CN104590560A - 一种带攻角控制装置的扑旋翼 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带攻角控制装置的扑旋翼，属于微型飞行器领域技术领域。包括扑旋翼，攻角控制装置和限位装置；扑旋翼包括主梁、短梁、斜梁和翼膜；攻角控制装置和限位装置共同作用，分为两种形式：一是包括挡板、限位器和攻角控制器；在攻角控制器上开凹槽，挡板在凹槽上下运动；限位器用来控制挡板的运动范围。另一种包括变形片和限位梁，通过改变变形片的厚度或调节短梁和斜梁的连接点与主梁的距离，控制扑旋翼上拍时翼型的攻角，限位梁用来限制扑旋翼下拍时扑旋翼的变形；通过对拍动过程中的扑旋翼攻角进行控制，在维持正升力的基础上，有效减小负升力，使微型扑旋翼飞行器的平均升力得到提升，飞行器能量利用率提高。

Description

一种带攻角控制装置的扑旋翼

技术领域

本发明涉及微型飞行器领域，具体来说是一种带攻角控制装置的扑旋翼。

背景技术

自上世纪九十年代以来，随着传统飞行器设计技术的不断提高，人们对动物飞行和游动机理不断探索，了解的越来越深入，以及随着微电子技术的飞速发展，微型飞行器设计领域发展越来越迅速，在国家安全和国民经济建设等方面具有广泛的应用前景，被应用于复杂环境条件下的侦察、通讯、勘探、协助救援等任务。

公开号为CN 101492093的专利申请：“扑旋翼设计方法及利用此方法设计的微小型扑旋翼飞行器”中公开了微小型扑旋翼飞行器。该专利发明的微小型扑旋翼飞行器升力靠一对上下拍动并可旋转的机翼提供。

现在公开的扑旋翼设计都普遍采用固定攻角，尽管当扑翼向下拍动时能够产生可观的正升力，但同时当扑翼向上拍动时也同样产生了较大的负升力。上拍阶段产生的机翼负升力一方面极大减小了微型扑旋翼飞行器的平均升力，使飞行器有效负载较小，另一方面使得飞行器较大一部分功率输出用于克服负升力产生，因而系统能量利用率低。

发明内容

本发明的目的是为了解决扑旋翼上拍产生的负升力使得扑旋翼平均升力较小，能量利用率低的问题，提出了一种带攻角控制装置的扑旋翼。

一种带攻角控制装置的扑旋翼包括扑旋翼，攻角控制装置和限位装置。

扑旋翼包括主梁、短梁、斜梁和翼膜；主梁、短梁和斜梁共面，短梁与主梁垂直，斜梁在主梁与短梁之间，与主梁夹角在30°至60°之间。短梁根部、斜梁根部相交与主梁的根部处，且该连接点位于主梁长度的10％处，主梁根部长度的10％是主梁的外伸端。

翼膜粘在主梁和短梁及斜梁所构成的平面上。

主梁、短梁及斜梁采用碳纤维杆制作，翼膜采用聚乙烯薄膜制作。

攻角控制装置和限位装置共同作用，分为两种形式：一种是利用挡板、限位器和攻角控制器组成；限位器有2个，分别位于主梁外伸端的两端；攻角控制器为两片半阶梯圆筒状对扣在一起，分为上下两部分，上半部内部为圆筒阶梯过渡面，用来匹配限位器；下半部套在外伸端外，通过与2个限位器的共同作用，限制扑旋翼轴向运动。

在攻角控制器下半部上开扇形凹槽，凹槽深度约占攻角控制器的25％长度，凹槽轴向截面呈40～70度，挡板在凹槽上下运动；攻角控制器上半部连接飞行器拍动机构，初始安装时，保证扑旋翼拍动机构拍动至水平时，攻角控制器凹槽上表面与水平面呈-10～0度攻角，下表面与水平面呈40～60度攻角。

