CN107554781B - 一种用于微型扑旋翼飞行器的弹性铰翼及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种用于微型扑旋翼飞行器的弹性铰翼及制作方法，属于飞行器设计领域。本发明公开的一种用于微型扑旋翼飞行器的弹性铰翼包括平板扑翼、总主梁、弹性铰和隔挡次梁；平板扑翼包括平板扑翼主梁、次梁、斜次梁和翼膜；弹性铰采用具有较高耐冲击性、机械性质强韧、弹性适中的材料；弹性适中指在弹性铰翼上方施加空气载荷时弹性铰容易发生弯曲变形，弹性铰的弯曲变形使得平板扑翼产生大攻角；但未施加外载荷时弹性铰保持平面，不会因为平板扑翼的重力而弯曲变形。本发明还公开一种用于微型扑旋翼飞行器的弹性铰翼制作方法。本发明要解决的技术问题是提供一种能够在上扑过程中产生大攻角减小负升力的弹性铰翼，具有能源利用率高和柔性大的优点。

Description

一种用于微型扑旋翼飞行器的弹性铰翼及制作方法

技术领域

本发明涉及一种用于微型扑旋翼飞行器的弹性铰翼及制作方法，属于飞行器设计领域。

背景技术

微型飞行器体积小、携带方便，具有良好的机动性和隐蔽性，广泛应用于军事和民用领域。按照其飞行方式和布局，微型飞行器可分为：微型固定翼飞行器、微型旋翼飞行器和微型扑翼飞行器。微型固定翼飞行器飞行速度快，结构稳定性高，但无法低速飞行和悬停；微型旋翼飞行器可垂直起降、悬停，但速度较慢、噪音相对明显；微型扑翼飞行器是根据仿生学原理设计的飞行器，既可垂直起降，又可高速飞行，与固定翼和旋翼相比具有更高的气动效率。而微型扑旋翼飞行器是一种将扑翼和旋翼结合的新概念飞行器，具有垂直起降、悬停、无需输入扭矩、无需尾桨或其他平衡机身扭转矩的装置等优点，拥有十分美好的发展前景。

微型扑旋翼飞行器具有诸多优点，但现阶段常用于微型扑旋翼飞行器的平板扑翼具有以下技术问题：

(1)上拍阶段负升力问题：传统的平板扑翼上拍过程中容易出现攻角不足的现象，使得负升力较大，导致效率较低，无法达到高升力；

(2)拍动幅度小，升力不足：通常的扑旋翼机翼刚性较大，扑动时产生的拍动幅度较小，导致扑旋翼产生升力不足；

综上所述，需要设计一种具有一定柔性、在扑动飞行过程中，平均升力高，能源利用效率高的扑旋翼机翼。

发明内容

针对现有技术中微型扑旋翼飞行器存在的上述技术问题，本发明公开的一种用于微型扑旋翼飞行器的弹性铰翼及制作方法，要解决的技术问题是提供一种能够在上扑过程中产生大攻角减小负升力的弹性铰翼，且具有能源利用率高和柔性大的优点。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明公开的一种用于微型扑旋翼飞行器的弹性铰翼包括平板扑翼、总主梁、弹性铰和隔挡次梁。平板扑翼包括平板扑翼主梁、次梁、斜次梁和翼膜。平板扑翼主梁和次梁、斜次梁共面，平板扑翼主梁和次梁垂直，斜次梁根部与次梁根部相交，斜次梁根部与次梁根部的交点位于平板扑翼主梁上，且距离平板扑翼主梁根部长度为平板扑翼主梁全长的2％～40％，斜次梁与平板扑翼主梁夹角在30°～60°之间。平板扑翼主梁、次梁和斜次梁固定连接，形成平板扑翼骨架。翼膜粘接在平板扑翼主梁、次梁和斜次梁所在的平面上。

