CN105151299B - 一种提升扑翼飞行升力的翅膀扭转机构 - Google Patents

Abstract

一种提升扑翼飞行升力的翅膀扭转机构，包括：一个组合双梁，通过组合双梁的振动驱动翅膀；两个翅膀，提供气动升力；两个支座，分布有两个支撑孔，每侧各一个，作为翅膀扭转的支点，两个限位角，每侧各一个，提供翅膀扭转空间并限制翅膀扭转的最大角度；两个电极，分别接直流电源的正负极，用于激励组合双梁的振动。不同于现有微型扑翼飞行器的翅膀扭转设计机构，本发明通过支撑孔和限位角实现翅膀的扭转动作，在简化结构的同时，可实现翅膀拍动和扭转更优的组合，具有更好的气动性能，因而可大幅提升扑翼飞行的升力。

Description

一种提升扑翼飞行升力的翅膀扭转机构

技术领域

本发明涉及一种提升扑翼飞行升力的翅膀扭转设计原理和结构，属于航空动力，微型扑翼飞行器领域。

背景技术

微型扑翼飞行器在厘米或毫米尺度内拥有比固定翼和旋翼飞行器更好的气动效率和机动性，在军事侦查与渗透、民用探测和搜救等方面有着广泛的应用前景。微型扑翼飞行器要实现离地飞行，首要考虑的是提高翅膀扑动时产生的升力，提高升重比(升力与自身重力之比)，只有升重比超过1，微型扑翼飞行器才有可能实现离地飞行。

扑翼飞行要想产生有效的升力，不能仅仅依靠翅膀简单的前后或上下拍动，只有翅膀平面与拍动方向成一定夹角(攻角)时，翅膀才会产生有效的升力，即翅膀在拍打过程中，必须叠加一定的扭转动作。针对昆虫高升力机理与翅膀运动轨迹之间的关系，相关研究指出，翅膀在拍动过程中扭转时刻的选择，极大地影响了气动升力的大小。根据拍动和扭转时间的前后，可将翅膀扭转分为三种模式：“超前模式”，“对称模式”和“滞后模式”。“超前模式”指翅膀在每次拍动结束前，扭转动作已经完成，在下一次拍动开始时，翅膀平面已经形成了正的攻角；“对称模式”指拍动结束时，扭转动作完成了一半，在下一次拍动开始时，翅膀平面构成的攻角为0；“滞后模式”指翅膀在每次拍动结束时，扭转动作还未开始，在下一次拍动开始时，翅膀平面处于负的攻角状态。研究指出，“超前模式”产生的气动升力最大，“对称模式”次之，“滞后模式”最小。因而，为了追求更好的气动性能和更高的升重比，翅膀扭转设计中应该采用“超前模式”。

基于目前的技术条件，要实现最佳的翅膀拍动与扭转组合规律，既要考虑到结构简单，又要考虑到气动性能好，因而难度较大。现有微型扑翼飞行器在翅膀扭转设计方面，一般采用“主动控制”和“被动扭转”两种方式，而这两种途径均存在自身的不足：(1)结构复杂。在微型扑翼飞行器设计时，驱动器的输出用于驱动翅膀的拍动，为了实现翅膀的扭转动作，部分微型扑翼飞行器通过增加一个驱动器来控制翅膀的扭转，即上述的“主动控制”。由于翅膀的拍动和扭转由两个不同的驱动器控制，通过调节驱动器参数，可以实现翅膀拍动与扭转的最佳组合，这种方式虽然可以保证气动性能，但是增加一个驱动器和传动机构大大增加了系统的复杂性和自重，不利于微型化和提升升重比，应用较少；(2)气动性能不佳。除“主动控制外”，现有微型扑翼飞行器扭转设计中广泛采用“被动扭转”方式，将翅膀根部设计为柔性结构，通过拍动过程中的空气阻力产生扭转，这种方式虽然结构较为简单，但拍动和扭转的规律属于上述的“对称模式”，气动性能不佳，为了避免翅膀的过扭转(扭转角度过大)，同样需要在翅膀根据增设机构，这样也不利于提高系统的升重比。

