CN105667787B - 一种采用开孔实现增升的扑旋翼 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用开孔实现增升的扑旋翼，包括扑旋翼，透气孔和合页；扑旋翼包括主梁、短梁、斜梁和翼膜；翼膜粘在主梁、短梁及斜梁所构成的平面上；透气孔为在翼膜上剪裁出的矩形孔，且一条长边与翼膜前缘重合，合页为矩形树脂薄膜片，中心与透气孔中心重合，且一条长边与翼前缘重合并粘结在主梁上，其余边自然贴合在翼膜上；合页位于翼膜下方、梁结构上方。优点在于：当机翼向上运动时，合页向下打开，机翼上表面的高压气流通过透气孔流至下表面，进而降低机翼上下表面的压力差，实现了负升力的卸载；当机翼向下运动时，合页贴合在机翼下表面，气流无法通过透气孔，保持拍动产生的正升力，进而提高平均升力和能量利用率。

Description

一种采用开孔实现增升的扑旋翼

技术领域

本发明涉及微型飞行器领域，具体来说是一种采用开孔实现增升的扑旋翼。

背景技术

自二十世纪九十年代以来，随着传统飞行器设计技术的不断成熟和微电子技术的大幅进步，微型飞行器被提出并快速发展。由于微型飞行器体积小、重量轻、机动性强等特征，在国家安全和国民经济建设方面具有广泛的应用前景，适用于复杂环境下的侦查、勘探、协助救援等工作。

同时，随着人们对自然生物飞行和游动机理的不断探索，仿生学设计被越来越多的应用于微型飞行器领域。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”，公开了微小型扑旋翼飞行器，该专利微小型扑旋翼飞行器的升力靠一对上下拍动并可旋转的机翼提供。

现有技术中，扑旋翼设计都采用固定机翼面积的方案，在一定攻角下，尽管扑翼向下拍动时能够产生可观的正升力，但当扑翼向上拍动时也同样产生了较大的负升力。上拍过程产生的机翼负升力，一方面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的部分输出功率用于克服负升力，因而系统能量利用率低。

发明内容

本发明针对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，提出了一种采用开孔实现增升的扑旋翼。

一种采用开孔实现增升的扑旋翼包括扑旋翼，透气孔和合页。

扑旋翼包括主梁、短梁、斜梁和翼膜；主梁、短梁和斜梁各一个且共面，长度比例为9：4：7.5；其中短梁与主梁垂直，且垂直点位于主梁长度的10％处；垂直点的外侧是主梁的外伸端；斜梁交于主梁和短梁的垂直点，与主梁夹角为30°。

翼膜粘在主梁、短梁及斜梁所构成的平面上；初始安装时，梁结构在下，翼膜在上。

透气孔为在翼膜上剪裁出的矩形孔，且一条长边与翼膜前缘重合，透气孔中心与翼根的展向距离r_p在0.25r～0.75r的范围内；透气孔长度l_p的取值范围为0.19r～0.44r，r为扑旋翼的展长；透气孔宽度b_p的取值范围为0.25c～0.5c，c为扑旋翼的弦长。

合页为矩形树脂薄膜片，中心与透气孔中心重合，且一条长边与翼前缘重合并粘结在主梁上，其余边自然贴合在翼膜上；合页长度l_h≈1.25l_p，合页宽度b_h≈1.40b_p；合页位于翼膜下方、梁结构上方，通过改变合页的厚度或者材料调节合页的最大打开角度和响应时间；合页3最大打开角度α_max在10°至20°之间，响应时间t_s为一个拍动周期的1/16至1/8。

一种采用开孔实现增升的扑旋翼，工作原理为：

当扑旋翼运动时，合页受到周围气体的作用力与本身运动形成的惯性力，两者合力的方向是周期性变化的。扑旋翼连续两次到达拍动最高点之间为一个周期；当机翼向上运动时，合页受向下的合力作用向下打开，机翼上表面的高压气流通过透气孔流至下表面，进而降低机翼上下表面的压力差，实现了负升力的卸载；

当机翼向下运动时，合页受向上的合力作用贴合在机翼下表面，使得气流无法通过透气孔，因此保持拍动产生的正升力，进而提高平均升力和能量利用率。

本发明的优点在于：

(1)本发明一种采用开孔实现增升的扑旋翼，扑旋翼拍动时，合页在方向周期性变化的合力驱动下被动响应，不断交替的打开和闭合，在保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)本发明中一种采用开孔实现增升的扑旋翼，通过控制透气孔与合页的几何关系，利用翼膜限制合页向上的运动，原理简单。

(3)本发明中一种采用开孔实现增升的扑旋翼，不需要附加控制装置，通过改变合页的材料或厚度，实现对合页最大打开角度和响应时间等变量的调节，在保持扑旋翼重量和重心基本不变的基础上，对合页的响应状态进行有效控制。

