CN106043691A - 翼梢开缝的仿生扑动翼 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种翼梢开缝的仿生扑动翼，包括主梁(7)、斜梁(8)、翼肋、薄膜蒙皮(9)和羽毛蒙皮(6)；主梁(7)、斜梁(8)和翼肋构成扑动翼的结构主框架；靠近翼根的框架单元上方覆盖薄膜蒙皮(9)；靠近翼梢的框架单元为由主梁梢部段、斜梁梢部段和第n翼肋根部段围成的三角形框架；第n翼肋的朝向翼梢的外侧覆盖若干根鸟类羽毛作为羽毛蒙皮(6)，羽毛蒙皮(6)的前缘呈后掠状，后缘呈开缝状；羽毛蒙皮(6)的外缘与薄膜蒙皮(9)形成弧形过渡。具有以下优点：本发明提供的翼梢开缝的仿生扑动翼，能够控制翼尖涡的强度和方向，提高扑动翼的气动效率，从而提高飞行能力，且重量轻、可靠性高。

Description

翼梢开缝的仿生扑动翼

技术领域

本发明涉及一种机翼，具体涉及一种翼梢开缝的仿生扑动翼。

背景技术

扑翼飞行器是一种仿生飞行器，模仿自然界的鸟类或昆虫等采用扑动翼进行飞行，具有姿态灵活、仿生性强、隐蔽性好的特点，可以用于执行特殊的安保、监控、侦察等任务。从上世纪九十年代以来，在国际范围内形成了研究热点，各国都投入大量研究，一些代表性的研究成果包括：美国的“蜂鸟”，德国的“海鸥”、“蜻蜓”，荷兰的“Delfly”等，但性能距离实用还有一定的差距，主要体现为飞行时间有限、有效载荷小以及操纵难度大等方面，限制其性能的一个主要原因就是现有的扑翼飞行器的飞行效率较低、功率消耗仍然很大。

目前已经成功飞行的扑翼飞行器大多主要采用平板扑动翼，相关的风洞实验及数值模拟研究均表明平板扑动翼的升力系数较低，飞行中需要的迎角大，会造成阻力的同时增大。另外，扑翼由于结构和重量限制，一般采用碳纤维骨架及薄膜蒙皮的结构，此种结构在飞行速度较快时，翼梢部位会向外后方产生强度较大的翼尖涡，对能量产生了很大的消耗。

例如，中国专利公开号CN100467347C，公开日2009年3月11日，发明创造的名称为一种两段式微型扑翼飞机机翼，该申请案公开了一种微型扑翼飞机的机翼，分为内外两段，外翼段为平面翼型，内翼段为弧度翼型。其不足之处是，内外翼段的主承力结构变化较大，易造成结构破坏，且整体展弦比较大，无法提供较高的扑动频率。

例如，中国专利公开号CN102501972B，公开日2011年11月20日，发明创造的名称为一种微型扑翼机的机翼。该申请案公开了一种翼肋具有一定弯度的扑翼机机翼，主梁和辅助梁形成主支撑结构控制整体刚度，根部翼肋有弯度以产生较大升力，梢部翼肋平直以产生较大推力。其不足之处是，翼梢部位产生的翼尖涡方向为外后向，对能量消耗较大。

为了提高扑翼飞行器的气动效率，出现了一些采用机构对扑动翼进行主动或半主动改变的发明创造，这类扑动翼的结构比较复杂，具有较大重量，功耗大，可靠性差，难以精确控制。

例如，中国专利公开号CN201217500Y，公开日2009年4月8日，发明创造的名称为仿生飞行器机翼，该申请案公开了一种机翼结构，具有贯穿上下表面的减阻孔，内部通过叶片轴铰接。不足之处在于，页片及机构重量很大，对输入功率需求大，开合运动需要精准配合，控制难度大。

