CN107472527B - 一种利用形状记忆合金驱动收放的扑翼 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用记忆合金驱动收放的扑翼，包括框架、翼膜、电源及控制器；所述框架由形状记忆合金制成，并在通电和断电条件下呈现不同的形状，所述的翼膜由柔性材料制成，设于框架所形成的平面上，所述的控制器控制电源实现对框架的通电和断电，所述的框架在断电状态下形成展开的平面或曲面，扑翼呈现展开状态，在通电状态下卷曲收紧，扑翼呈现收起状态，翼膜与框架同步收放同步；在飞行状态下，翼膜和框架作为升力面，用于扑翼高频拍动下产生气动升力，本发明显著减小飞行器的整体尺寸，增强其隐蔽性能，机构装置简单，容易加工装配。

Description

一种利用形状记忆合金驱动收放的扑翼

技术领域

本发明涉及飞行器领域，具体来说是一种利用形状记忆合金薄片驱动扑翼进行收放动作的机构设计。

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，以及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呈现出广泛的应用前景，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。

目现阶段，微型扑翼飞行器是微型飞行器研制的主要方向。目前发明的扑翼飞行器，其扑翼大多直接安装在飞行器两侧，这使得当飞行器处于地面运动或者停歇状态时，飞行器整体尺寸较大，使得当飞行器执行情报窃取任务时其隐蔽性较差，易被侦察目标察觉。为此，有必要设计一套扑翼收放机构，有效减小飞行器在非工作状态时的尺寸。

发明内容

本发明旨于解决现有扑翼飞行器的扑翼直接安装在机身两侧所引起的处于非工作状态时飞行器整体尺寸较大的问题，因此以形状记忆合金薄片作为驱动元件，设计了一套能够将扑翼按需求收放的结构。在本发明中，当飞行器处于地面状态时，扑翼卷起，据此减小该状态下飞行器的整体尺寸；当飞行器需要进入飞行状态、执行任务时，扑翼展开并在飞行器拍动机构的带动下实现高频拍动运动，产生飞行所需的升力，实现飞行。

本发明完整的技术方案包括：一种利用形状记忆合金驱动收放的扑翼，包括框架、翼膜、电源及控制器；所述框架由形状记忆合金制成，并在通电和断电条件下呈现不同的形状，所述的翼膜由柔性材料制成，设于框架所形成的平面上，所述的控制器控制电源实现对框架的通电和断电。