另一种是通过变形片和限位梁组成，变形片选用硅胶材料制作，受力时可拉伸、变形，一端粘结在主梁上，另一端与短梁和斜梁根部相交点粘连，通过改变变形片的厚度或者调节短梁和斜梁的连接点与主梁的垂直距离，来控制扑旋翼上拍时翼型的攻角。

限位梁用来限制扑旋翼下拍时斜梁、短梁以及翼膜的变形；限位梁一端固定在主梁上，距主梁根部约25％主梁长度的位置处，且限位梁的初始安装角度与主梁根部方向成45度角；另一端斜搭在斜梁和短梁上面；初始安装时，扑旋翼整体与水平面的夹角设置为-10度～0度之间，保证了拍动机构拍动至水平时，扑旋翼初始几何攻角的范围为-10度～0度之间；通过变形片的变形，实现扑旋翼上拍时的攻角值介于40度～60度之间。

本发明的优点在于：

(1)本发明中设计了一种带攻角控制装置的扑旋翼，对扑旋翼拍动过程中的扑旋翼攻角进行控制，在维持扑旋翼下拍产生正升力的基础上，有效减小扑旋翼上拍时产生的负升力，使应用此控制方法的微型扑旋翼飞行器的平均升力得到提升，飞行器能量利用率提高。

(2)本发明中设计了一种带攻角控制装置的扑旋翼，可由多种装置实现，设计简单，易于加工。

附图说明

图1是本发明一种带攻角控制装置的扑旋翼应用实例1的示意图；

图2是本发明一种带攻角控制装置的扑旋翼应用实例1安有限位器的示意图；

图3是本发明一种带攻角控制装置的扑旋翼应用实例1攻角控制器的示意图；

图4是本发明一种带攻角控制装置的扑旋翼应用实例2的示意图；

图5是本发明一种带攻角控制装置的扑旋翼应用实例2上拍时的示意图；

图中：

1-扑旋翼  2-攻角控制器  3-限位器  4-变形片

101-主梁  102-短梁  103-斜梁  104-翼膜  105-挡板  106-限位梁

201-攻角控制器a  202-攻角控制器b  301-限位器a  302-限位器b

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。

一种带攻角控制装置的扑旋翼，通过对扑旋翼上下拍动时的攻角进行合理控制，在维持扑旋翼下拍时正升力的基础上，使扑旋翼上拍时的负升力有效减小，使得扑旋翼平均升力和飞行器能量利用效率显著提高。

工作原理具体为：

微型扑旋翼在使用过程中，当扑旋翼向上拍动时，扑旋翼上的攻角控制装置用来限制翼面过度向下翻转，将最大攻角值限制在40度～60度之间，此时以扑旋翼为参考系观察，拍动产生相对扑旋翼向下的气流，叠加旋转来流后，此时扑旋翼基本与真实来流方向一致，可使得负升力有效减小；当扑旋翼向下拍动时，扑旋翼上的攻角控制装置限制翼面过分向上翻转，将最小攻角值控制在-10度～0度之间，同样以扑旋翼为参考系观察，拍动产生的相对扑旋翼向上的气流，叠加旋转来流后，从扑旋翼上观察真实来流从前下方吹来，因而此时扑旋翼拍动产生较大的升力和一部分推力。

攻角定义为翼型前后缘连线与水平位置的夹角，翼前缘高于翼后缘时攻角为正，反之为负；攻角值：选取距离扑旋翼旋转轴0.6～0.7倍展长处的翼型当地攻角；展长定义为扑旋翼尖部与旋转轴之间的距离；

上拍和下拍阶段翼型当地攻角最大和最小角度限制可通过调节翼上攻角控制装置实现。

实施例1：

一种带攻角控制装置的扑旋翼包括扑旋翼1，攻角控制器2和限位器3。

扑旋翼1如图1所示，包括主梁101、短梁102、斜梁103、翼膜104以及挡板105。

主梁101、短梁102及斜梁103采用碳纤维杆制作，翼膜104采用聚乙烯薄膜制作，挡板105采用碳纤维板制作。

主梁101、短梁102、斜梁103及挡板105共面，短梁102与主梁101垂直，斜梁103位于主梁101与短梁102之间，与主梁101夹角在30°至60°之间。短梁102根部、斜梁103根部固连与主梁101的根部处，且该连接点位于主梁101长度的10％处。主梁101根部长度的10％是主梁101的外伸端。