弹性铰采用具有较高耐冲击性、机械性质强韧、弹性适中的材料。弹性铰的长度为平板扑翼主梁长度的5％～10％，弹性铰翼的长宽比为3～5，弹性铰与总主梁和平板扑翼主梁固定连接，弹性铰与总主梁相交处距离总主梁翼根长度为总主梁的20％～40％。隔挡次梁为固定在总主梁上表面的弦向短梁，隔挡次梁在弹性铰翼下拍时起到防止弹性铰翼过度翻转的作用，弹性铰与平板扑翼主梁相交处距平板扑翼主梁根部的距离为平板扑翼主梁的20％～40％。

所述的较高耐冲击性指弹性铰具有抵抗冲击载荷的能力；

所述的机械性质强韧指弹性铰具有足够的强度和韧性；

所述的弹性适中指在弹性铰翼上方施加空气载荷时弹性铰容易发生弯曲变形，弹性铰的弯曲变形使得平板扑翼产生大攻角；但未施加外载荷时弹性铰保持平面，不会因为平板扑翼的重力而产生弯曲变形。弹性铰优选聚丙烯(PP)塑料。

当弹性铰翼向上扑动时，总主梁向上运动，与总主梁通过弹性铰相连的平板扑翼主梁随总主梁和弹性铰向上运动。由于平板扑翼受到空气载荷的作用，弹性铰弯曲，平板扑翼后缘向上运动的幅度相对平板扑翼前缘运动的幅度较小，即产生大攻角，进而减小弹性铰翼上拍过程中的负升力。

隔挡次梁优选碳纤维杆制作，隔挡次梁与总主梁固定连接。隔挡次梁与平板扑翼在无外力作用时接触但不固定连接。隔挡次梁在弹性铰翼下拍时起到防止平板扑翼受空气阻力而过度翻转的作用，在上拍过程中不起作用。

平板扑翼主梁、次梁和斜次梁固定连接，连接方式优选粘接固定。

平板扑翼主梁采用较高刚度、弹性适宜，且具有较低密度的材料制作，优选碳纤维杆；次梁和斜次梁采用弹性模量较低、密度较低的材料，优选PC塑料片；翼膜采用具有一定强度、密度小的材料，优选PVC薄膜制作。所述选材方式，用于保证平板扑翼具有质量小，展向刚度足够，弦向柔性大的优点。

总主梁长度为平板扑翼主梁长度的60％～100％，采用与平板扑翼主梁相同的材料制作。

本发明公开的一种用于微型扑旋翼飞行器的弹性铰翼的工作方法为：在不施加外力状态下，将总主梁根部固定，弹性铰翼的平板扑翼、总主梁、弹性铰和隔挡次梁几乎处于同一平面内。在弹性铰翼上方施加空气载荷，可观察到弹性铰弯曲，平板扑翼向下倾斜运动；停止施加空气载荷，弹性铰恢复原状，平板扑翼回到初始位置。

对弹性铰翼施加驱动，使弹性铰翼进行旋转和上下扑动。当弹性铰翼向上扑动时，总主梁向上运动，与总主梁通过弹性铰相连的平板扑翼主梁随总主梁向上运动。由于平板扑翼受到空气载荷的作用，使得平板扑翼后部向上运动的幅度相对平板扑翼前部运动的幅度较小，即产生大攻角，进而减小弹性铰翼上拍过程中的负升力。