所述的框架在断电状态下形成展开的平面或曲面，扑翼呈现展开状态，在通电状态下卷曲收紧，扑翼呈现收起状态。

或者，所述的框架在通电状态下形成展开的平面或曲面，扑翼呈现展开状态，在断电状态下卷曲收紧，扑翼呈现收起状态。

还包括固定装置，所述固定装置固定框架的自由端，并连接框架与拍动装置。

所述的固定装置由轻质非导电材料制成，分为左右两片，每片的一端开有凹槽，借助螺栓固定框架的两自由端，另一端有圆柱孔与拍动装置相连。

优选的，所述的轻质非导电材料为碳纤维或塑料。

还包括导线，所述的框架通过导线与电源及控制器形成闭合回路，并通过控制器控制框架通断电。

所述的框架沿翼根至翼尖的展向方向厚度逐渐减小；优选的，沿翼根至翼尖的展向方向厚度线性减小为1/2。

所述框架，在相同展向位置的后缘厚度相比同展向位置的前缘合金厚度小；优选的，后缘厚度为同展向位置的前缘合金厚度的1/2。

所述的翼膜采用聚乙烯薄膜制作,张紧粘贴在框架所构成的平面或曲面上。

翼膜与框架同步收放同步；在飞行状态下，翼膜和框架作为升力面，用于扑翼高频拍动下产生气动升力。

电源采用锂电池。

本发明的扑翼框架由形状记忆合金薄片制成，在通电和断电条件下具有两种形状。第一种是当扑翼飞行时(即扑翼打开状态)，处于断电状态的合金薄片沿扑翼外沿围成平面框架的形状，或者，在通电状态下形成展开的平面或曲面，扑翼呈现展开状态，在断电状态下卷曲收紧，扑翼呈现收起状态。框架的两端均处于扑翼根部；第二种形状是当扑翼处于地面状态 (即扑翼收起状态)时，合金薄片形成的框架通电卷曲收起。为使框架一方面能够承受扑翼高频拍动时的气动力，满足结构承载要求保证扑翼不发生破坏，另一方面又能够产生弦向柔性变形，将框架曲线的两端用非导电固定装置固定，形成闭合回路。另外，形状记忆合金薄片框架的厚度采用沿弦向和展向线性变化的设计方案，沿展向方向，框架沿扑翼根部至翼尖的厚度线性减小至1/2；沿弦向方向，同展向位置的后缘厚度为前缘厚度的1/2。框架两端通过导线分别与电源的正负极相连，通过通、断电实现合金的马氏体和奥氏体之间发生相变引起框架在两种形状之间的转换。

固定装置采用轻质非导电材料，如碳纤维或塑料，一方面用于采用螺栓固定扑翼框架的两端，另一方面与拍动装置相连，驱动扑翼飞行状态下拍动。

电源采用锂电池，配合控制器实现框架通放电，从而驱动框架和翼膜在地面和飞行两种工作状态下打开和收放。

本发明的优点在于：

(1)本发明中设计的一种利用形状记忆合金驱动收放的扑翼，能够实现扑翼在飞行状态下打开，产生升力，而在地面状态下能够收起，减小飞行器的整体尺寸，增强其隐蔽性能。

(2)本发明中设计的一种利用形状记忆合金驱动收放的扑翼，机构装置简单，容易加工、装配。

附图说明

图1是本发明一种利用形状记忆合金驱动收放的扑翼展开状态的示意图；

图2是本发明一种利用形状记忆合金驱动收放的扑翼固定装置的示意图；

图3是本发明一种利用形状记忆合金驱动收放的扑翼收起状态的示意图；

图中：1-框架，2-固定装置，3-翼膜，4-导线，5-电源，6-控制器。

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。

一种利用形状记忆合金驱动收放的扑翼，依靠形状记忆合金薄片在通电状态下能够恢复原有形状的原理实现扑翼收放。当飞行器需要飞行时，将形状记忆合金薄片断电处于初始状态，合金薄片展开驱动扑翼展开；而当飞行器飞行状态结束、回至地面状态后，将形状记忆合金通电，使得形状记忆合金框架恢复成收缩形状，扑翼卷起，使得飞行器地面状态下尺寸缩小，以此大幅缩小飞行器的尺寸。

工作原理具体为：扑翼框架由形状记忆合金做成，其在通电和断电状态呈现两种形状，对上述两种状态下框架的形状进行设计实现扑翼收放的目标。当扑翼在空中状态下工作时，此时扑翼框架形状记忆合金处于断电状态，扑翼框架及粘贴其上的翼膜展开，而当扑翼在地面状态下时，扑翼框架形状记忆合金处于通电状态，扑翼框架及其上粘贴的翼膜卷起。

实施例：

一种利用形状记忆合金驱动收放的扑翼如图1所示，包括框架1、固定装置2、翼膜3、导线4、电源5及控制器6。

扑翼框架1由形状记忆合金制成，在通电和断电条件下具有两种形状。框架1通过导线 4与电源5及控制器6形成闭合回路，通过控制器6控制框架通断电。通过通电与断电，使得框架1形状记忆合金产生不同的形状驱动扑翼收放。断电状态下框架1形状如图1所示，此时框架1形成一条平面曲线，框架1曲线的两端集中在扑翼根部。通电状态下框架1形状如图3所示，框架1卷曲收紧并紧贴在所应用的飞行器机身表面。框架1的两自由端用非导电固定装置2固定，形成闭合回路。框架1形状记忆合金厚度沿弦向和展向设置变化，即沿翼根至翼尖的展向方向厚度逐渐减小，且相同展向位置的后缘厚度相比同展向位置的前缘合金厚度小一倍，以使得扑翼在飞行状态下高频拍动时产生展向和弦向柔性变形。框架1两自由端通过导线4分别与电源5的正负极相连，在控制器6控制下实现通、断，驱动框架在两种形状之间的转换。

固定装置2如图2所示，采用轻质非导电材料(如碳纤维或塑料)制成。分为左右两片，每片的一端开有凹槽，借助螺栓固定框架1的两自由端，另一端有圆柱孔与拍动装置相连，使得飞行状态下框架能够产生拍动运动。