再例如，中国专利公开号CN101492094A，公开日2009年7月29日，发明创造的名称为可折两段式扑翼机机翼，该申请案公开了一种可折为两段的扑翼机机翼，由传动曲轴和拉杆配合，在扑翼上下运动的同时产生内外翼段的相对折叠运动。其不足之处是，折叠部位无过渡，破坏了气动性能的连续性，且部件重量大，消耗功率大，可靠性差。

可见，目前已公开的各类扑动翼，具有气动效率低、部件重量大以及可靠性不足等问题。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种翼梢开缝的仿生扑动翼，能够控制翼尖涡的强度和方向，提高扑动翼的气动效率，从而提高飞行能力，且重量轻、可靠性高。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种翼梢开缝的仿生扑动翼，包括主梁(7)、斜梁(8)、翼肋、薄膜蒙皮(9)和羽毛蒙皮(6)；

其中，所述翼肋包括n根，n为大于等于2的自然数；各根翼肋按从翼根向翼梢方向排列，且其前缘点均固定在所述主梁(7)；将从翼根向翼梢方向排列的各根翼肋依次记为第1翼肋、第2翼肋…第n翼肋，第n翼肋与所述主梁(7)的固定点与所述主梁(7)的梢部端点不重合；所述斜梁(8)的外缘点固定于所述主梁(7)的梢部端点，所述斜梁(8)的根部通过所述第1翼肋的后半部分，所述斜梁(8)与各根所述翼肋在相交位置均连接固定；

所述主梁(7)、所述斜梁(8)和n根翼肋构成扑动翼的结构主框架；对于所述结构主框架，以所述第n翼肋为分界，区分为靠近翼根的框架单元和靠近翼梢的框架单元；所述靠近翼根的框架单元上方覆盖所述薄膜蒙皮(9)；所述靠近翼梢的框架单元为由主梁梢部段、斜梁梢部段和第n翼肋根部段围成的三角形框架；所述第n翼肋的朝向翼梢的外侧覆盖若干根鸟类羽毛作为羽毛蒙皮(6)，其中，各根鸟类羽毛布置形状呈扇形，各根鸟类羽毛的根部与所述三角形框架中的主梁梢部段固定，所述鸟类羽毛与三角形框架中的斜梁梢部段在相交位置也连接固定；所述羽毛蒙皮(6)的前缘呈后掠状，后缘呈开缝状；所述羽毛蒙皮(6)的外缘与所述薄膜蒙皮(9)形成弧形过渡。

优选的，n为5。

优选的，所述主梁(7)平直，从根部开始，n根翼肋占据主梁展向长度的70％～90％。

优选的，第1翼肋、第2翼肋…第n-1翼肋均垂直于主梁；第n翼肋与主梁梢部方向成锐角；第1翼肋、第2翼肋…第n-1翼肋长度相等,第n翼肋的长度小于第1翼肋的长度，从而形成机翼平面向梢部方向弧形扩展。

