CN109592030B - 一种扇形翼扑翼机 - Google Patents
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Abstract
一种扇形翼扑翼机，它包括机身（3）和扑翼（11），其特征是所述的扑翼（11）呈扇形结构，该扇形结构在下扑时完全展开以获得最大的升力，在上扑过程中逐渐收缩以减少空气阻力。本发明的扇形翼更加贴近鸟类的真实飞行，比传统二段翼更具仿生性，更富有美观。本发明结构简单，易于制造。
Description
技术领域
本发明涉及一种飞行器设计，尤其是一种扑翼型飞行器设计，具体地说是一种扇形翼扑翼机设计。
背景技术
为了做到高仿生，我们先通过高速摄像机记录的鸟飞行扑翼过程中翅膀的变化来研究鸟翼飞行。鸟的一个扑翼周期大致分为下扑、弯曲、上提、展平四个阶段。
(1)下扑阶段：翅膀从最高点开始下扑至最低点，翅膀基本保持平直。因为此时翅膀展平至最大面积状态，空气对其作用向上的面力最大，所以此阶段是整个扑翼飞行提供升力最主要的阶段。
(2)弯曲阶段：在最低点翅膀有一个小停顿，翅膀外端向下折叠成一拱形(弯度大)。此阶段并不直接产生升力，但对于整个扑翼周期产生的有效升力却是至关重要的。弯曲阶段的弯曲的角度越大，整个扑翼飞行的效率越高。
(3)上提阶段：翅膀从最低点开始上提至最高点，翅膀保持折迭成拱形。此阶段为第一阶段的反过程，目的是使翅膀复原为下一个周期的持续扑翼做准备，不可避免地收到空气向下的作用力。此过程较第一阶段而言耗时短，但由于第二阶段的作用翅膀已成高折迭弯曲状态，相对空气运动面积大幅度减小，在相同压强的状态下(可近似认为)，受到空气的向下作用力远小于第一阶段，使整个扑翼周期总的有效升力是向上的。
(4)展平阶段：在最高点，翅膀迅速展平，持续时间很短，然后重复开始第一阶段。此过程为第二阶段的反过程，目的是为了使翅膀获得更大的下扑面积，提高升力系数。这启示我们，可以按照中国传统折扇的打开、折叠的形式，来模仿鸟翅膀的扑翼过程。而且本设计，基本符合鸟类扑翼的特点，即完全符合扑翼周期四个阶段的动作和作用，具有很高的仿生性。
仿鸟类扑翼飞行器根据研究方向划分为两大类，一是普通的机械式扑动，二是基于MEMS微电子机械技术的扑动。二这两大类研究方向都有自身的劣势：普通的机械式扑翼机研究成本较低，技术成熟，能够方便的体现出扑翼飞行的性能，使其能成为一大研究方向，但由于其耗能大而结构较为复杂，所以不能使扑翼飞行器自身轻量化，在一定技术指标上达不到要求。而基于MEMS微电子机械技术的扑翼机可以使机体轻量化，达到真正意义上的仿生效果，但同时也需要良好的实验条件，使得许多研究者望而却步。
机械式扑翼机的结构基本可归结为两种，曲柄摇杆机构，五连杆机构。曲柄连杆机构的扑动并不是完全对称的扑动，结构较为简单。五连杆机构能达到理想的扑动状态，需要五连杆和双齿轮配合，过程中机械能损失较大，结构较为复杂。
仿鸟类扑翼飞行器根据翼型划分：
一、组合页式扑翼。
利用2组扑翼进行同步反方向的往复运动来产生持续的升力，通过增大往复运动的行程来降低运动频率，从而克服了传统扑翼推进中需要高频扑动的技术瓶颈，以期为解决传统扑翼推进方式中必须利用高频振翅的难题提供参考。
在悬停状态下通过改变组合页式扑翼的上、下扑翼的直线往复运动方向，来改变其张开和闭合的状态，以使产生正升力的扑翼在运动方向的投影面积增大，产生负升力的扑翼的投影面积减小，从而产生持续的正升力。对于不同运动频率的扑翼模型，其总升力系数的平均值为3.536～3.810。(2)当驱动机构的往复速度为1.0m/s时，两翼以相同速度进行往复运动时产生的升力相差不大。在不同的运动行程中，组合页式扑翼的升力系数随时间的变化趋势一致，即随着往复频率增大，1个周期内叶片张开和闭合的时间所占的比例增加，总升力系数的平均值增大。
二、两段式柔性折翼扑翼。
这种扑翼更接近鸟柔性翼的实际扑动。相比于非折叠翼，折叠翼的折叠运动减小了上扑阶段的负升力，增加了下扑中间阶段的升力，这导致了折叠翼和非折叠翼气动特性的差别，能够有效提高平均升力系数。