翼膜3采用聚乙烯薄膜制作,张紧粘贴在框架1所构成的平面或曲面上。翼膜3与框架1 同步收放同步。在飞行状态下，翼膜3和框架1作为升力面，用于扑翼高频拍动下产生气动升力。

电源5采用锂电池，配合控制器6实现框架1的通、断电，从而驱动框架1和翼膜2在地面和飞行两种工作状态下收放。

一种带攻角控制装置的扑旋翼的具体安装过程为：

步骤1、加工扑翼框架1；

采用形状记忆合金薄片加工扑翼框架，使其在通、断电条件下呈现初始形状和收缩形状两种，使其符合：断电状态下，框架1呈现初始形状，为一条平面曲线，曲线两自由端在扑翼根部；通电状态下，框架1呈现收缩形态，框架1卷曲收起。对框架1形状记忆合金厚度进行加工，产生沿弦向和展向方向的厚度变化，沿翼根至翼尖的展向方向厚度线性减小为1/2 且相同展向位置的后缘厚度相比同展向位置的前缘合金厚度小一倍，从而既保证框架在拍动过程中能够承受翼上的气动力，又能够产生柔性变形增强翼的气动特性。

步骤2、制作扑翼；

利用3D打印等技术加工非导电的固定装置2。按照框架形状裁剪翼膜3，并将翼膜粘贴在框架1表面。将框架1的两自由端利用螺栓连接方式固定在固定装置2上，利用导线4与电源5及控制器6连接成闭合回路。

步骤3、扑翼收放测试

将固定装置2另一端与扑翼拍动机构固连。地面状态下，通过控制器6控制实现框架1 通电，此时框架1带动其上的翼膜3卷起；进入飞行状态前，通过控制器6控制实现框架1断电，此时框架1带动其上的翼膜3展开，利用拍动机构带动扑翼拍动产生升力，实现飞行器起降及空中机动。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (7)

1.一种利用记忆合金驱动收放的扑翼，其特征在于，包括框架、固定装置、翼膜、电源及控制器；所述框架由形状记忆合金制成，并在通电和断电条件下呈现不同的形状; 所述的翼膜由柔性材料制成，设于框架所形成的平面上，张紧粘贴在框架所构成的平面或曲面上；所述的控制器控制电源实现对框架的通电和断电;

所述的框架在断电状态下形成展开的平面或曲面，扑翼呈现展开状态，在通电状态下卷曲收紧，扑翼呈现收起状态；或者，所述的框架在通电状态下形成展开的平面或曲面，扑翼呈现展开状态，在断电状态下卷曲收紧，扑翼呈现收起状态;

所述的框架沿翼根至翼尖的展向方向厚度逐渐减小；

所述翼膜与框架同步收放，在飞行状态下，翼膜和框架作为升力面，用于扑翼高频拍动下产生气动升力；

所述固定装置固定框架的自由端，并连接框架与拍动装置。

2.根据权利要求1所述的一种利用记忆合金驱动收放的扑翼，其特征在于，所述的固定装置由轻质非导电材料制成，分为左右两片，每片的一端开有凹槽，借助螺栓固定框架的两自由端，另一端有圆柱孔与拍动装置相连，所述的轻质非导电材料为碳纤维或塑料。

3.根据权利要求1所述的一种利用记忆合金驱动收放的扑翼，其特征在于，还包括导线，所述的框架通过导线与电源及控制器形成闭合回路，并通过控制器控制框架通断电。

4.根据权利要求1所述的一种利用记忆合金驱动收放的扑翼，其特征在于，所述的框架厚度沿翼根至翼尖的展向方向线性减小为1/2。

5.根据权利要求1所述的一种利用记忆合金驱动收放的扑翼，其特征在于，所述框架，在相同展向位置的后缘厚度相比同展向位置的前缘合金厚度小；后缘厚度为同展向位置的前缘合金厚度的1/2。

6.根据权利要求1所述的一种利用记忆合金驱动收放的扑翼，其特征在于，所述翼膜采用聚乙烯薄膜制作。

7.根据权利要求1所述的一种利用记忆合金驱动收放的扑翼，其特征在于，所述电源采用锂电池。

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