(4)本发明中一种采用开孔实现增升的扑旋翼，结构设计简洁，材料易得，加工方便。

附图说明

图1是本发明一种采用开孔实现增升的扑旋翼的简化运动示意图；

图2是本发明一种采用开孔实现增升的扑旋翼下拍时的示意图；

图3是本发明一种采用开孔实现增升的扑旋翼上拍时的示意图；

图4是本发明三种不同厚度的合页对最大打开角度和响应时间的影响比较图。

图中：

1-扑旋翼 2-透气孔 3-合页

101-主梁 102-短梁 103-斜梁 104-翼膜

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。

一种采用开孔实现增升的扑旋翼，工作原理具体为：

在微型扑旋翼的使用过程中，一般攻角固定在0度～30度之间。当扑旋翼向上运动时，以扑旋翼为参考系，拍动运动产生相对于扑旋翼向下的气流，与旋转来流叠加后，真实来流与扑旋翼形成的有效攻角为负值，此时机翼上表面的压力大于下表面，常规扑旋翼上将会有负升力产生。当扑旋翼向下运动时，真实来流与扑旋翼形成的有效攻角为正值，此时机翼下表面的压力大于上表面，常规扑旋翼上会有正升力产生。

有效攻角定义为翼型前后缘连线与真实来流方向夹角，当真实来流从翼型前后缘连线的下方流入时为正，反之为负；有效攻角值：选取透气孔展向中心处对应的翼型截面的当地有效攻角值作为整个扑旋翼的有效攻角值。

由于扑旋翼在运动过程中存在变形，且越靠近翼尖旋转速度越大，越靠近翼根旋转速度越小。沿机翼展向分布的相互平行的每个翼型截面上均有一个当地有效攻角值，不同翼型截面上的有效攻角值不同，需要取一个翼型截面的有效攻角值作为整个扑旋翼有效攻角值的代表，本实施例选择的截面是透气孔中心处对应的翼型截面，即过透气孔中心做平行于短梁的平面。

一种采用开孔实现增升的扑旋翼包括扑旋翼1，透气孔2和合页3。

扑旋翼1如图1所示，包括主梁101、短梁102、斜梁103和翼膜104。

主梁101、短梁102及斜梁103采用碳纤维片制作，翼膜104采用双向拉伸聚丙烯薄膜制作。

主梁101、短梁102、斜梁103各一个且共面，长度比例为9：4：7.5；短梁102与主梁101垂直，且垂直点位于主梁101长度的10％处；斜梁103位于主梁101与短梁102之间，交于主梁101和短梁101的垂直点，与主梁101夹角为30°。短梁102根部、斜梁103根部固连于主梁101的根部处，且该连接点位于主梁101长度的10％处。主梁101长度的10％是主梁101的外伸端。

翼膜104的材料选用厚度约为0.07mm的双向拉伸聚丙烯薄膜，且翼膜104粘在主梁101和短梁102及斜梁103所构成的平面上。初始安装按照翼膜104在上、梁结构在下的方式安装。

透气孔2为在翼膜104上剪裁出的矩形孔，透气孔长度l_p的取值范围为0.19r～0.44r，r为扑旋翼的展长，也就是主梁长度的90％；优选透气孔长度l_p约为0.31r；

透气孔宽度b_p的取值范围为0.25c～0.5c，c为扑旋翼的弦长，也就是短梁的长度；优选透气孔宽度b_p约为0.38c；

透气孔长度l_p和透气孔宽度b_p的取值过大将不利于扑旋翼的旋转运动产生正升力，取值过小将无法使合页3发挥足够的作用。

透气孔2中心与翼根的展向距离r_p在0.25r～0.75r的范围内，且透气孔2的一条长边与翼膜前缘重合，相对较优的透气孔2中心与翼根的展向距离约为0.5r。翼根是指短梁上与垂直点相对的端点。

展向距离r_p的取值过大，扑旋翼运动过程中翼膜104的变形增大，会减小合页3打开的最大角度；展向距离r_p过小将不会有足够的气动力使得合页3在下拍过程打开。

合页3为一张矩形树脂薄膜片，优选双向拉伸聚丙烯膜制作，在受力时可以弯曲、变形；合页3的打开由树脂薄膜在受力时的弯曲变形实现；合页3的长度l_h约为透气孔长度l_p的1.25倍：l_h≈1.25l_p；宽度b_h约为透气孔宽度b_p的1.40倍：b_h≈1.40b_p。合页3中心与翼根的展向距离r_h与透气孔2中心与翼根的展向距离r_p相同；且合页3的一条长边与翼前缘重合并粘结在主梁101上，其余边自然贴合在翼膜104上。