发明内容

本发明技术解决问题：针对微型扑翼飞行器领域对高升重比的需求，考虑到现有微型扑翼飞行器翅膀扭转设计中存在的结构复杂，气动性能不佳等缺陷，提供一种提升扑翼飞行升力的翅膀扭转机构，提升了气动性能，提高系统的升重比，且简化了结构，使微型扑翼飞行器更具微型化优势。

本发明提出的一种提升扑翼飞行升力的翅膀扭转机构，是由如下技术方案实现的，具体包括一个组合双梁、两个翅膀、两个支座(分布有两个支撑孔，两个限位角)、两个电极。两个直流电极平行放置，中间形成一定间距，电极两端与支座连接，组合梁由两根单梁组合而成，上侧梁穿过支座上的支撑孔，下侧梁连同翅膀置于限位角，组合梁和翅膀构成一个类似两侧简支的结构。其中，组合双梁作为驱动器的振动部件，用于驱动翅膀的拍动；两个翅膀与组合双梁的下侧梁固连，用于产生气动升力；两个直流电极连接直流电压的正负极，用于激励组合双梁的振动；两个支座用于支撑组合梁和翅膀。

所述组合双梁由上侧梁和下侧梁组成，当梁截面为圆形且直径为50-70μm时，上侧梁长度为30-50mm，下侧梁包括翅膀的长度为40-65mm，上侧梁和下侧梁之间的距离为0.8-1.5mm，上侧梁和下侧梁通过金属短梁连接和定型。组合双梁的梁截面为多种形状，多种形状包括圆形，矩形或椭圆形。翅膀厚度为1.5-8μm，由直径为20-40μm的记忆合金丝段作为加强翼肋，翅膀长10-12mm，最大弦长5-7mm，翅膀与组合双梁的下侧梁固连在一起，组成梁-翅结构。电极为平板式，长度为20-30mm，宽度10-12mm，两侧电极间距为4-8mm，电极表面为导电材料。两个电极分别连接直流电压的正负极，两电极之间的电势差为2-4kV。支撑孔为圆形，直径稍大于组合双梁的直径，圆形直径范围为80-100μm。限位角的角度为30°-50°，限位角顶点与支撑孔圆心的距离为0.2-0.5mm。

所述组合梁的制备材料可以为多种导电结构，如金、铜、铝和记忆合金，形状不限于两根梁组成的排梁结构；所述支座的制备材料可以为多种轻质非导电材料，如PVC板，支座可通过激光切割制备；所述翅膀的制备材料可以为各种塑料薄膜，如PET薄膜，加强翼肋可以为各种轻质材料，翅膀可通过激光切割或MEMS微加工制备；所述电极可以由表面镀金属的薄片经切割制备，也可由MEMS微加工制备。

通过理论计算和试验测试，当电极长度为25mm，组合梁上侧梁长度为40mm，下侧梁(带翅膀)长度为54mm，电极间距为4-8mm，支撑孔径为80-100μm，限位角度为30°-50°，限位角顶点与支撑孔圆心距离为0.2-0.5mm，直流电压为2-4kV时，所述组合梁能在直流电压激励下产生稳定的一阶振动并带动翅膀大幅值的拍动，在支撑孔和限位角的共同作用下，翅膀在拍动过程中会叠加稳定有规律的扭转动作，翅膀拍动扭转组合规律符合上述的“超前模式”，从流体力学的角度来说，所实现的拍动扭转规律具有良好的气动性能。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)结构简单。本发明提出的一种提升扑翼飞行升力的翅膀扭转机构，通过在支座上设计支撑孔和限位角，即可实现翅膀的扭转，无需增加驱动器单独控制扭转，此外，支座不仅作为扭转设计的部件，同时也作为承力构件，且翅膀与驱动器振动部件固连，舍弃了传动机构，这样大大地简化了结构。

