。
本发明采用的技术方案是：一种高强度旋转扑翼飞行器由机身、起落架、能源系统、操控系统、左旋转扑翼、右旋转扑翼、尾部螺旋桨和反扭力平衡杆组成。机身为框架结构，采用碳纤维复合材料制成；能源系统包括主电机、方便充电的锂电池、减速齿轮组及调速装置；操控系统包括无线电遥控器、接收器和舵机；尾部螺旋桨安装在机身尾部，由桨叶和小电机组成，桨叶旋转平面与水平面的夹角受操控系统的操控，桨叶旋转平面向左倾斜的最大角度为45°，桨叶旋转平面向右倾斜的最大角度也为45°，尾部螺旋桨起仰俯及转弯飞行姿态控制作用；左旋转扑翼和右旋转扑翼结构相同，它们分别对称布置于机身的左右两侧在主电机的驱动下提供推力。该飞行器可垂直升降和悬停。
左旋转扑翼由左近转臂、左近转臂轴、左翼轴、左翼片、左远转臂、左远转臂轴、左导向杆和左导向器组成；右旋转扑翼由右近转臂、右近转臂轴、右翼轴、右翼片、右远转臂、右远转臂轴、右导向杆和右导向器组成；左近转臂轴和右近转臂轴同轴地固连在一起，由一个主电机作主动力，通过减速齿轮组传递给左近转臂轴和右近转臂轴，同时驱动左旋转扑翼和右旋转扑翼。
左旋转扑翼的具体结构是：左近转臂轴的一端通过轴承与机身相连，左近转臂的一端与左近转臂轴的另一端垂直固连，左近转臂的另一端与左翼轴的一端垂直固连，左翼轴穿过左翼片，左翼轴的另一端与左远转臂的一端垂直固连，左远转臂的另一端与左远转臂轴的一端垂直固连，左远转臂轴的另一端通过轴承与机身相连；左近转臂与左远转臂等长，左近转臂轴与左远转臂轴同轴；左近转臂轴、左近转臂、左翼轴、左远转臂和左远转臂轴处于同一平面内组成一个长的曲轴；左翼轴通过轴承与左翼片相连于接近左翼片的前缘处，左翼轴与左翼片的前缘平行，左翼片能绕左翼轴灵活转动；左翼片呈矩形，是刚性的，由碳纤维复合材料制成；左导向杆的一端与左翼片固连于左翼片翼展方向的中部后缘处，左导向杆在该处的弦线向后的延长线上且与左翼轴垂直，左导向杆的另一端穿过左导向器；左导向器由左直线轴承穿过左关节轴承组合而成，左导向器通过其左关节轴承与机身相连；左导向杆插入左导向器的左直线轴承内，左导向杆能在左直线轴承内灵活作往复直线运动，并随着左直线轴承一起能绕左导向器的左关节轴承中心转摆；左导向杆的长度足够确保一端始终在左导向器内而不脱落。
左旋转扑翼的工作原理是：主电机的动力经减速后传递给左近转臂轴，左近转臂轴转动带动左近转臂旋转，左近转臂带动左翼轴旋转，在左翼轴的牵引下左翼片旋转扑动，由于左导向杆和左导向器的控制，左翼片旋转时其攻角在一个工作周期即旋转一圈内发生有规律的变化，符合高升力机制，有利于产生推力。为了较高的扑动效率和左翼片能灵活扑动，左导向器到左近转臂轴和左远转臂轴的连线之间的距离稍大于左近转臂长度与左翼片的弦长之和。在一个周期内，左翼片下扑产生的效果远大于上扑，产生推力的效率较高。推力的大小是通过改变左翼片的转速来实现，转速越快推力越大。
右旋转扑翼的具体结构与左旋转扑翼的具体结构相同，它们对称布置于机体的纵向竖直对称面的左右两侧。右旋转扑翼的工作原理与左旋转扑翼的工作原理也相同。由于左翼片和右翼片都作圆周转动，对材料的疲劳强度要求不高。
附图说明
图1是本发明一种高强度旋转扑翼飞行器的主视示意图；图2是图1的左视图。
图中：1-机身；2-起落架；3-能源系统；4-操控系统；5-左旋转扑翼；51-左近转臂轴；511-左远转臂轴；52-左近转臂；521-左远转臂；53-左翼片；54-左翼轴；55-左导向杆；56-左导向器；561-左直线轴承；562-左关节轴承；6-右旋转扑翼；7-尾部螺旋桨；8-反扭力平衡杆。图2中大的带箭头的虚线圆表示左翼轴54的旋转轨迹和转动方向。
具体实施方式
现结合附图1和附图2举例对本发明加以说明：一种高强度旋转扑翼飞行器由机身1、起落架2、能源系统3、操控系统4、左旋转扑翼5、右旋转扑翼6、尾部螺旋桨7和反扭力平衡杆8组成。机身1为框架结构，采用碳纤维复合材料；能源系统3包括主电机、方便充电的锂电池、减速齿轮组及调速装置；操控系统4包括无线电遥控器、接收器和舵机；尾部螺旋桨7安装在机身尾部，由桨叶和小电机组成，桨叶旋转平面与水平面的夹角受操控系统4的操控，桨叶旋转平面向左倾斜的最大角度为45°，桨叶旋转平面向右倾斜的最大角度也为45°，尾部螺旋桨7起仰俯及转弯飞行姿态控制作用；左旋转扑翼5和右旋转扑翼6结构相同，它们分别对称布置于机身1的左右两侧在主电机的驱动下提供推力。