在初始安装时，将合页3安装在梁结构与翼膜104中间，保证合页3在受到向下的力时可向下打开至最大角度α_max，使透气孔2发挥作用，受到向上的力时保持压合在翼膜104表面。合页打开角度定义为合页3展向中心线起点与终点的连线和扑旋翼1平面的夹角，当合页3位于扑旋翼1下方时为正；最大打开角度α_max为扑旋翼上拍过程中合页前后缘连线与翼平面的最大夹角；响应时间t_s为合页由贴合状态变化至最大打开角度的时间，一般情况下合页由最大打开角度变化至贴合状态的时间同样为t_s；

通过实验测试改变合页3的材料或厚度可实现对合页3最大打开角度和响应时间的调节，使得合页3在扑旋翼1运动时达到预期的响应状态。合页3最大打开角度α_max一般在10°至20°之间，响应时间t_s为一个拍动周期的1/16至1/8。

最大打开角度α_max和响应时间t_s的具体计算过程如下：

透气孔2的尺寸固定，合页3选用双向拉伸聚丙烯薄膜，用同样的方法分别制作含不同厚度合页3的扑旋翼1，按厚度从薄到厚分别定义为扑旋翼1-A、扑旋翼1-B、扑旋翼1-C。

通过高速摄像，对含三种厚度合页3的扑旋翼1运动下的最大打开角度α_max和响应时间t_s进行观察并计算：

首先明确扑旋翼1飞行器测试的飞行状态，选定扑旋翼1的拍动频率为f赫兹，初始安装攻角为α₀；约束扑旋翼1飞行器的旋转运动，使得扑旋翼1在运动时只在竖直平面内往复拍动，便于高速摄像系统进行拍摄。

将带有不同厚度合页3的扑旋翼1安装在飞行器上，并稳定到预期的测试状态。利用高速摄像系统记录下：不同厚度的合页3在扑旋翼1拍动过程中出现的最大打开角度α_max和从闭合至出现最大打开角度的响应时间t_s；如图4所示，测试不同合页3的材料对其最大打开角度和响应时间的影响，最终选定的合页3厚度应同时满足翼拍动过程中合页3最大打开角度α_max在10°至20°之间，且响应时间t_s在1/16至1/8倍拍动周期；即图4中的扑旋翼1-B。

需要注意的是，合页3的最大打开角度α_max不宜过大或过小，α_max过小，扑旋翼1上拍时不利于高压气流流至下表面，而α_max过大将不利于合页3在下拍过程的闭合；由于上拍过程仅占拍动周期的1/2，若t_s过长，则合页3将消耗大量时间进行打开响应，同样不利于上表面的高压气流流至下表面。

本发明一种采用开孔实现增升的扑旋翼的安装过程如下：

步骤一、准备三根截面尺寸为3mm×0.2mm碳纤维片分别作为主梁101、短梁102和斜梁103，长度比例约为9：4：7.5；

步骤二、按照尺寸要求剪裁翼膜104和合页3；

翼膜104的大小正好覆盖主梁101、短梁102和斜梁103构成的平面；合页3的材料和厚度经实验测量方法确定；

步骤三、确定翼膜104对应于翼根位置的原点及长边，并确定透气孔2中心所在的展向位置，在此展向位置处按照透气孔2与翼膜104前缘重合的约束，以及透气孔2的尺寸要求，剪裁出透气孔2；

在加工时，首先确定透气孔2尺寸长度l_p和宽度b_p及透气孔2中心所在的展向位置r_p，然后按照透气孔2的尺寸和位置约束进行剪裁，保证透气孔2的长边与翼前缘重合。

步骤四、将合页3粘合在主梁101上，保证其展向中心线与透气孔2的展向中心线重合；

步骤五、将粘有合页3的主梁101及短梁102、斜梁103依次粘合在翼膜104上；

采用翼膜104在上，梁结构在下，合页3位于翼膜104和主梁101之间的方式装配，其中短梁102根部、斜梁103根部相交于主梁101根部处，且该连接点位于主梁101长度的10％处；同时主梁101根部的外伸端占主梁101长度的10％。

步骤六、将主梁101根部的外伸端插入扑旋翼1飞行器上用于连接扑旋翼1的套筒，完成扑旋翼1与飞行器的安装。

当扑旋翼1拍动时，短梁102、斜梁103带动翼膜104及合页3受到气动力和惯性力的作用，其中合页3由于只有前缘处被约束，因此在受到向下的合力时会有明显的向下打开的趋势。扑旋翼1的往复拍动运动会使得合页3在竖直方向上的合力呈周期性变化，具体为：