翼膜104粘在主梁101和短梁102及斜梁103所构成的平面上。

挡板105粘在短梁102外侧，挡板105长度为短梁102长度的1/3，宽度与攻角控制器b202下半部凹槽轴向长度相同。

限位器3为两圆筒薄片，选用轻质塑料材料制作，如图2所示，分别为限位器a301和限位器b302；限位器a301外径为主梁101直径的1.5倍，内径与主梁101直径相同，卡在主梁101外伸端的根部；限位器b302外径为主梁101直径的2.5倍，内径与主梁101直径相同，卡在主梁101外伸端的另一侧，短梁102、斜梁103与主梁101的连接处。同时在限位器b302上开有凹槽，卡住挡片105的根部；挡片105上下运动带动限位器b302同时运动，从而带动扑旋翼主梁101一起同步旋转运动。

攻角控制器2选用轻质塑料制作，利用塑料注塑成型，如图3所示，为两片半阶梯圆筒状对扣在一起，分别为攻角控制器a201和攻角控制器b202，攻角控制器2外径为扑旋翼主梁101直径的2倍，长度为主梁101外伸端长度的两倍，主梁101外伸端位于攻角控制器2的长度一半处，即限位器a301位于攻角控制器2的中间。扑旋翼主梁101外伸端与攻角控制器2相连，可在攻角控制器2内转动。

攻角控制器2内径为两部分，轴向上半部圆筒内径为扑旋翼主梁101直径的1.5倍，内部为圆筒阶梯过渡面，用来匹配限位器a301，通过限位器a301将攻角控制器2固定在扑旋翼1的外部；下半部内径比扑旋翼主梁101直径略大，与主梁101外伸端形成间隙配合；攻角控制器2套在扑旋翼主梁101外伸端外，配合限位器3，限制扑旋翼轴向运动。

在攻角控制器b202上的下半部位于限位器b302连接处的圆筒壁上开扇形凹槽，凹槽深度约占攻角控制器2的25％长度，凹槽轴向截面呈40～70度，挡板105位于攻角控制器b202的凹槽内，在凹槽上下运动；

扑旋翼1上、下拍时，挡板105分别与攻角控制器b202的凹槽下表面和上表面贴合，实现对扑旋翼1上、下拍动时攻角的合理控制；扑旋翼1在拍动时，挡板105受到以攻角控制器2凹槽的限制，具体为当扑旋翼下拍时，在扑旋翼上气动力和惯性力作用下，扑旋翼与凹槽上表面贴合，实现较小负攻角拍动，角度取-10度～0度间的某个角度；当扑旋翼上拍时，在扑旋翼气动力和惯性力作用下，扑旋翼与凹槽下表面贴合，实现中等正攻角拍动，角度取40度～60度的某个角度。凹槽对应的圆心角为40度到70度之间。

一种带攻角控制装置的扑旋翼的具体安装过程为：

步骤1、安装限位器；

将扑旋翼1整体组装好，将翼膜104粘贴在主梁101、短梁102、斜梁103及挡板105的共面上后，将限位器b302和限位器a301分别套在扑旋翼主梁101外伸端上，将限位器a301粘套在扑旋翼主梁101外伸端根部，同时将限位器b302粘连在扑旋翼主梁101上，短梁102、斜梁103与主梁101的连接处，同时限位器b302的凹槽处固定挡板105；

步骤2、安装攻角控制器；

将攻角控制器2卡在扑旋翼主梁101外伸端，攻角控制器2内圆筒阶梯过渡面与限位器a301内端面贴合，同时攻角控制器2下半部底部与限位器b302外端面贴合，挡板105位于攻角控制器2的凹槽内，将攻角控制器a201和攻角控制器b202粘接，保证扑旋翼挡板105能够在凹槽内运动。