左旋转扑翼5由左近转臂52、左近转臂轴51、左翼轴54、左翼片53、左远转臂521、左远转臂轴511、左导向杆55和左导向器56组成；右旋转扑翼6由右近转臂、右近转臂轴、右翼轴、右翼片、右远转臂、右远转臂轴、右导向杆和右导向器组成；左近转臂轴51和右近转臂轴同轴地固连在一起，由一个主电机作主动力，通过减速齿轮组传递给左近转臂轴51和右近转臂轴，同时驱动左旋转扑翼5和右旋转扑翼6。
左旋转扑翼5的具体结构是：左近转臂轴51的一端通过滚动轴承与机身1相连，左近转臂52的一端与左近转臂轴51的另一端垂直固连，左近转臂52的另一端与左翼轴54的一端垂直固连，左翼轴54穿过左翼片53，左翼轴54的另一端与左远转臂521的一端垂直固连，左远转臂521的另一端与左远转臂轴511的一端垂直固连，左远转臂轴511的另一端通过滚动轴承与机身1相连；左近转臂52与左远转臂521等长，左近转臂轴51与左远转臂轴511同轴；左近转臂轴51、左近转臂52、左翼轴54、左远转臂521和左远转臂轴511处于同一平面内组成一个长的曲轴；左翼轴54通过轴承与左翼片53相连于接近左翼片53的前缘处，左翼轴54与左翼片53的前缘平行，左翼片53能绕左翼轴54灵活转动；左翼片53呈矩形，是刚性的，由碳纤维复合材料制成；左导向杆55的一端与左翼片53固连于左翼片53翼展方向的中部后缘处，左导向杆55在该处的弦线向后的延长线上与左翼轴54垂直，左导向杆55的另一端穿过左导向器56；左导向器56由左直线轴承561穿过左关节轴承562组合而成，左导向器56通过其左关节轴承562与机身1相连；左导向杆55插入左导向器56的左直线轴承561内，左导向杆55能在左直线轴承561内灵活作往复直线运动，并随着左直线轴承561一起能绕左导向器56的左关节轴承562中心转摆；左导向杆55的长度足够确保一端始终在左导向器56内而不脱落。
左翼片53和右翼片是刚性的，均采用碳纤维复合材料制作，强度高重量轻。左翼片53和右翼片均呈矩形。
起落架2采用后三点式轮式结构。
左旋转扑翼5的工作原理是：主电机的动力经减速后传递给左近转臂轴51，左近转臂轴51转动带动左近转臂52旋转，左近转臂52带动左翼轴54旋转，在左翼轴54的牵引下左翼片53旋转扑动，由于左导向杆55和左导向器56的控制，左翼片53旋转时其攻角在一个工作周期即旋转一圈内发生有规律的变化，符合高升力机制，有利于产生推力。为了较高的扑动效率和左翼片53能灵活扑动，左导向器56到左近转臂轴51和左远转臂轴511的连线之间的距离稍大于左近转臂52长度与左翼片53的弦长之和。在一个周期内，左翼片53下扑产生的效果远大于上扑，产生推力的效率较高。推力的大小是通过改变左翼片53的转速来实现，转速越快推力越大。
右旋转扑翼6的具体结构与左旋转扑翼5的具体结构相同，它们对称布置于机体的纵向竖直对称面的左右两侧。右旋转扑翼6的工作原理与左旋转扑翼5的工作原理也相同。由于左翼片53和右翼片都作圆周转动，对材料的疲劳强度要求不高。
下面就该发明一种高强度旋转扑翼飞行器的飞行状态对该发明作进一步说明。
起飞：起动主电机，驱动左旋转扑翼5和右旋转扑翼6扑动，同时利用操控系统4使尾部螺旋桨7桨叶旋转平面处于左右平衡位置即既不向左倾斜也不向右倾斜，并调整尾部螺旋桨7的转速，使左旋转扑翼5、右旋转扑翼6和尾部螺旋桨7产生的合力向上，当该合力大于机体重量时，该高强度旋转扑翼飞行器垂直升空。
前飞：起飞后，加快尾部螺旋桨7的转速，使尾部抬高，同时适当提高主电机的转速，可使该飞行器向前飞行。
后飞：在空中飞行时，适当提高主电机的转速，使尾部下压，可实现向后飞行。
转弯飞行：在前飞时，将尾部螺旋桨7的桨叶旋转平面调整至向左倾斜并适当提高尾部螺旋桨7的转速，可使该飞行器向右转弯；将尾部螺旋桨7的桨叶旋转平面调整至向右倾斜并适当提高尾部螺旋桨7的转速，可使该飞行器向左转弯。