在弹性铰翼下拍时，空气的作用使得平板扑翼有相对向上的运动趋势，而隔挡次梁阻碍其向上运动，从而避免弹性铰翼在下拍时由于弹性铰刚度较小而造成的过度上翻。

弹性铰翼在上拍过程中，负升力减小，下拍过程中，负升力与传统的平板扑翼差别不大，具有能源利用率高的优点。

本发明中在对平板扑翼的选材中，次梁和斜次梁选用杨氏模量较低的材料，保证展向刚度的同时，具有弦向柔性大的优点。

本发明公开的一种用于微型扑旋翼飞行器的弹性铰翼优选如下方法制作，包括如下步骤：

步骤1、材料准备；使用保证展向刚度的材料制作平板扑翼主梁和总主梁，使用保证弦向柔性大的材料制作次梁和斜次梁，使用弹性适中的材料制作弹性铰，制作若干隔挡次梁；

步骤2、将次梁和斜次梁按设计角度固定在平板扑翼主梁上，形成平板扑翼骨架；

步骤3、根据平板扑翼骨架裁剪出平板扑翼翼膜；

步骤4、将裁剪好的翼膜粘接在平板扑翼骨架的下表面，使得弹性铰翼在上拍时，翼膜拉扯住次梁而减小翻角，而在下拍时，翼膜不会阻止次梁与翼面的攻角；

步骤5、将弹性铰的两端分别固定在平板扑翼主梁和总主梁上；

步骤6、将隔挡次梁粘接在总主梁上，并使隔挡次梁位于平板扑翼的上方。至此，完成弹性铰翼的安装制作。

有益效果：

1、本发明公开的一种用于微型扑旋翼飞行器的弹性铰翼，由于弹性铰弹性适中，具有下述特性：在弹性铰翼上方施加空气载荷时，弹性铰容易发生弯曲变形，通过弹性铰弯曲变形与平板扑翼的配合产生大攻角；但未施加外载荷时弹性铰保持平面，不会因为平板扑翼的重力而产生弯曲变形；从而，弹性铰翼在上拍阶段能够产生大攻角翻转，使得上拍阶段的负升力大幅度地减小；而在下拍阶段时由于隔挡次梁的阻碍，翼面并未发生过度翻转，与弹性铰翼的设计理想状态基本一致，从而提高弹性铰翼在一个扑动周期内的平均升力。

2、本发明公开的一种用于微型扑旋翼飞行器的弹性铰翼，弹性铰翼上拍阻力较小，下拍阻力与平板扑翼无明显区别。考虑到空气阻尼，则弹性铰翼在一个周期内所受的平均阻力也就更小，弹性铰翼的扑动幅度更大，升力也就越大。因此，能够产生较高的升力。

3、本发明公开的一种用于微型扑旋翼飞行器的弹性铰翼，上拍阶段负升力减小，下拍阶段阻力与传统的平板扑翼并无明显区别，具有能源利用率高的优点。在对平板扑翼的选材中，次梁和斜次梁选用杨氏模量较低的材料，具有弦向柔性大的优点。

附图说明

图1为实施例1的一种用于微型扑旋翼飞行器的弹性铰翼设计图；

图2为弹性铰翼上拍阶段的设计图；

图3为弹性铰翼上拍阶段的侧视图；

图4为弹性铰翼和平板扑翼在攻角为10°时不同频率下的平均升力对比图；

图5为弹性铰翼和平板扑翼在攻角为15°时不同频率下的平均升力对比图；

图6为弹性铰翼在最优工况下的高速摄影图像；

图7为平板扑翼在最优工况下的高速摄影图像；

图中：1-平板扑翼、2-总主梁、3-弹性铰、4-隔挡次梁；101-平板扑翼主梁、102-次梁、103-斜次梁、104-翼膜。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的实施范围不限于下述的实施例。

攻角定义为翼型前后缘连线与水平位置的夹角，翼前缘高于翼后缘时为正，反之为负。本实施例中攻角值的测量位置为上下拍中点的攻角。

实施例：

本实施例公开的一种适用于微型扑旋翼飞行器的弹性铰翼如图1所示，包括平板扑翼1、总主梁2、弹性铰3和隔挡次梁4。

平板扑翼模型包括平板扑翼主梁101、次梁102、斜次梁103和翼膜104。

平板扑翼主梁101采用厚度为0.25mm的碳纤维材料，次梁102、斜次梁103采用PC塑料片，翼膜104采用0.02mm厚的PVC薄膜。

平板扑翼主梁101、次梁102和斜次梁103共面，形成平板扑翼1的机翼骨架，次梁102与平板扑翼主梁101垂直，次梁102、斜次梁103交于平板扑翼主梁101上的一点，斜次梁103与平板扑翼主梁101的夹角在30°:60°之间，三根梁的交点与平板扑翼主梁101根部距离为平板扑翼主梁101总长的2％～40％之间，斜次梁103长度为平板扑翼主梁101长度的70％。

