CN110450951B - 扑翼飞行器的机翼及扑翼飞行器 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种扑翼飞行器的机翼及扑翼飞行器，其中的扑翼飞行器的机翼包括机翼主体，机翼主体的翼型截面构造为由上表面和下表面围合成的弯弓形；机翼主体的前缘线和后缘线分别为曲线；在沿机翼主体的展向上，前缘线和后缘线的距离逐渐减小，机翼主体的厚度逐渐减小。通过上述技术方案，使扑翼飞行器机翼的翼型弯度和厚度及其沿翼展方向的分布具有变化，从而使机翼在外形上更加接近鸟类的翅膀，改善了机翼在扑动条件下的气动效率，增大了飞行器的有效载荷；在飞行器滑翔时，能够提供更显著的升力，适合应用于扑动‑滑翔混合飞行模式的扑翼飞行器，能够显著减小能耗、增大飞行半径和飞行时间。

Description

扑翼飞行器的机翼及扑翼飞行器

技术领域

本公开涉及飞行器技术领域，具体地，涉及一种扑翼飞行器的机翼及扑翼飞行器。

背景技术

扑翼飞行器是通过模拟昆虫及鸟类扑翼飞行方式而设计制造的具有仿生特性的一类飞行器，具有质量轻、机动性强、能耗低、隐蔽性强等显著的优点，在军用和民用领域都具有广泛的应用前景。

扑翼飞行器的机翼是产生升力和推力的关键部件，其设计关系到结构重量、气动效率等多方面，从而直接影响整个飞行器的飞行性能。现有扑翼机大多采用骨架薄膜式机翼，其基本结构形式为在刚性骨架外覆以柔性薄膜。这种薄板式的机翼结构虽然可以在气动载荷作用下具有一定的柔性变形，但推力和推进效率较低，有效载荷较小，不利于飞行器飞行性能的改善。

发明内容

本公开的第一个目的是提供一种扑翼飞行器的机翼，以改善扑翼飞行器的飞行性能。

本公开的第二个目的是提供一种扑翼飞行器，该扑翼飞行器包括本公开提供的扑翼飞行器的机翼。

为了实现上述目的，本公开提供一种扑翼飞行器的机翼，包括机翼主体，所述机翼主体的翼型截面构造为由上表面和下表面围合成的弯弓形；所述机翼主体的前缘线和后缘线分别为曲线；在沿所述机翼主体的展向上，所述前缘线和所述后缘线的距离逐渐减小，所述机翼主体的厚度逐渐减小。

可选地，所述扑翼飞行器的机翼还包括设置于所述机翼主体的内部的骨架，所述骨架包括沿所述展向延伸的前缘条和后缘条，以及沿所述机翼的弦向延伸并分别与所述前缘条和后缘条相交的桁条。

可选地，所述桁条包括从所述前缘条延伸至所述后缘条的连接段以及从所述后缘条向外延伸的延伸段。

可选地，所述桁条数量为多个，多个所述桁条、所述前缘条以及所述后缘条形成网格状结构。

可选地，所述前缘条、后缘条以及桁条分别构造为薄片状，所述薄片的宽度为1.5～4mm，厚度为1.5～3mm。

可选地，所述骨架形成在所述机翼主体沿展向弯曲变形的应力中性层内。

可选地，所述骨架一体成型。

可选地，所述机翼主体的形状由以下方程决定：

展向、弦向相对位置ξ、η方程：

前缘线坐标x_(l)方程：

x_(l)＝b(-24.97ξ⁸+72.01ξ⁷-59.37ξ⁶-11.13ξ⁵+39.56ξ⁴-19.07ξ³+3.48ξ²-0.35ξ-0.002)；弦长c方程：

最大弯度z_(c)max方程：

最大厚度z_(t)max方程：

弯度z_(c)方程：

z_(c)＝z_(c)max(-3.08η⁴+7.78η³-10.15η²+5.45η)；

厚度z_(t)方程：

z_(t)＝z_(t)max(4.62η⁵-18.98η⁴+26.48η³-15.25η²+3.12η^0.5)；

上、下翼面坐标方程z_(u)、z_(d)：

其中，b为半翼展，c₀为翼根弦长，翼根弦长c₀与半翼展b的比值为 0.388～0.677。

可选地，所述扑翼飞行器的机翼还包括设置于所述机翼主体的内部的骨架，所述骨架包括沿所述展向延伸的前缘条和后缘条，以及沿所述机翼的弦向延伸并分别与所述前缘条和后缘条相交的桁条，所述骨架的形状由以下方程决定：

前缘条曲线方程：

x₁＝b(24.97ξ⁸-72.01ξ⁷+59.37ξ⁶+11.13ξ⁵-39.56ξ⁴+19.07ξ³-3.48ξ²+0.35ξ+0.08),0≤ξ≤0.085；