悬停：在空中飞行时，将尾部螺旋桨7的桨叶旋转平面调整至水平位置，调整好主电机和尾部螺旋桨7的转速，使得左旋转扑翼5、右旋转扑翼6和尾部螺旋桨7产生的合力垂直向上且等于机体重量，通过微调消除飞行惯性后该飞行器将处于悬停位置。
降落：将该飞行器调整至悬停位置后，慢慢降低主电机和尾部螺旋桨7的转速，该飞行器将缓缓垂直降落。
当主电机故障停转时，将左翼片53和右翼片同时固定在攻角相等且在4°~15°范围内，该飞行器可以通过滑翔的方式安全着陆。
以上说明是在没有气流干扰的工况下作出的，如果有气流干扰的存在，则应根据气流的方向和流速进行修偏。
本发明一种高强度旋转扑翼飞行器带上拍摄设备可用于航拍、地理测量、交通执勤、军事侦查和抢险救灾等多种任务。
Claims (2)
1.一种高强度旋转扑翼飞行器，由机身(1)、起落架(2)、能源系统(3)、操控系统(4)、左旋转扑翼(5)、右旋转扑翼(6)、尾部螺旋桨(7)和反扭力平衡杆(8)组成，其特征在于：机身(1)为框架结构，采用碳纤维复合材料制成；能源系统(3)包括主电机、方便充电的锂电池、减速齿轮组及调速装置；操控系统(4)包括无线电遥控器、接收器和舵机；尾部螺旋桨(7)安装在机身尾部，由桨叶和小电机组成，桨叶旋转平面与水平面的夹角受操控系统(4)的操控，桨叶旋转平面向左倾斜的最大角度为45°，桨叶旋转平面向右倾斜的最大角度也为45°，尾部螺旋桨(7)起仰俯及转弯飞行姿态控制作用；左旋转扑翼(5)和右旋转扑翼(6)结构相同，它们分别对称布置于机身(1)的左右两侧在主电机的驱动下提供推力；左旋转扑翼(5)由左近转臂(52)、左近转臂轴(51)、左翼轴(54)、左翼片(53)、左远转臂(521)、左远转臂轴(511)、左导向杆(55)和左导向器(56)组成；右旋转扑翼(6)由右近转臂、右近转臂轴、右翼轴、右翼片、右远转臂、右远转臂轴、右导向杆和右导向器组成；左近转臂轴(51)和右近转臂轴同轴地固连在一起，由一个主电机作主动力，通过减速齿轮组传递给左近转臂轴(51)和右近转臂轴，同时驱动左旋转扑翼(5)和右旋转扑翼(6)；左近转臂轴(51)的一端通过滚动轴承与机身(1)相连，左近转臂(52)的一端与左近转臂轴(51)的另一端垂直固连，左近转臂(52)的另一端与左翼轴(54)的一端垂直固连，左翼轴(54)穿过左翼片(53)，左翼轴(54)的另一端与左远转臂(521)的一端垂直固连，左远转臂(521)的另一端与左远转臂轴(511)的一端垂直固连，左远转臂轴(511)的另一端通过滚动轴承与机身(1)相连；左近转臂(52)与左远转臂(521)等长，左近转臂轴(51)与左远转臂轴(511)同轴；左近转臂轴(51)、左近转臂(52)、左翼轴(54)、左远转臂(521)和左远转臂轴(511)处于同一平面内组成一个长的曲轴；左翼轴(54)通过轴承与左翼片(53)相连，连接部位位于左翼片(53)内接近左翼片(53)的前缘处，左翼轴(54)与左翼片(53)的前缘平行，左翼片(53)能绕左翼轴(54)灵活转动；左翼片(53)呈矩形，是刚性的，由碳纤维复合材料制成；左导向杆(55)的一端与左翼片(53)固连于左翼片(53)翼展方向的中部后缘处，左导向杆(55)在该后缘处的弦线向后的延长线上且与左翼轴(54)垂直，左导向杆(55)的另一端穿过左导向器(56)；左导向器(56)由左直线轴承(561)穿过左关节轴承(562)组合而成，左导向器(56)通过其左关节轴承(561)与机身(1)相连；左导向杆(55)插入左导向器(56)的左直线轴承(561)内，左导向杆(55)能在左直线轴承(561)内灵活作往复直线运动，并随着左直线轴承(561)一起能绕左导向器(56)的左关节轴承(562)中心转摆；左导向杆(55)的长度足够确保一端始终在左导向器(56)内而不脱落；右旋转扑翼(6)的具体结构与左旋转扑翼(5)的具体结构相同，它们对称布置于机体的纵向竖直对称面的左右两侧。
2.根据权利要求1所述的一种高强度旋转扑翼飞行器，其特征在于：起落架(2)采用后三点式轮式结构。
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