翼膜104粘接在平板扑翼主梁101、次梁102和斜次梁103所在的平面上。

总主梁2采用0.25mm的碳纤维片制成，长度为平板扑翼主梁101的70％～80％，保证了扑旋翼展向方向的刚度。

弹性铰3采用一种具有较高的耐冲击性、机械性质强韧的耐冲击塑料片，本实施例中采用聚丙烯(PP)塑料，其长度为平板扑翼主梁101长度的5％～10％，弹性铰3的长宽比约为4:1。

弹性铰3与平板扑翼主梁101在H点粘接，与总主梁2在G点粘接。

隔挡次梁4采用φ0.5的碳纤维杆制成，长度为总主梁2长度的1/3。

隔挡次梁4与总主梁2在C、E点分别粘接，与平板扑翼1无外力施加时接触但不粘接。

本实施例公开的一种用于微型扑旋翼飞行器的弹性铰翼选如下方法制作：

步骤1、材料准备：两根尺寸分别为100mm×1.5mm×0.25mm和80mm×1.5mm×0.25mm的碳纤维片作为平板扑翼主梁101和弹性铰翼的总主梁2，两根尺寸分别为40mm×5mm×0.25mm和70mm×5mm×0.25mm的PC塑料片分别作为次梁102和斜次梁103，尺寸参数为8mm×2mm×0.2mm的聚丙烯(PP)塑料为弹性铰3和两根φ0.5长度为30mm的碳纤维杆作为弹性铰翼的隔挡次梁4；

步骤2、在距离平板扑翼主梁101根部10mm处，将次梁102和斜次梁103按设计角度粘接在平板扑翼主梁101上，形成平板扑翼骨架；

步骤3、按照平板扑翼骨架采用厚度0.02mm的PVC薄膜裁剪出平板扑翼1的翼膜104；

步骤4、将裁剪好的翼膜104粘接在平板扑翼骨架的下表面，这样在上拍时，翼膜104可拉扯住次梁102和斜次梁103而减小翻角；而在下拍时，翼膜104不会阻止次梁102和斜次梁103与翼面的正扭转角；

步骤5、将弹性铰3的两端分别粘接在平板扑翼主梁101的H点处和总主梁2的G点处，本实例中G点到总主梁2根部的长度为30mm，H点到平板扑翼主梁101根部的长度为20mm；

步骤6、将隔挡次梁4粘接在总主梁2的C点和E点处，本实施例中AC＝20mm，AE＝80mm，并使两隔挡次梁4位于平板扑翼1的上方。由此，完成弹性铰翼的安装。

为证明弹性铰翼相比于传统的平板扑翼具有高升力的优点，采用试验方法来证明，具体分为三部分：

(1)将弹性铰翼与平板扑翼各以10°的预制攻角安装到驱动机构上，完成整机装配。将扑旋翼安装在传感器上，测得初始零位，将信号发生器的频率分别调整为8、10、12和15Hz，让功率放大器的电压保持在3V，分别记录弹性铰翼和平板扑翼的升力数据。随后，将它们的攻角调整为15°，采用同样的方法记录升力数据。该试验重复两次。

试验测得的结果如图4、5所示。

通过试验结果可以发现，弹性铰翼在较低输入频率时相对于传统的平板扑翼具有较高的平均气动升力。当弹性铰翼为10°预制攻角，输入频率为8～10Hz时，平均升力为20mN左右，而所测的平板扑翼的最大平均升力为16mN，弹性铰翼平均升力提高了30％。而输入频率较高时，弹性铰翼的平均升力特性不如平板扑翼，说明弹性铰翼具有低频高升力特性。

(2)挑选两种机翼升力较大工况，对于平板扑翼选择15°预制攻角10Hz输入频率，弹性铰翼选择10°预制攻角8Hz输入频率的工况。对升力较大的工况进行高速摄影与升力测量，记录机翼的运动参数，得到的弹性铰翼和平板扑翼扑动幅度和攻角的变化分别如图6、7所示。