优选的，第1翼肋、第2翼肋…第n-1翼肋为平直翼肋或具有弯度的翼肋；

当第1翼肋、第2翼肋…第n-1翼肋为具有弯度的翼肋时，所述斜梁(8)在对应位置也具有弧度，进而保证所述斜梁(8)与第1翼肋、第2翼肋…第n-1翼肋均具有相交点；

所述第n翼肋平直，与主梁(7)外侧夹角70～90°。

优选的，所述主梁(7)的刚度大于所述斜梁(8)的刚度；所述斜梁(8)的刚度大于各根翼肋的刚度，以在扑动过程中产生一定的结构变形。

优选的，第n翼肋的刚度大于等于其他n-1根翼肋的刚度，进而有助于产生推力。

本发明提供的翼梢开缝的仿生扑动翼具有以下优点：

本发明提供的翼梢开缝的仿生扑动翼，能够控制翼尖涡的强度和方向，提高扑动翼的气动效率，从而提高飞行能力，且重量轻、可靠性高。

附图说明

图1为本发明提供的翼梢开缝的仿生扑动翼的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了克服现有扑动翼气动效率低，结构刚度分布不合理，可靠性差的不足，本发明提供一种翼梢开缝的仿生扑动翼，能够提高扑翼飞行器的气动效率，提高扑动翼的可靠性。研究表明，扑动翼的外缘形状会显著影响翼尖涡的大小以及方向，仿生的翼梢开缝扑动翼采用鸟类羽毛作为外段蒙皮，可以有效控制翼尖涡的大小和方向，从而从根本上改善扑翼飞行器的气动效率，提高飞行能力。

结合图1，本发明提供一种翼梢开缝的仿生扑动翼，包括主梁7、斜梁8、翼肋、薄膜蒙皮9和羽毛蒙皮6；其中，主梁、斜梁和翼肋构成扑动翼的结构主框架。蒙皮分为两部分，以斜梁为分界，在框架上靠近翼根的一侧覆盖薄膜蒙皮，靠近翼梢的外侧覆盖鸟类羽毛作为羽毛蒙皮。

下面分别对结构主框架和蒙皮结构形式分别介绍：

(1)结构主框架

主梁、斜梁和翼肋构成扑动翼的结构主框架。其中，翼肋包括n根，n为大于等于2的自然数；翼肋的具体设置数量，根据仿生扑动翼的规模而定，本发明对此并不限制，在附图中，共设置有5根翼肋；各根翼肋按从翼根向翼梢方向排列，且其前缘点均固定在主梁7；将从翼根向翼梢方向排列的各根翼肋依次记为第1翼肋、第2翼肋…第n翼肋，第n翼肋与主梁7的固定点与主梁7的梢部端点不重合；作为优选方式，主梁7平直，从根部开始，n根翼肋占据主梁展向长度的70％～90％。第1翼肋、第2翼肋…第n-1翼肋均垂直于主梁；第n翼肋与主梁梢部方向成锐角；第1翼肋、第2翼肋…第n-1翼肋长度相等,第n翼肋的长度略小于其他翼肋的长度，从而形成机翼平面向梢部方向弧形扩展。另外，扑动翼中，主梁7的刚度最大，斜梁8的刚度次之，以形成稳固支撑结构；翼肋的刚度最小，以在扑动过程中产生一定的结构变形。

斜梁8的外缘点固定于主梁7的梢部端点，斜梁8的根部通过第1翼肋的后半部分，斜梁8与各根翼肋在相交位置均连接固定；由于第1翼肋、第2翼肋…第n-1翼肋为平直翼肋或具有弯度的翼肋；因此，当第1翼肋、第2翼肋…第n-1翼肋为具有弯度的翼肋时，斜梁8在对应位置也具有弧度，进而保证斜梁8与第1翼肋、第2翼肋…第n-1翼肋均具有相交点；第n翼肋平直，与主梁7外侧夹角70～90°。第n翼肋的刚度等于或略大于其他n-1根翼肋的刚度，进而有助于产生推力。

(2)蒙皮布置形式

主梁7、斜梁8和n根翼肋构成扑动翼的结构主框架；对于结构主框架，以第n翼肋为分界，区分为靠近翼根的框架单元和靠近翼梢的框架单元；靠近翼根的框架单元上方覆盖薄膜蒙皮9；靠近翼梢的框架单元为由主梁梢部段、斜梁梢部段和第n翼肋根部段围成的三角形框架；第n翼肋的朝向翼梢的外侧覆盖若干根鸟类羽毛作为羽毛蒙皮6，羽毛蒙皮部分形成了仿生开缝的效果，扑动过程中允许一定的气流通过，可改变扑动过程产生的翼尖涡的强度及方向，有效减少飞行的阻力，即增加扑翼飞行的推力，同时提高扑动翼的仿生度。其中，各根鸟类羽毛布置形状呈扇形，各根鸟类羽毛的根部与三角形框架中的主梁梢部段固定，鸟类羽毛与三角形框架中的斜梁梢部段在相交位置也连接固定；羽毛蒙皮6的前缘呈后掠状，后缘呈开缝状；羽毛蒙皮6的外缘与薄膜蒙皮9形成弧形过渡。

