CN104260886A - 一种微型扑翼飞行器的仿羽毛开裂增升机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微型扑翼飞行器的仿羽毛开裂增升机构，包括机体架、翼后端件、次级飞羽贰、次级飞羽壹、初级飞羽贰、初级飞羽壹、四片羽柔性铰链、一片翼柔性铰链和翼前端件；扑翼飞行器的所有零件相对机体架呈左右轴对称布置，机体架两侧上分别安装有翼前端件，翼前端件在扑翼驱动装置的牵拉下能够绕机体架作上下扑动，翼前端件通过翼柔性铰链连接翼后端件，次级飞羽贰、次级飞羽壹、初级飞羽贰、初级飞羽壹分别通过四个羽柔性铰链连接翼后端件，本发明上扑段和下扑段的总升力之和将高于传统不开裂的扑翼机，具有气动效率高、结构简单、可靠性强等优点。

Description

一种微型扑翼飞行器的仿羽毛开裂增升机构

技术领域

本发明属于微型扑翼飞行器技术领域，具体涉及一种高效的微型扑翼飞行器的仿羽毛开裂增升机构。

背景技术

微型扑翼飞行器是一种仿生飞行器，在理论上超出了传统的飞机设计和气动力的研究范畴。与传统的固定翼和旋翼微型飞行器相比，微型扑翼飞行器的主要特点是能同时产生升力和推力，而且还具有高效率、高机动性、低噪音、无须专用起飞着陆场地等特点。大自然中，所有能飞的生物几乎无一例外地都采用扑翼飞行方式。因此，迄今各国对于微型飞行器的研究都逐渐集中在微型扑翼飞行器上。

从扑翼本身来看，飞行生物分为羽毛翼的鸟和薄膜翼的昆虫，蝙蝠和翼龙是两种特例，也具有薄膜翼，结构上类似于昆虫。

关于鸟翼的飞行机理，目前主要通过绕流气动力和尾流反作用来解释。绕流气动力解释为：扑翼下扑时，前缘低后缘高，扑翼相对于自由来流迎角为负，但由于扑翼有下扑的速度，所以扑翼相对于气流合速度的迎角仍为正值，作用于扑翼的气动力垂直于扑翼指向前上方，这个力可以分解为向上的升力和向前的推力；扑翼上扑时，前缘高后缘低，扑翼相对于自由来流迎角为正，但由于扑翼有上扑的速度，所以扑翼相对于气流合速度的迎角仍为负值，作用于扑翼的气动力垂直于扑翼指向前下方，这个力可以分解为向下的负升力和向前的推力；一个周期内，推力始终为正，升力的和为正。尾流反作用解释为：扑翼的周期性柔性俯仰运动，将会在扑翼后产生一系列的尾涡，当在某个合适的速度下，尾涡排列成“反卡门涡街”的特殊形状，这时涡间尾流能够在扑翼后缘加速空气的流动，形象的说，相当于在扑翼后缘加了一排小喷气发动机，为扑翼机提供推力。

绕流气动力理论和尾流反作用理论互为补充，很好的解释了鸟翼在低频平飞阶段的飞行机理；绕流气动力理论解释的是某个时刻的原理，尾流反作用理论解释的是宏观运动上的原理。

虽然现有能够实现飞行的仿鸟微型扑翼飞行器已经能初步应用或验证上述原理，能够实现鸟翼正常的扑动和整体翼面被动的扭转，但可以说，仍然是一个“无毛”的翅膀，而羽毛作为鸟类进化成功的一大标志，在飞行中起着至关重要的作用。其中初级飞羽主要产生推力，次级飞羽主要产生升力，每一支飞羽都由羽轴和羽片构成，羽片又由羽轴两侧平行伸出的很多羽枝构成。每一羽的外羽片狭窄，内羽片宽阔，从鸟下方看，各羽从外到内逐次覆盖。羽轴在气流的作用下还略有扭转能力。当上扑时，各羽间出现裂隙，便于上翼面高压空气通过，减小负升力；下扑时，各羽联合成严密的翼面以获得最大的正升力。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有仿鸟型微型扑翼飞行器只有翅膀仿生而无羽毛仿生、整机气动效率低的现状，改善微型扑翼飞行器的飞行性能，本发明提出一种气动效率高、结构简单、可靠性强的微型扑翼飞行器仿羽毛开裂增升机构。