步骤3、将攻角控制器2与扑旋翼拍动机构固连；

攻角控制器2上半部内侧与扑旋翼飞行器拍动机构相连，随扑旋翼一起拍动；攻角控制器2和扑旋翼飞行器拍动机构连接后，当扑旋翼拍动机构拍动至水平时，攻角控制器2凹槽上表面与水平面呈-10～0度攻角，下表面与水平面呈40～60度攻角。

实施例2：

一种带攻角控制装置的扑旋翼包括：扑旋翼1，变形片4和限位梁106。

如图4所示，扑旋翼1包括：主梁101、短梁102、斜梁103和翼膜104。主梁101、短梁102、斜梁103均采用碳纤维杆制作，翼膜104采用聚乙烯薄膜制作。

主梁101与短梁102、斜梁103共面，短梁102与主梁101垂直，斜梁103在主梁101与短梁102之间，与主梁101夹角在30°至60°之间。翼膜104粘在主梁101和短梁102及斜梁103所构成的平面下方。短梁102和斜梁103根部固连，该连接点距主梁101垂直距离约短梁102长度的10％处，同时连接变形片4；变形片4位于主梁101长度的10％处。主梁101根部长度的10％是主梁101的外伸端，外伸端用来固连扑旋翼飞行器拍动机构；初始安装时，按照扑旋翼梁结构在上、膜在下的方式安装。

限位梁106采用碳纤维杆制作。

变形片4选用长方形的橡胶材料制作，变形片4优选硅胶片，厚度选用1-2mm，长度取短梁102长度的20％，宽度取长度的一半。变形片4一端粘结在主梁101上，另一端与短梁102和斜梁103根部相交点粘连，受力时可拉伸、变形。

通过实验测试改变变形片4的厚度或者调节短梁102和斜梁103的连接点与主梁101的垂直距离，来控制扑旋翼上拍时翼型的攻角。

以变形片4的厚度选择为例。当固定短梁102和斜梁103的连接点与主梁101的垂直距离，为短梁102长度的10％处，制作含不同厚度变形片4的扑旋翼1。

通过扑旋翼1上加载实验，确定变形片4厚度，具体操作如下：明确扑旋翼1飞行器要使用的扑旋翼个数及微型扑旋翼飞行器重量，本实施例选取n个扑旋翼，n的范围为2-4个；在不同的扑旋翼1上，取距离扑旋翼1旋转轴0.6～0.7倍展长位置处翼型中点作为重量加载点，保持扑旋翼1水平，在加载点上放置重量等于飞行器重量的1/n的重物，取翼型攻角在40度至60度的变形片4。

用同样的方法在固定变形片4厚度的前提下，确定短梁102和斜梁103的连接点与主梁101的垂直距离。限位梁106用来限制扑旋翼下拍时斜梁103、短梁102以及翼膜104的变形；

限位梁106的直径和短梁102相同，长度略大于主梁长度15％；限位梁106一端固定在主梁101上，距主梁101根部约25％主梁101长度的位置处，且限位梁106的初始安装角度与主梁101根部方向成45度角；另一端斜搭在斜梁103和短梁102上面，限位梁106的长度只要保证能够同时搭载在斜梁103和短梁102即可。

初始安装时，扑旋翼1整体与水平面的夹角设置为-10度～0度之间，保证了拍动机构拍动至水平时，扑旋翼1初始几何攻角的范围为-10度～0度之间；

当扑旋翼1拍动时，短梁102、斜梁103带及翼膜104受到气动力和翼惯性力作用，使得变形片4变形，短梁102和斜梁103带动翼膜104绕主梁101转动，从而控制扑旋翼1攻角变化。具体为：当扑旋翼1上拍时，如图5所示，短梁102、斜梁103以及翼膜104上的力使得变形片4变形，实现扑旋翼1向下翻转，当翻转至一定程度后，变形片4的弹性力限制翼进一步向下翻转，扑旋翼1旋转轴0.6～0.7倍展长位置处翼型当地攻角最大值控制在中等攻角，即攻角值介于40度～60度之间；而当扑旋翼1下拍时，翼膜104张力和限位梁106限制扑旋翼1向上的过度变形，实现扑旋翼1旋转轴0.6～0.7倍展长位置处翼型当地攻角最小值控制在-10度～0度之间。

