CN106043691B - 翼梢开缝的仿生扑动翼 - Google Patents
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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
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6,1~4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 (1)
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),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;
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;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%;
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;翼肋的刚度最小,以在扑动过程中产生一定的结构变形;
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;
其中,n为5;
其中,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°;
具体的,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);
对于右扑动翼,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6,1~4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(7),5号翼肋与主梁(7)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。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
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CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20171121 |
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