根据高速摄影图片，能够发现弹性铰翼上拍阶段产生约52°的大攻角翻转，而在下拍阶段由于隔挡次梁的阻碍，翼面并未发生过度上翻，与弹性铰翼的设计理想状态基本一致。

弹性铰翼上拍时的大攻角翻转，使得上拍阶段的负升力大幅度减小，从而提升了弹性铰翼的平均升力。

弹性铰翼上拍扑动幅度为30°远大于平板扑翼15°的上拍幅度，而弹性铰翼的下拍幅度为24°略大于平板扑翼的17°的扑动幅度。弹性铰翼上拍阻力较平板扑翼小，而下拍阻力与平板扑翼并无明显区别。因此，在一个周期内，弹性铰翼所受的平均阻尼较小，使得弹性铰翼的扑动幅度较大。由于相同转速、相同攻角变化下，机翼扑动幅度越大，升力越大，认为低频状态下，弹性铰翼能够产生高升力。

(3)将机翼完全竖直安装在驱动机构上，以使机翼在上下扑动时不产生气动力。通过调整电压使竖直机翼扑动幅度与之前所测扑动幅度完全一致，并保证输入频率一致，对扑旋翼整机进行升力测量，得到运动产生的惯性力。之前的升力包括惯性力和纯升力，统一相位下相减，得到弹性铰翼和平板扑翼的纯升力。同时，采用基于涡面元法的气动力计算程序进行理论求解，得到弹性铰翼和平板扑翼的纯平均升力对比如下表所示。

读表可知，弹性铰翼在低频下较传统的平板扑翼具有更高的气动升力。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于微型扑旋翼飞行器的弹性铰翼，其特征在于：包括平板扑翼(1)、总主梁(2)、弹性铰(3)和隔挡次梁(4)；平板扑翼(1)包括平板扑翼主梁(101)、次梁(102)、斜次梁(103)和翼膜(104)；平板扑翼主梁(101)和次梁(102)、斜次梁(103)共面，平板扑翼主梁(101)和次梁(102)垂直，斜次梁(103)根部与次梁(102)根部相交，斜次梁(103)根部与次梁(102)根部的交点位于平板扑翼主梁(101)上，且距离平板扑翼主梁(101)根部长度为平板扑翼主梁(101)全长的2％～40％，斜次梁(103)与平板扑翼主梁(101)夹角在30°～60°之间；平板扑翼主梁(101)、次梁(102)和斜次梁(103)固定连接，形成平板扑翼(1)骨架；翼膜(104)粘接在平板扑翼主梁(101)、次梁(102)和斜次梁(103)所在的平面上；

弹性铰(3)采用具有较高耐冲击性、机械性质强韧、弹性适中的材料；弹性铰(3)的长度为平板扑翼主梁(101)长度的5％～10％，弹性铰(3)的长宽比为3～5，弹性铰(3)与总主梁(2)和平板扑翼主梁(101)固定连接，弹性铰(3)与总主梁(2)相交处距离总主梁(2)翼根长度为总主梁(2)的20％～40％；隔挡次梁(4)为固定在总主梁(2)上表面的弦向短梁，隔挡次梁(4)在弹性铰翼下拍时起到防止平板扑翼(1)过度翻转的作用，弹性铰(3)与平板扑翼主梁(101)相交处距平板扑翼主梁(101)根部的距离为平板扑翼主梁(101)的20％～40％。

2.如权利要求1所述的一种用于微型扑旋翼飞行器的弹性铰翼，其特征在于：

所述的较高耐冲击性指弹性铰(3)具有抵抗冲击载荷的能力；

所述的机械性质强韧指弹性铰(3)具有足够的强度和韧性；

所述的弹性适中指在弹性铰(3)上方施加空气载荷时弹性铰(3)容易发生弯曲变形，弹性铰(3)的弯曲变形使得平板扑翼(1)产生大攻角；但未施加外载荷时弹性铰(3)保持平面，不会因为平板扑翼(1)的重力而产生弯曲变形；