与现有技术相比，本发明在结构和空气动力学方面获得了如下有益效果：

(1)主梁和斜梁形成三角形主支撑框架结构，使得刚度从翼根部向翼梢部逐渐减小，结构的连续性好，易于加工制作。该种结构使得靠近翼根的部分翼型维持有利于升力，而靠近翼梢的部分扑动运动中可以产生明显的结构变形，有利于推力。

(2)第1～n-1翼肋与主梁垂直，有利于气流从前往后的连续性；第n翼肋倾斜使得翼面布局可以逐渐的过渡到翼梢的羽毛蒙皮部分；羽毛蒙皮与第n翼肋相邻，且外缘与薄膜蒙皮外缘形成椭圆形过渡，有助于气动特性的连续性。

(3)外部羽毛蒙皮的前缘呈后掠状，减小了功率消耗，有助于提高扑动频率；后缘呈开缝状，随着扑动频率的不同，羽毛所受气动力作用不同，开缝具有自适应变化能力；开缝的方向使得产生的翼尖涡较未开缝状态减弱，且开缝翼梢使得翼尖涡向外的指向角度减小；该扑动翼结构使得升力不减的情况下，提高了产生的推力。

(4)外段的羽毛蒙皮质量轻，且由于羽毛来自自然界的鸟类，具有良好的力学性能，自适应能力强，不易损坏，且提高了扑动翼的仿生性。

可见，该扑动翼的结构刚度分布合理，扑动过程中可以提供更大的升力和推力，提高气动效率，获得了升力和推力的良好组合，同时具有重量轻的优点，减小了扑翼飞行器的功率消耗。因此，该扑动翼具有良好的力学特性，且结构简单，易于制作，整体性能优于现有技术。

下面介绍一个具体实施例：

实施例：

本实施例是一副翼梢开缝的仿生扑动翼，包括1号翼肋1、2号翼肋2、3号翼肋3、4号翼肋4、5号翼肋5、羽毛蒙皮6、主梁7、斜梁8、薄膜蒙皮9.

以右扑动翼为例，在实施过程中：

1号翼肋1、2号翼肋2、3号翼肋3、4号翼肋4、5号翼肋5、主梁7、斜梁8为碳纤维增强树脂基复合材料杆件，展弦比取为6，即弦长为翼展的25％，1～4号翼肋长度为10cm，单扑动翼展长为28cm，主梁7长度为20cm；主梁7平直，为2mm直径，五根翼肋1～5的直径为1mm，前缘点固定在主梁7上，1～4号翼肋垂直于主梁6，5号翼肋与主梁6的外段呈70°；1～4号翼肋的长度为10cm，5号翼肋的长度为9.7cm，1～4号翼肋有8％的弯度，5号翼肋平直；1～4号翼肋的间隔为4cm，5号翼肋5与4号翼肋4在主梁上的距离为3cm；斜梁8直径为1.5mm，具有弯度，保证与各条翼肋连接维持形状；主梁与1～5号翼肋、斜梁与1～5号翼肋、主梁与斜梁的外端，均采用浸润胶水的芳纶纤维捆绑。

完成了主框架后，使用聚酯薄膜蒙皮覆盖5号翼肋与斜梁8包覆的内部，用粘接剂连接；再用羽毛蒙皮覆盖5号翼肋的外侧部分，羽毛蒙皮使用了白色鸭的初级飞羽6根，呈扇形均匀分布，最外侧一根羽毛与主梁外侧的角度为30°，最内侧一根羽毛与5号翼肋5平行且略有重叠，每根羽毛的根部均与主梁与斜梁连接，以增强稳固性。主梁与斜梁的根部均超出1号翼肋一定长度，以连接扑翼机的驱动机构或机身。此时，右侧扑动翼制作完成。