(2)气动性能好。本发明提出的一种提升扑翼飞行升力的翅膀扭转机构，通过支撑孔提供翅膀扭转所需的支点，通过限位角提供翅膀扭转的空间同时对翅膀最大扭转角进行限制，翅膀拍动扭转的组合规律符合上述的“超前模式”，相比于现有扭转设计所对应的“对称模式”，具有更好的气动性能。

附图说明

图1为本发明实施例子的整体结构轴侧示意图；

图2为本发明实施例子的组合梁与翅膀的连接示意图；

图3为本发明实施例子的支座结构轴侧示意图；

图4为本发明实施例子的组合梁与翅膀支撑示意图；

图5为本发明实施例子的翅膀扭转过程分解图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供一种提升扑翼飞行升力的翅膀扭转机构的一个实施例子，包括：组合梁1，翅膀2，支座3(设计有支撑孔5和限位角6)，电极4。其中，组合梁1和翅膀2构成梁-翅结构，支座3为组合梁2和电极4提供支撑，组合梁上侧梁穿过两侧支座上的支撑孔，下侧梁和翅膀置于限位角中。

如图2所示，组合梁由上下两根单梁组合而成，在梁的两侧通过两根短梁7连接与固定，下侧梁与翅膀连接并作为翅膀的翼梁，单个翅膀由薄膜8和三根短梁9构成。其中，组合梁上侧梁长度为30-50mm(本实例选用40mm)，下侧梁(连同翅膀)长度为40-65mm(本实例选用54mm)，两根连接短梁长度2-4mm(本实例选用2mm)，梁直径为50-70μm(本实例选用56μm)，上下梁间距为0.8-1.5mm(本实例选用1mm)，翅膀长度为10-12mm(本实例选用12mm)，最大宽度为5-7mm(本实例选用7mm)，薄膜厚度为1.5-8μm(本实例选用3μm)，翼肋短梁直径为20-40μm(本实例选用30μm，长度分别为7.8mm，5.4mm，3mm)。

如图3和4所示，支座3上分布有支撑孔5和限位角6。其中，支撑孔提供翅膀扭转的支点，限位角提供翅膀扭转的空间并防止翅膀过扭转，两者的共同作用实现翅膀扭转和拍动的最佳组合。此外，支座也作为系统的主要承力构架，扑翼产生的气动升力通过支撑孔传递到整个系统。两个支座间距为20-30mm(本实例选用25mm)，支座宽度(电极间距)为4-8mm(本实施选用6mm)。

本发明中所提出的一种提升扑翼飞行升力的翅膀扭转机构是基于导电微结构在静电场中的自激振动现象，具体为：将电极4分别连接直流电源的正负极，此时电极中间会形成一个稳定的静电场，组合梁因为静电感应而受到静电力，由于下侧梁处于悬空状态，因而带动翅膀绕支撑孔向限位角的一侧靠近(如图5，向左侧靠近)，此时翅膀与竖直平面构成一个扭转角度，当电压超过吸合电压时，组合梁被激励起稳定的一阶振动，组合梁中部弯曲并继续向左侧电极靠近，此时翅膀以固定的扭转角度向右侧运动，当组合梁碰到左侧电极时，下侧梁连同翅膀从限位角的左侧迅速运动到右侧，翅膀迅速扭转且继续向右，当翅膀到达最右侧时，扭转动作已经完成，下一次拍动(翅膀向左)开始时，翅膀已经处于正的攻角状态，该拍动扭转规律符合上述的“超前模式”。