综上所述，传统的扑翼机一般采用块状翼(单段翼或多段翼)结构(如图1)，这种机翼的特点是设计制造简单，运动轨迹容易确定。但是它的缺点也较为明显：单纯的上下扑动并没有引起扑翼面积的明显变化，扑翼效率不高，在相同翼展的条件下难以获得较大的升力。
发明内容
本发明的目的是针对现有的仿生扑翼机存在的效率低、损耗大的问题，设计一种具有完全仿生性能的扇形翼扑翼机。
本发明的技术方案是：
一种扇形翼扑翼机，它包括机身3和扑翼11，其特征是所述的扑翼11呈扇形结构，该扇形结构在下扑时完全展开以获得最大的升力，在上扑过程中逐渐收缩以减少空气阻力。
所述的扑翼11主要由主动杆7、固定杆9、翅脉5及弹性布6组成，固定杆9与机身3固定相连，各翅脉5的一端均枢装在同一固定轴17上，主动杆7的动力端同时伸出第一球铰头12与曲柄13的输出端相连，曲柄13与减速箱14的输出端相连，减速箱14的输入轴与发动机15的输出轴相连，主动杆7同时通过另一个第二球铰头16和机身铰接并且第二球铰头16的球心固定在机身3上靠近固定轴17的位置附近，弹性布6覆盖在主动杆7及翅脉5上并相对固定，从而使主动杆7与翅脉5之间，翅脉与翅脉之间的夹角随主动杆7的运动而发生变化。
所述的减速箱和发动机的轴线与机身轴线呈约120°布置。
所述的主动杆7与曲轴13相连的端部的第一球铰头12在机身内的运动轨迹为一个和机身呈60°的小圆，由于主动杆7以第二球铰头16为支点，因此，其远离机身一侧的端点的运动轨迹将是一个和机身呈60°的大圆。
所述的翅脉5的夹角不超过35度。
本发明的有益效果：
1、本发明的扑翼机机翼的设计在传统的二段式柔性折叠翼增加升力的原理上，采用了仿生性更高的扇形翼，同时也能进一步增大升力。传统的二段式块状翼如图1，L1为靠近机身的机翼部分，L2为远离机身的部分要想获得更大的有效升力，必须增大Ll2，减小L1，这样会使得L1段机翼受的弯曲应力过大，不利于扑翼飞行和材料的选择、耐用。而新型扇形翼，在上扑阶段受到阻力远小于块状翼，在相同翼展的情况下，这样获得总的有效升力更大，更容易实现高升力扑翼飞行。
2、本发明的扇形翼在扑翼过程中变形容易，相比组合页式机翼受到的机械阻力更小，提高了机械效率。而且在储存或运输时可将扇形翼最大程度折叠，降低了空间占有率，更有经济性、便携性。
3、本发明的扇形翼更加贴近鸟类的真实飞行，比传统二段翼更具仿生性，更富有美观。
本发明结构简单，易于制造。
附图说明
图1是现有二段柔性折翼扑翼机的结构示意图。
图2是本发明的传动结构示意图(等轴测视图)。
图3是图2的俯视图。
图4是本发明的扇形扑翼原理图。
图5是本发明的扇形扑翼工作起点状态示意图。
图6是本发明的扇形扑翼在最大迎风面向下扑动时的状态示意图。
图7是本发明的扇形扑翼运动到最低点时的状态示意图。
图8是本发明的扇形扑翼翅脉间夹角减少，弹性布收缩，翅膀收缩状态示意图之一。
图9是本发明的扇形扑翼翅脉间夹角减少，弹性布收缩，翅膀收缩状态示意图之二。
图10是本发明的扇形扑翼收缩后迎风面积很小时的状态示意图。
图11是本发明的扇形扑翼再次拉伸准备下一次扑动时的状态示意图之一。
图12是本发明的扇形扑翼再次拉伸准备下一次扑动时的状态示意图之二。
图中：1为机尾，2为机头，3为机身，4为各支翅脉铰接的O点，5为翅脉，6为弹性布，7为主动杆，8为主动杆顶端的P点，9为和机身平行、铰接的固定杆，10为和机身铰接的杆后端的Q点。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图2-12所示。