后缘条曲线方程：

x₂＝b(-9.18ξ⁵+12.73ξ⁴-4.24ξ³+0.57ξ²-0.03ξ+0.77),0≤ξ≤0.6。

根据本公开的第二个方面，还提供一种扑翼飞行器，包括上述的扑翼飞行器的机翼。

通过上述技术方案，使扑翼飞行器机翼的翼型弯度和厚度及其沿翼展方向的分布具有变化，从而使机翼在外形上更加接近鸟类的翅膀，改善了机翼在扑动条件下的气动效率，增大了飞行器的有效载荷；在飞行器滑翔时，能够提供更显著的升力，适合应用于扑动-滑翔混合飞行模式的扑翼飞行器，能够显著减小能耗、增大飞行半径和飞行时间。

本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：

图1是本公开一种示例性实施方式提供的机翼主体的结构示意图；

图2是图1中机翼主体的平面示意图；

图3是图1中机翼主体的翼型截面示意图；

图4是本公开一种示例性实施方式提供的内部骨架的结构示意图。

附图标记说明

1 机翼主体 11 前缘线

12 后缘线 13 上表面

14 下表面 2 骨架

21 前缘条 22 后缘条

23 桁条 231 连接段

232 延伸段

具体实施方式

以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。

在本公开中，使用的方位词“内”、“外”通常是针对零部件本身的轮廓而言的。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。

本公开提供了一种扑翼飞行器的机翼，如图1-3所示，包括机翼主体1，机翼主体1的翼型截面可以构造为由上表面13和下表面14围合成的弯弓形；机翼主体1的前缘线11和后缘线12分别为曲线；在沿机翼主体的展向上，前缘线11和后缘线12的距离逐渐减小，机翼主体1的厚度逐渐减小。参考图3，机翼主体1的翼型截面可以构造为弯弓形，使得机翼主体1的翼型截面具有一定的弯度和厚度。同时参考图1，机翼主体1整体可以看作是沿机翼的展向(由翼根到翼尖)由多个图3中的翼型截面紧密排列而成。沿翼展方向延伸，随着前缘线11和后缘线12的距离逐渐减小，以及机翼主体1的厚度逐渐减小，构成机翼主体1的各个翼型截面在弯度和厚度上呈现出不同的分布。

鸟类翅膀历经数百万年自然进化获得的结构和形状特征必然对其飞行性能有这重要的影响。相关研究表明，鸟类翅膀在扑动时具有更高的升力和升阻比，以及推力和推进效率，从而有利于改善飞行性能，增大有效载荷；此外，当其停止扑动而处于滑翔阶段时，同样具有显著的升力产生效率，有利于增大滑翔距离，节省能耗，延长飞行的时间。

通过上述技术方案，使扑翼飞行器机翼的翼型弯度和厚度及其沿机翼展向的分布具有变化，从而使机翼在外形上更加接近鸟类的翅膀，改善了机翼在扑动条件下的气动效率，增大了飞行器的有效载荷；在飞行器滑翔时，能够提供更显著的升力，适合应用于扑动-滑翔混合飞行模式的扑翼飞行器，能够显著减小能耗、增大飞行半径和飞行时间。

机翼主体1可以采用聚丙烯泡沫材料、或者聚乙烯泡沫、聚氨酯泡沫材料注塑制成，重量较轻，且能够为机翼主体1提供一定的强度，避免在飞行的过程中出现损坏。另外，本公开机翼既可以为单段式机翼，也可以设置有副翼以形成为多段翼，本公开对此不作限定。

本公开所称的机翼展向和机翼弦向分别是指，以图1中机翼翼根前缘点为坐标系的原点，X方向即为机翼的弦向，Y方向(由翼根到翼尖)即为机翼的展向。

根据本公开的一种实施方式，如图4所示，扑翼飞行器的机翼还可以包括设置于机翼主体1的内部的骨架2，骨架2包括沿展向延伸的前缘条21 和后缘条22，以及沿机翼的弦向延伸并分别与前缘条21和后缘条22相交的桁条23。骨架2可以起到维持机翼整体强度的作用。骨架2可以采用强度较高且具有一定柔性的材料制成，例如碳纤维、玻纤增强尼龙或者PLA材料制成，本公开对此不作限定。