如图3所示，扑旋翼1上拍时，合页3受到的向下的合力；合页在上下表面压力差的作用下相对于翼膜104向下打开，使得机翼前缘位置的透气孔发挥作用：机翼上表面的高压气流会通过透气孔流至下表面，实现上下翼面间气体的流动交换，导致上表面的压力减小，同时下表面压力增加，进而使得机翼上下表面的压力差降低，使得此阶段的负升力有效减小，能耗降低。

而当扑旋翼1下拍时，如图2所示，合页3受到向上的合力；合页3在上下表面压力差的作用下相对于翼膜104具有向上运动的趋势，但由于几何尺寸上的约束，合页尺寸大于透气孔无法穿过翼膜104，故被压合在翼膜下表面，使得透气孔2保持闭合。此时上下翼面的气流不会穿过透气孔，流动状态与常规扑旋翼相同，保证此阶段产生的升力和推力不发生显著变化。

平均升力定义:

其中，t₀和t₁分别代表扑旋翼连续两次到达拍动最高点的时刻，L(t)为扑旋翼瞬时的升力值，正值为向上的正升力，负值为向下的负升力。

周期性变化的合力驱动合页3不断交替的向下打开或贴合在翼膜104从而实现合页3的响应与扑旋翼1的运动匹配。

Claims (5)

1.一种采用开孔实现增升的扑旋翼，其特征在于：包括扑旋翼，透气孔和合页；

扑旋翼包括主梁、短梁、斜梁和翼膜；主梁、短梁和斜梁共面，长度比例为9：4：7.5；其中短梁与主梁垂直，且垂直点位于主梁长度的10％处；斜梁交于主梁和短梁的垂直点，与主梁夹角为30°；

翼膜粘在主梁、短梁及斜梁所构成的平面上；

透气孔为在翼膜上剪裁出的矩形孔，且一条长边与翼膜前缘重合，透气孔中心与翼根的展向距离r_p在0.25r～0.75r的范围内；透气孔长度l_p的取值范围为0.19r～0.44r，r为扑旋翼的展长；透气孔宽度b_p的取值范围为0.25c～0.5c，c为扑旋翼的弦长；

合页为矩形树脂薄膜片，中心与透气孔中心重合，且一条长边与翼前缘重合并粘结在主梁上，其余边自然贴合在翼膜上；合页长度l_h≈1.25l_p，合页宽度b_h≈1.40b_p；合页位于翼膜下方、梁结构上方，通过改变合页的厚度或者材料调节合页的最大打开角度和响应时间；合页最大打开角度α_max在10°至20°之间，响应时间t_s为一个拍动周期的1/16至1/8。

2.如权利要求1所述的一种采用开孔实现增升的扑旋翼，其特征在于：所述的主梁、短梁及斜梁采用碳纤维片制作，翼膜采用双向拉伸聚丙烯薄膜制作。

3.如权利要求1所述的一种采用开孔实现增升的扑旋翼，其特征在于：所述主梁长度的10％是主梁的外伸端。

4.如权利要求1所述的一种采用开孔实现增升的扑旋翼，其特征在于：翼膜的材料选用厚度为0.07mm的双向拉伸聚丙烯薄膜。

5.如权利要求1所述的一种采用开孔实现增升的扑旋翼，其特征在于：扑旋翼的工作原理为：当扑旋翼运动时，合页受到周围气体的作用力与本身运动形成的惯性力，两者合力的方向是周期性变化的；当机翼向上运动时，合页在上下表面压力差的作用下相对于翼膜向下打开，机翼上表面的高压气流通过透气孔流至下表面，实现上下翼面间气体的流动交换，导致上表面的压力减小，同时下表面压力增加，进而降低机翼上下表面的压力差，实现了负升力的卸载；

当机翼向下运动时，合页在上下表面压力差的作用下相对于翼膜具有向上运动的趋势，由于合页尺寸大于透气孔无法穿过翼膜，被压合在翼膜下表面，使得气流无法通过透气孔，因此保持拍动产生的正升力，进而提高平均升力和能量利用率；

平均升力定义:

<mrow> <mover> <mi>L</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msubsup> <mo>&amp;Integral;</mo> <msub> <mi>t</mi> <mn>0</mn> </msub> <msub> <mi>t</mi> <mn>1</mn> </msub> </msubsup> <mi>L</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>d</mi> <mi>t</mi> </mrow> <mrow> <msub> <mi>t</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>t</mi> <mn>0</mn> </msub> </mrow> </mfrac> </mrow>

其中，t₀和t₁分别代表扑旋翼连续两次到达拍动最高点的时刻，L(t)为扑旋翼瞬时的升力值，正值为向上的正升力，负值为向下的负升力；

周期性变化的合力驱动合页不断交替的向下打开或贴合在翼膜从而实现合页的响应与扑旋翼的运动匹配。