一种扇形翼扑翼机，它包括机身3和扑翼11，所述的扑翼11呈扇形结构，该扇形结构在下扑时完全展开以获得最大的升力，在上扑过程中逐渐收缩以减少空气阻力。所述的扑翼11主要由主动杆7、固定杆9、翅脉5及弹性布6组成，固定杆9与机身3固定相连，各翅脉5的一端均枢装在同一固定轴17上，主动杆7的动力端的第一球铰头12与曲柄13的输出端相连，曲柄13与减速箱14的输出端相连，减速箱14的输入轴与发动机15的输出轴相连，主动杆12同时通过另一个第二球铰头16和机身3铰接并且第二球铰头16的球心固定在机身3上靠近固定轴17的位置附近。弹性布6覆盖在主动杆7及翅脉5上并相对固定，从而使主动杆7与翅脉5之间，翅脉与翅脉之间的夹角随主动杆7的运动而发生变化。所述的减速箱和发动机的轴线与机身轴线呈约120°布置。所述的曲柄13和主动杆7相连的一端通过第一球铰头12球面铰接，主动杆12同时通过另一个第二球铰头16和机身3铰接并且第二球铰头16的球心固定在机身3上。所述的主动杆7与曲轴13相连的端部的第一球铰头12在机身内的运动轨迹为一个和机身呈60°的小圆，由于主动杆7以第二球铰头16为支点，因此，其远离机身一侧的端点的运动轨迹将是一个和机身呈60°的大圆。所述的翅脉5的夹角不超过35度。如图2、3所示。需要说明的是由于机身左右对称，故图2、3部分只画左侧)发动机和减速箱在扑翼中均保持相对静止，此处略去固定装置。机身内发动机的输出轴与减速箱相连，减速箱内为特定的减速齿轮组。减速箱的作用为降速增大转矩。减速箱和发动机的轴线与机身轴线呈约120°(图3中实际约为119.2度)。减速后，减速箱的输出轴以曲柄的形式旋转，曲柄和主动杆端的球铰头球面铰接，主动杆的另一个球铰头和机身球面铰接。这样，曲柄旋转一周，主动杆端部的球铰头在机身内的运动轨迹为一个和机身呈60°的小圆，以主动杆的另一个球铰头为支点，主动杆远离机身一侧的端点的运动轨迹将是一个和机身呈60°的大圆。此大圆轨迹与图6-图11的轨迹相似。通过此传动装置，实现发动机——主动杆的动力传递。
本发明的工作原理是：
扇形翼，顾名思义，就是像扇子一样具有一定的弧度，并且可以伸缩曲张。
图4为高仿扇形翅的基本骨架(未添加蒙皮，且因机翼关于机身轴线对称只画出左侧机翼)。其中，杆与机身侧部铰接相连，并且/>即为由尾部指向头部的方向(航向)。取航迹坐标系，在扑翼周期内，在扇型翼翻转时/>可绕X轴(机尾指向机头)旋转。/>是主动杆，通过机身内的传动装置带动。这样，在下扑准备阶段(如图5)，Q点位于机身上方最高处，翅脉间的夹角达到最大值，弹性布展至最大面积，/>绕O点在机身头部的平面内向下转动，这样保持最大的迎风面积向下扑动(如图6)，直至扑翼最低点(如图7，获得最大升力；
第二阶段，向/>靠拢，各翅脉间的夹角减小，弹性布收缩，翅膀收缩(如图8、9)；第三阶段，/>向上转动，由于迎风面积很小，所以受到的阻力也很小(如图10)；第四阶段，/>转至/>方向最大，各翅脉间的夹角增大，弹性布拉伸，达到第一阶段的起点(如图11，12)，重复下一个扑翼周期。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (1)
1.一种扇形翼扑翼机，它包括机身（3）和扑翼（11），其特征是所述的扑翼（11）呈扇形结构，该扇形结构在下扑时完全展开以获得最大的升力，在上扑过程中逐渐收缩以减少空气阻力；所述的扑翼（11）主要由主动杆（7）、固定杆（9）、翅脉（5）及弹性布（6）组成，固定杆（9）与机身（3）固定相连，各翅脉（5）的一端均枢装在同一固定轴（17）上，主动杆（7）的动力端通过第一球铰（12）与曲柄（13）的输出端相连，曲柄（13）与减速箱（14）的输出端相连，减速箱（14）的输入轴与发动机（15）的输出轴相连，主动杆（7）同时通过第二球铰头（16）和机身（3）球面铰接并且第二球铰头（16）的球心固定在机身（3）上靠近固定轴（17）位置处；弹性布（6）覆盖在主动杆（7）及翅脉（5）上并相对固定，从而使主动杆（7）与翅脉（5）之间，翅脉与翅脉之间的夹角随主动杆（7）的运动而发生变化；所述的减速箱和发动机的轴线与机身轴线呈约120°布置；所述的主动杆（7）与曲柄（13）相连的端部的第一球铰头（12）在机身内的运动轨迹为一个和机身呈60°的小圆，由于主动杆（7）以第二球铰头（16）为支点，因此，其远离机身一侧的端点的运动轨迹将是一个和机身呈60°的大圆；所述的翅脉（5）的夹角不超过35度。
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