一种微型扑翼飞行器的仿羽毛开裂增升机构，包括机体架、翼后端件、次级飞羽贰、次级飞羽壹、初级飞羽贰、初级飞羽壹、四片羽柔性铰链、一片翼柔性铰链和翼前端件；

扑翼飞行器的所有零件相对机体架呈左右轴对称布置，机体架两侧上分别安装有翼前端件，翼前端件在扑翼驱动装置的牵拉下能够绕机体架作上下扑动，翼前端件通过翼柔性铰链连接翼后端件，翼后端件包括第一横梁、第一竖梁、第二竖梁、第三竖梁、第四竖梁和第五竖梁；第一竖梁、第二竖梁、第三竖梁、第四竖梁和第五竖梁的一端固定在第一横梁上，次级飞羽贰、次级飞羽壹、初级飞羽贰、初级飞羽壹分别通过四个羽柔性铰链连接第二竖梁、第三竖梁、第四竖梁、第五竖梁，第一竖梁与第一横梁之间设有涤纶翼膜；翼后端件、羽柔性铰链、次级飞羽贰、次级飞羽壹、初级飞羽贰和初级飞羽壹组成的整个扑翼后端部件整体能够绕翼柔性铰链进行上下摆动；次级飞羽贰、次级飞羽壹、初级飞羽贰和初级飞羽壹只能分别绕羽柔性铰链向下摆动。

本发明的优点在于：

(1)飞行器气动效率高，可以有效地减小扑翼上扑段负升力的产生；

(2)结构简单，羽毛开裂动作无需专用驱动机构；

(3)可靠性强。

附图说明

图1是本发明提供的微型扑翼飞行器的仿羽毛开裂增升机构示意图；

图2是本发明中仿羽毛开裂增升机构安装示意图；

图3是本发明中仿羽毛开裂增升机构上扑段、下扑段俯视对比图；

图4是本发明中仿羽毛开裂增升机构上扑段、下扑段轴测对比图；

图5是本发明中骨架、翼膜组合图；

图6是本发明中翼后端件功能说明图。

图中：

1.机体架      2.翼后端件    3.次级飞羽贰

4.次级飞羽壹  5.初级飞羽贰  6.初级飞羽壹

7.羽柔性铰链  8.翼柔性铰链  9.翼前端件

201.第一横梁  202.第一竖梁  203.第二竖梁

204.第三竖梁  205.第四竖梁  206.第五竖梁

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明根据鸟类翅膀上扑时羽毛的开裂现象，在常规扑翼上加装的翼柔性铰链实现扑翼后部羽毛的柔性，翼后端件外侧骨架伸出4根悬臂梁模拟飞羽的羽轴，羽柔性铰链实现羽轴的轻度扭转，初级飞羽壹、初级飞羽贰、次级飞羽壹和次级飞羽贰也仿照真实鸟类的次序叠放。

本发明是一种微型扑翼飞行器的仿羽毛开裂增升机构，如图1、图2所示，包括机体架1、翼后端件2、次级飞羽贰3、次级飞羽壹4、初级飞羽贰5、初级飞羽壹6、四片羽柔性铰链7、一片翼柔性铰链8和翼前端件9。

本实施例中的扑翼飞行器的所有零件相对机体架1呈左右轴对称布置，所以在结构描述和附图中只介绍左半部分，右半部分原理相同。

机体架1上安装有翼前端件9，翼前端件9在常规扑翼驱动装置的牵拉下可绕机体架1作上下扑动，翼前端件9上扑角25°，下扑角25°，翼前端件9俯仰角5～10°，翼前端件9扑动频率3～6Hz；

翼前端件9通过翼柔性铰链8连接翼后端件2，翼后端件2如图6所示，包括第一横梁201、第一竖梁202、第二竖梁203、第三竖梁204、第四竖梁205和第五竖梁206。第一竖梁202、第二竖梁203、第三竖梁204、第四竖梁205和第五竖梁206的一端固定在第一横梁201上，次级飞羽贰3、次级飞羽壹4、初级飞羽贰5、初级飞羽壹6分别通过四个羽柔性铰链7连接第二竖梁203、第三竖梁204、第四竖梁205、第五竖梁206，第一竖梁202与第一横梁201之间设有涤纶翼膜。

翼后端件2、羽柔性铰链7、次级飞羽贰3、次级飞羽壹4、初级飞羽贰5和初级飞羽壹6组成的整个扑翼后端部件整体可绕翼柔性铰链8进行上下摆动，在5m/s垂直气流作用下，向上和向下摆动角约为15°；

次级飞羽贰3、次级飞羽壹4、初级飞羽贰5和初级飞羽壹6只能分别绕羽柔性铰链7向下摆动，在3m/s垂直气流作用下，向下摆动角约为15°。

翼柔性铰链8和羽柔性铰链7在不受外力时保持在平直的中立位置；翼柔性铰链8和羽柔性铰链7在受到垂直方向的外力后会沿力的方向弯曲变形，并且变形不会超过一定的限制角度；