Claims (5)

1.一种带攻角控制装置的扑旋翼，其特征在于：包括扑旋翼，攻角控制装置和限位装置；

扑旋翼包括主梁、短梁、斜梁和翼膜；主梁、短梁和斜梁共面，短梁与主梁垂直，斜梁位于主梁与短梁之间，与主梁夹角在30°至60°之间；短梁根部、斜梁根部相交与主梁的根部处，且该连接点位于主梁长度的10％处，主梁根部长度的10％是主梁的外伸端；翼膜粘在主梁和短梁及斜梁所构成的平面上；

攻角控制装置和限位装置共同作用，分为两种形式：一种是利用挡板、限位器和攻角控制器组成；限位器有2个，分为限位器a和限位器b；分别位于主梁外伸端的两端；攻角控制器为两片半阶梯圆筒状对扣在一起，分为上下两部分，上半部内部为圆筒阶梯过渡面，用来匹配限位器a；下半部套在外伸端外，通过与限位器的共同作用，限制扑旋翼轴向运动；

在攻角控制器下半部位于限位器b连接处的圆筒壁上开扇形凹槽，凹槽深度约占攻角控制器的25％长度，凹槽轴向截面呈40～70度，挡板在凹槽上下运动；攻角控制器上半部连接飞行器拍动机构，初始安装时，保证扑旋翼拍动机构拍动至水平时，攻角控制器凹槽上表面与水平面呈-10～0度攻角，下表面与水平面呈40～60度攻角；

另一种是通过变形片和限位梁组成，变形片选用硅胶材料制作，一端粘结在主梁上，另一端与短梁和斜梁根部相交点粘连，通过改变变形片的厚度或者调节短梁和斜梁的连接点与主梁的垂直距离，来控制扑旋翼上拍时翼型的攻角；

限位梁用来限制扑旋翼下拍时斜梁、短梁以及翼膜的变形；限位梁一端固定在主梁上，距主梁根部约25％主梁长度的位置处，且限位梁的初始安装角度与主梁根部方向成45度角；另一端斜搭在斜梁和短梁上面；初始安装时，扑旋翼整体与水平面的夹角设置为-10度～0度之间，保证了拍动机构拍动至水平时，扑旋翼初始几何攻角的范围为-10度～0度之间；通过变形片的变形，实现扑旋翼的攻角值介于40度～60度之间。

2.如权利要求1所述的一种带攻角控制装置的扑旋翼，其特征在于：所述的主梁、短梁及斜梁采用碳纤维杆制作，翼膜采用聚乙烯薄膜制作。

3.如权利要求1所述的一种带攻角控制装置的扑旋翼，其特征在于：所述的限位器a外径为主梁直径的1.5倍，内径与主梁直径相同，卡在主梁外伸端的根部；限位器b外径为主梁直径的2.5倍，内径与主梁直径相同，卡在主梁外伸端的另一侧，短梁、斜梁与主梁的连接处；同时在限位器b上开有凹槽，卡住挡片的根部；挡片上下运动带动限位器b同时运动，从而带动扑旋翼主梁一起同步旋转运动。

4.如权利要求1所述的一种带攻角控制装置的扑旋翼，其特征在于：所述的攻角控制器上半部位于开口处的内径为扑旋翼主梁直径的1.5倍，通过限位器a将攻角控制器固定在扑旋翼的外部；下半部内径比扑旋翼主梁直径略大，与主梁外伸端形成间隙配合。

5.如权利要求1所述的一种带攻角控制装置的扑旋翼，其特征在于：所述的变形片优选硅胶片，厚度选用1-2mm，长度取短梁102长度的20％，宽度取长度的一半。