弹性铰(3)选聚丙烯(PP)塑料。

3.如权利要求1或2所述的一种用于微型扑旋翼飞行器的弹性铰翼，其特征在于：隔挡次梁(4)选碳纤维杆制作，隔挡次梁(4)与总主梁(2)固定连接；隔挡次梁(4)与平板扑翼(1)在无外力作用时接触但不粘接；隔挡次梁(4)在弹性铰翼下拍时起到防止平板扑翼(1)受空气阻力而过度翻转的作用，在上拍过程中不起作用。

4.如权利要求1或2所述的一种用于微型扑旋翼飞行器的弹性铰翼，其特征在于：平板扑翼主梁(101)、次梁(102)和斜次梁(103)固定连接，连接方式为粘接固定。

5.如权利要求1或2所述的一种用于微型扑旋翼飞行器的弹性铰翼，其特征在于：平板扑翼主梁(101)采用较高刚度、弹性适宜，且具有较低密度的材料制作，选碳纤维杆；次梁(102)和斜次梁(103)采用弹性模量较低、密度较低的材料，选PC塑料片；翼膜(104)采用具有一定强度、密度小的材料，选PVC薄膜制作。

6.如权利要求1或2所述的一种用于微型扑旋翼飞行器的弹性铰翼，其特征在于：总主梁(2)长度为平板扑翼主梁(101)长度的60％～100％，采用与平板扑翼主梁(101)相同的材料制作。

7.如权利要求1或2所述的一种用于微型扑旋翼飞行器的弹性铰翼，其特征在于：选如下方法制作：

步骤1、材料准备；使用保证展向刚度的材料制作平板扑翼主梁(101)和总主梁(2)，使用保证弦向柔性大的材料制作次梁(102)和斜次梁(103)，使用弹性适中的材料制作弹性铰(3)，制作若干隔挡次梁(4)；

步骤2、将次梁(102)和斜次梁(103)按设计角度固定在平板扑翼主梁(101)上，形成平板扑翼(1)骨架；

步骤3、根据平板扑翼(1)骨架裁剪出平板扑翼翼膜(104)；

步骤4、将裁剪好的翼膜(104)粘接在平板扑翼(1)骨架的下表面，使得弹性铰翼在上拍时，翼膜(104)拉扯住次梁而减小翻角，而在下拍时，翼膜(104)不会阻止次梁与翼面的攻角；

步骤5、将弹性铰(3)的两端分别固定在平板翼主梁(101)和总主梁(2)上；

步骤6、将隔挡次梁(4)粘接在总主梁(2)上，并使隔挡次梁(4)位于平板扑翼(1)的上方；至此，完成弹性铰翼的安装制作。

8.如权利要求1或2所述的一种用于微型扑旋翼飞行器的弹性铰翼，其特征在于：工作方法为，

在不施加外力状态下，将总主梁(2)根部固定，弹性铰翼的平板扑翼(1)、总主梁(2)、弹性铰(3)和隔挡次梁(4)几乎处于同一平面内；在弹性铰翼上方施加空气载荷，可观察到弹性铰(3)弯曲，平板扑翼(1)向下倾斜运动；停止施加空气载荷，弹性铰(3)恢复原状，平板扑翼(1)回到初始位置；

对弹性铰翼施加驱动，使弹性铰翼进行旋转和上下扑动；当弹性铰翼向上扑动时，总主梁(2)向上运动，与总主梁(2)通过弹性铰(3)相连的平板扑翼主梁(101)随总主梁(2)向上运动；由于平板扑翼(1)受到空气载荷的作用，使得平板扑翼(1)后缘向上运动的幅度相对平板扑翼(1)前缘运动的幅度较小，即产生大攻角，进而减小弹性铰翼上拍过程中的负升力；

在弹性铰翼下拍时，空气的作用使得平板扑翼(1)有相对向上的运动趋势，而隔挡次梁(4)阻碍其向上运动，从而避免弹性铰翼在下拍时由于弹性铰(3)刚度较小而造成的过度上翻。

9.如权利要求5所述的一种用于微型扑旋翼飞行器的弹性铰翼，其特征在于：所述平板扑翼主梁(101)采用碳纤维杆；次梁(102)和斜次梁(103)采用PC塑料片；翼膜(104)采用PVC薄膜制作。