左侧扑动翼的制作流程同右侧翼。

经动力学仿真和风洞试验验证知，本实施例制作的扑动翼获得了良好的气动升力和推力的组合，具有突出的综合性能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种翼梢开缝的仿生扑动翼，其特征在于，包括主梁(7)、斜梁(8)、翼肋、薄膜蒙皮(9)和羽毛蒙皮(6)；

其中，所述翼肋包括n根，n为大于等于2的自然数；各根翼肋按从翼根向翼梢方向排列，且其前缘点均固定在所述主梁(7)；将从翼根向翼梢方向排列的各根翼肋依次记为第1翼肋、第2翼肋…第n翼肋，第n翼肋与所述主梁(7)的固定点与所述主梁(7)的梢部端点不重合；所述斜梁(8)的外缘点固定于所述主梁(7)的梢部端点，所述斜梁(8)的根部通过所述第1翼肋的后半部分，所述斜梁(8)与各根所述翼肋在相交位置均连接固定；

所述主梁(7)、所述斜梁(8)和n根翼肋构成扑动翼的结构主框架；对于所述结构主框架，以所述第n翼肋为分界，区分为靠近翼根的框架单元和靠近翼梢的框架单元；所述靠近翼根的框架单元上方覆盖所述薄膜蒙皮(9)；所述靠近翼梢的框架单元为由主梁梢部段、斜梁梢部段和第n翼肋根部段围成的三角形框架；所述第n翼肋的朝向翼梢的外侧覆盖若干根鸟类羽毛作为羽毛蒙皮(6)，其中，各根鸟类羽毛布置形状呈扇形，各根鸟类羽毛的根部与所述三角形框架中的主梁梢部段固定，所述鸟类羽毛与三角形框架中的斜梁梢部段在相交位置也连接固定；所述羽毛蒙皮(6)的前缘呈后掠状，后缘呈开缝状；所述羽毛蒙皮(6)的外缘与所述薄膜蒙皮(9)形成弧形过渡。

2.根据权利要求1所述的翼梢开缝的仿生扑动翼，其特征在于，n为5。

3.根据权利要求1所述的翼梢开缝的仿生扑动翼，其特征在于，所述主梁(7)平直，从根部开始，n根翼肋占据主梁展向长度的70％～90％。

4.根据权利要求1所述的翼梢开缝的仿生扑动翼，其特征在于，第1翼肋、第2翼肋…第n-1翼肋均垂直于主梁；第n翼肋与主梁梢部方向成锐角；第1翼肋、第2翼肋…第n-1翼肋长度相等,第n翼肋的长度小于第1翼肋的长度，从而形成机翼平面向梢部方向弧形扩展。

5.根据权利要求1所述的翼梢开缝的仿生扑动翼，其特征在于，第1翼肋、第2翼肋…第n-1翼肋为平直翼肋或具有弯度的翼肋；

当第1翼肋、第2翼肋…第n-1翼肋为具有弯度的翼肋时，所述斜梁(8)在对应位置也具有弧度，进而保证所述斜梁(8)与第1翼肋、第2翼肋…第n-1翼肋均具有相交点；

所述第n翼肋平直，与主梁(7)外侧夹角70～90°。

6.根据权利要求1所述的翼梢开缝的仿生扑动翼，其特征在于，所述主梁(7)的刚度大于所述斜梁(8)的刚度；所述斜梁(8)的刚度大于各根翼肋的刚度，以在扑动过程中产生一定的结构变形。

7.根据权利要求1所述的翼梢开缝的仿生扑动翼，其特征在于，第n翼肋的刚度大于等于其他n-1根翼肋的刚度，进而有助于产生推力。