本发明中，所述组合梁的制备材料可以为多种导电结构，如金、铜、铝和记忆合金，形状不限于上述的双梁组成的排梁结构；所述支座的制备材料可以为多种轻质非导电材料，如PVC板，支座可通过激光切割制备；所述翅膀的制备材料可以为各种塑料薄膜，如PET薄膜，加强翼肋可以为各种轻质材料，翅膀可由激光切割或MEMS制备；所述电极可由表面镀金属薄片经切割制备，也可由MEMS微加工制备。

总之，本发明通过在翅膀支撑支座上设计支撑孔和限位角，实现翅膀拍动与扭转的有效叠加，其中支撑孔为扭转提供支点，限位角提供翅膀扭转的空间并控制翅膀扭转的最大角度，两者的综合作用实现翅膀扭转中的“超前模式”，提升了气动性能；另一方面，本发明将翅膀与驱动器振动部件固连在一起，舍弃了传统的传动结构，此外，翅膀支座不仅作为扭转设计存在，同时也是承力构件，这样大大简化了结构，使微型扑翼飞行器更具微型化优势。

本发明未详细阐述属于本领域公知技术。

以上所述，仅是本发明的实施例子，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明原理和技术实质对以上实施例子所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案范围之内，因此本发明的保护范围当以权利要求书为准。

Claims (7)

1.一种提升扑翼飞行升力的翅膀扭转机构，其特征在于包括：

一个组合双梁，通过所述组合双梁的振动驱动翅膀；所述组合双梁由上侧梁和下侧梁组成，当梁截面为圆形且直径为50-70μm，上侧梁和下侧梁之间的距离为0.8-1.5mm，上侧梁和下侧梁通过金属短梁连接和定型；两个翅膀，通过翅膀的合理拍动和扭转产生气动升力；

两个支座，分布有两个支撑孔，每侧各一个，组合双梁的上侧梁贯穿其中，作为翅膀扭转的支点；两个限位角，每侧各一个，组合双梁的下侧梁置于其中，提供翅膀扭转的空间并用于限制翅膀扭转的最大角度；

两个电极，分别连接直流电源的正负极，用于激励组合双梁的振动；

电极长度为25mm，组合双梁上侧梁长度为40mm，下侧梁包括翅膀的长度为54mm，电极间距为4-8mm，支撑孔径为80-100μm，限位角度为30°-50°，限位角顶点与支撑孔圆心距离为0.2-0.5mm，直流电压为2-4kV时，所述组合双梁能在直流电压激励下产生稳定的一阶振动并带动翅膀大幅值的拍动，在支撑孔和限位角的共同作用下，翅膀在拍动过程中会叠加稳定有规律的扭转动作，翅膀拍动扭转组合规律符合“超前模式”，实现的拍动扭转规律具有良好的气动性能。

2.根据权利要求1所述的一种提升扑翼飞行升力的翅膀扭转机构，其特征在于：所述组合双梁的材料为金属导电材料，金属导电材料包括金、铜和记忆合金。

3.根据权利要求1所述的一种提升扑翼飞行升力的翅膀扭转机构，其特征在于：所述两个翅膀中每个翅膀由厚度为1.5-8μm的PET薄膜制成，由直径为20-40μm的记忆合金丝段作为加强翼肋，翅膀长10-12mm，最大弦长7mm，翅膀与组合双梁的下侧梁固连在一起，组成梁-翅结构。

4.根据权利要求1所述的一种提升扑翼飞行升力的翅膀扭转机构，其特征在于：所述电极为平板式，宽度10-12mm，电极表面为导电材料。

5.根据权利要求1所述的一种提升扑翼飞行升力的翅膀扭转机构，其特征在于：所述两个电极分别连接直流电压的正负极。

6.根据权利要求1所述的一种提升扑翼飞行升力的翅膀扭转机构，其特征在于：所述的支座为非导电材料制成。

7.根据权利要求1所述的一种提升扑翼飞行升力的翅膀扭转机构，其特征在于：所述支撑孔为圆形，直径稍大于组合双梁的直径。