在本公开中，如图4所示，桁条23可以包括从前缘条21延伸至后缘条 22的连接段231以及从后缘条22向外延伸的延伸段232。前缘条21和后缘条22沿机翼展向延伸，且前缘条21在翼尖处弯曲并与后缘条22相交，连接段231位于前缘条21和后缘条22所围合成的空间的内部，并分别与前缘条21和后缘条22相交，这样，连接段231即起到了加强筋的作用，能够保证骨架2整体的强度要求，在机翼扑动时，骨架2不会发生形变而影响飞行的效果。从后缘条22向外延伸的延伸段232，可以抵顶在机翼的后缘线12 处，并为机翼的外翼段提供一定的柔性支撑。这种柔性支撑使得飞行器在受到气流作用时，允许机翼发生一定的变形，防止因机翼刚度过大而损坏，并且有利于提高机翼的推力产生的效率。

为进一步增强骨架2的强度，在本公开中桁条23数量可以为多个，多个桁条23、前缘条21以及后缘条22形成网格状结构。多个桁条23可以均沿着机翼展向设置，当然，也可以一部分桁条23沿机翼展向设置，另一部分桁条23沿机翼弦向设置，从而使得桁条23之间能够交错以形成网格状，增强骨架2的强度。

在本公开中，前缘条21、后缘条22以及桁条23可以分别构造为薄片状，薄片的宽度可以为1.5～4mm，厚度可以为1.5～3mm。薄片结构质量较轻，能够减轻骨架2整体的重量，进而减轻机翼整体的重量；另外，薄片状的骨架能够减少机翼在扑动过程中骨架2和机翼主体1的泡沫材料之间的相互挤压，从而避免机翼主体1的损坏。

在本公开的一种实施方式中，骨架2可以形成在机翼主体1沿展向弯曲变形的应力中性层内。应力中性层即材料中既不受拉伸也不受挤压的层。由于机翼主体1沿机翼展向具有弯曲变形，在机翼扑动时不可避免的将在弯曲处产生形变，从而对位于其内部的骨架2产生拉伸或挤压。当骨架2形成在机翼主体1沿展向弯曲变形的应力中性层内时，能够减少在机翼扑动时由于机翼主体1的形变导致的骨架2与泡沫材料之间相互摩擦所造成的损坏，延长机翼的使用寿命。

根据本公开的一种实施方式，骨架2可以一体成型。即采用一整块碳纤维板材一次切割成型加工制作而成，或者也可以采用3D打印技术打印成型。这种一体成型的方式使得骨架2结构稳定，在飞行的过程中不易松散。根据本公开的另一些实施方式，骨架2也可以将前缘条21、后缘条22以及桁条 23分别加工，然后再通过例如插接或粘接的方式装配到一起。这种可拆装的方式使得骨架2的加工较为便捷。

本公开的机翼主体1的外形以鸟类翅膀为模仿的对象，例如可以以鸽子翅膀为模仿的对象。机翼的翼型可以由鸟类翅膀标本通过逆向工程而得到。逆向工程是指从实物样件获取产品数字模型的过程。具体的，通过激光扫描仪等设备对鸟类翅膀进行扫描得到点云，然后利用数字图像处理技术，最终获得实体模型。该过程为相关技术领域中的常规技术手段，本公开对次不再赘述。

本公开通过对鸟类翅膀采用逆向工程得到实体模型后，如图1-3所示，对该实体模型进行建模，并对数据进行大量优化处理，并最终得到以下能够决定理想机翼主体1形状的方程：

展向、弦向相对位置ξ、η方程：

前缘线坐标x_(l)方程：

x_(l)＝b(-24.97ξ⁸+72.01ξ⁷-59.37ξ⁶-11.13ξ⁵+39.56ξ⁴-19.07ξ³+3.48ξ²-0.35ξ-0.002)；

弦长c方程：

最大弯度z_(c)max方程：

最大厚度z_(t)max方程：

弯度z_(c)方程：

z_(c)＝z_(c)max(-3.08η⁴+7.78η³-10.15η²+5.45η)；

厚度z_(t)方程：

z_(t)＝z_(t)max(4.62η⁵-18.98η⁴+26.48η³-15.25η²+3.12η^0.5)；

上、下翼面坐标方程z_(u)、z_(d)：

其中，b为半翼展，c₀为翼根弦长，翼根弦长c₀与半翼展b的比值为 0.388～0.677。半翼展和翼根弦长的取值可以根据扑翼飞机器的实际大小而定。本公开中，半翼展b可以为350～700mm。

根据上述建模得到的机翼能够基本完美复制鸟类翅膀的外形，从而使得该机翼具有机动性强，气动效率高等优点。

由于上述参数确定后，即可以唯一确定机翼的形状，因此，可根据上述方程，利用计算机辅助手段，如MATLAB，得到如图1所示的所需的机翼主体1的形状。

同样的，根据上述设计参数，骨架2的形状由以下方程决定：

前缘条曲线方程：

x₁＝b(24.97ξ⁸-72.01ξ⁷+59.37ξ⁶+11.13ξ⁵-39.56ξ⁴+19.07ξ³-3.48ξ²+0.35ξ+0.08),0≤ξ≤0.085；