装配时：

将翼前端件9按扑翼驱动机构的类型采用需要的方式和机体架1固定。

如图5，实施例中的翼后端件2、次级飞羽贰3、次级飞羽壹4、初级飞羽贰5、初级飞羽壹6和翼前端件9这六个零件均是由碳纤骨架和涤纶翼膜粘结而成的，需要在加工零件时首先加工好；将翼柔性铰链8的前侧和翼前端件9胶结，将翼柔性铰链8的后侧和翼后端件2胶结。

分别将四片羽柔性铰链7的外侧和第二竖梁203、第三竖梁204、第四竖梁205、第五竖梁206胶结；将这四片羽柔性铰链7的内侧分别和次级飞羽贰3、次级飞羽壹4、初级飞羽贰5、初级飞羽壹6胶结。

当完成上述实施过程后，结合附图3和图4，具体应用时装置动作过程如下：

下扑阶段：翼前端件9从上向下扑动；翼后端件2、翼柔性铰链8、次级飞羽贰3、次级飞羽壹4、初级飞羽贰5和初级飞羽壹6组成的整个扑翼后端件部件受下方来流影响，向上偏转；次级飞羽贰3、次级飞羽壹4、初级飞羽贰5和初级飞羽壹6虽然也受到下方来流影响，但由于其骨架受到翼后端件2骨架阻挡，无法向上偏转，这时所有飞羽呈闭合状态，确保获得最大升力。

下停留阶段：翼前端件9从上向下扑动到最低点，此时气流为前向来流；翼后端件2、翼柔性铰链8、次级飞羽贰3、次级飞羽壹4、初级飞羽贰5和初级飞羽壹6组成的整个扑翼后端件部件受惯性力影响，逐步向下偏转；次级飞羽贰3、次级飞羽壹4、初级飞羽贰5和初级飞羽壹6也受惯性力影响，逐步向下偏转，所有飞羽逐步打开。

上扑阶段：翼前端件9从下向上扑动；翼后端件2、翼柔性铰链8、次级飞羽贰3、次级飞羽壹4、初级飞羽贰5和初级飞羽壹6组成的整个扑翼后端件部件受上方来流影响，继续向下偏转；次级飞羽贰3、次级飞羽壹4、初级飞羽贰5和初级飞羽壹6也受到上方来流影响，由于无骨架阻挡，继续向下偏转，这时所有飞羽呈打开状态，确保负升力最小。

上停留阶段：翼前端件9从下向上扑动到最高点，此时气流为前向来流；翼后端件2、翼柔性铰链8、次级飞羽贰3、次级飞羽壹4、初级飞羽贰5和初级飞羽壹6组成的整个扑翼后端件部件受惯性力影响，逐步向上偏转；次级飞羽贰3、次级飞羽壹4、初级飞羽贰5和初级飞羽壹6也受到惯性力影响，向下偏转角度逐渐变小，由于其骨架受到翼后端件2骨架阻挡，飞羽最终闭合。

上述中，上扑时的负升力小于传统扑翼机，下扑时的正升力等同于传统扑翼机，一个扑动周期内的升力和大于传统扑翼机。

Claims (2)

1.一种微型扑翼飞行器的仿羽毛开裂增升机构，包括机体架、翼后端件、次级飞羽贰、次级飞羽壹、初级飞羽贰、初级飞羽壹、四片羽柔性铰链、一片翼柔性铰链和翼前端件；

扑翼飞行器的所有零件相对机体架呈左右轴对称布置，机体架两侧上分别安装有翼前端件，翼前端件在扑翼驱动装置的牵拉下能够绕机体架作上下扑动，翼前端件通过翼柔性铰链连接翼后端件，翼后端件包括第一横梁、第一竖梁、第二竖梁、第三竖梁、第四竖梁和第五竖梁；第一竖梁、第二竖梁、第三竖梁、第四竖梁和第五竖梁的一端固定在第一横梁上，次级飞羽贰、次级飞羽壹、初级飞羽贰、初级飞羽壹分别通过四个羽柔性铰链连接第二竖梁、第三竖梁、第四竖梁、第五竖梁，第一竖梁与第一横梁之间设有涤纶翼膜；翼后端件、羽柔性铰链、次级飞羽贰、次级飞羽壹、初级飞羽贰和初级飞羽壹组成的整个扑翼后端部件整体能够绕翼柔性铰链进行上下摆动；次级飞羽贰、次级飞羽壹、初级飞羽贰和初级飞羽壹只能分别绕羽柔性铰链向下摆动。

2.根据权利要求1所述的一种微型扑翼飞行器的仿羽毛开裂增升机构，所述的翼后端件、次级飞羽贰、次级飞羽壹、初级飞羽贰、初级飞羽壹和翼前端件均是由碳纤骨架和涤纶翼膜粘结而成的。