后缘条曲线方程：

x₂＝b(-9.18ξ⁵+12.73ξ⁴-4.24ξ³+0.57ξ²-0.03ξ+0.77),0≤ξ≤0.6。

通过上述方程得到的机翼主体1和骨架2的数字模型可以导入到例如加工设备中进行成型加工，最终获得成品。根据本公开扑翼飞行器的机翼的一种加工方式，可以首先加工制得机翼主体1的模具，然后加工出骨架2，并将骨架2固定于机翼主体1的模具内，最后通过向模具内注入聚丙烯泡沫材料得到最终的机翼产品。

根据本公开的第二个方面，还提供了一种扑翼飞行器，该扑翼飞行器包括本公开上述的扑翼飞行器的机翼。该扑翼飞行器具有上述扑翼飞行器的机翼的所有有益效果，在此不再赘述。

以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。

Claims (9)

1.一种扑翼飞行器的机翼，包括机翼主体(1)，其特征在于，所述机翼主体(1)的翼型截面构造为由上表面(13)和下表面(14)围合成的弯弓形；所述机翼主体(1)的前缘线(11)和后缘线(12)分别为曲线；在沿所述机翼主体(1)的展向上，所述前缘线(11)和所述后缘线(12)的距离逐渐减小，所述机翼主体(1)的厚度逐渐减小，其中，所述机翼主体(1)的形状由以下方程决定：

展向、弦向相对位置ξ、η方程：

前缘线坐标x_(l)方程：

x_(l)＝b(-24.97ξ⁸+72.01ξ⁷-59.37ξ⁶-11.13ξ⁵+39.56ξ⁴-19.07ξ³+3.48ξ²-0.35ξ-0.002)；

弦长c方程：

最大弯度z_(c)max方程：

最大厚度z_(t)max方程：

弯度z_(c)方程：

z_(c)＝z_(c)max(-3.08η⁴+7.78η³-10.15η²+5.45η)；

厚度z_(t)方程：

z_(t)＝z_(t)max(4.62η⁵-18.98η⁴+26.48η³-15.25η²+3.12η^0.5)；

上、下翼面坐标方程z_(u)、z_(d)：

其中，b为半翼展，c₀为翼根弦长，翼根弦长c₀与半翼展b的比值为0.388～0.677。

2.根据权利要求1所述的扑翼飞行器的机翼，其特征在于，还包括设置于所述机翼主体(1)的内部的骨架(2)，所述骨架(2)包括沿所述机翼的展向延伸的前缘条(21)和后缘条(22)，以及沿所述机翼的弦向延伸并分别与所述前缘条(21)和后缘条(22)相交的桁条(23)。

3.根据权利要求2所述的扑翼飞行器的机翼，其特征在于，所述桁条(23)包括从所述前缘条(21)延伸至所述后缘条(22)的连接段(231)以及从所述后缘条(22)向外延伸的延伸段(232)。

4.根据权利要求3所述的扑翼飞行器的机翼，其特征在于，所述桁条(23)数量为多个，多个所述桁条(23)、所述前缘条(21)以及所述后缘条(22)形成网格状结构。

5.根据权利要求2-4中任一项所述的扑翼飞行器的机翼，其特征在于，所述前缘条(21)、后缘条(22)以及桁条(23)分别构造为薄片状，所述薄片的宽度为1.5～4mm，厚度为1.5～3mm。

6.根据权利要求2所述的扑翼飞行器的机翼，其特征在于，所述骨架(2)形成在所述机翼主体(1)沿展向弯曲变形的应力中性层内。

7.根据权利要求2所述的扑翼飞行器的机翼，其特征在于，所述骨架(2)一体成型。

8.根据权利要求1所述的扑翼飞行器的机翼，其特征在于，还包括设置于所述机翼主体(1)的内部的骨架(2)，所述骨架(2)包括沿所述机翼的展向延伸的前缘条(21)和后缘条(22)，以及沿所述机翼的弦向延伸并分别与所述前缘条(21)和后缘条(22)相交的桁条(23)，所述骨架(2)的形状由以下方程决定：

前缘条曲线方程：

x₁＝b(24.97ξ⁸-72.01ξ⁷+59.37ξ⁶+11.13ξ⁵-39.56ξ⁴+19.07ξ³-3.48ξ²+0.35ξ+0.08),0≤ξ≤0.085；

后缘条曲线方程：

x₂＝b(-9.18ξ⁵+12.73ξ⁴-4.24ξ³+0.57ξ²-0.03ξ+0.77),0≤ξ≤0.6。

9.一种扑翼飞行器，包括机翼，其特征在于，所述机翼为根据权利要求1-8中任一项所述的扑翼飞行器的机翼。

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