CN110667822A

CN110667822A - 一种可变面积可转动的仿生翼梢小翼

Info

Publication number: CN110667822A
Application number: CN201910937423.9A
Authority: CN
Inventors: 周洲; 郑黎明; 王正平
Original assignee: Northwest University of Technology
Current assignee: Northwestern Polytechnical University; Northwest University of Technology
Priority date: 2019-09-30
Filing date: 2019-09-30
Publication date: 2020-01-10
Anticipated expiration: 2039-09-30
Also published as: CN110667822B

Abstract

本发明一种可变面积可转动的仿生翼梢小翼，属于飞行器技术领域；包括传动机构、变形机构和整流前缘；所述传动机构的电机通过固定座固定于机翼翼尖，其转子通过转轴与所述变形机构连接，用于调整小翼相对机翼的转动角度；所述变形机构由羽毛上的短杆、第一长杆、第二长杆、以及所述固定板的铰接孔的连线组成平行四边形结构；所述舵机带动连杆控制所述平行四边形结构转动角度，进一步实现所述可变机构的面积改变；采用平行四边形的变面积方式，简单可靠，并且拥有较大的面积变化范围，本设计中最大面积至少是最小面积的2倍以上。较大的范围意味着效果更好的舵效变化范围，从而对于不同的滚转操控，可以更好的适配。

Description

一种可变面积可转动的仿生翼梢小翼

技术领域

本发明属于飞行器技术领域，具体涉及一种可变面积可转动的仿生翼梢小翼。

背景技术

仿生飞行器的研究自飞行器的诞生至此一直是航空界的热点，目前被大众所熟知的仿生飞行器多是扑翼飞行器，比如西北工业大学的“信鸽无人机”、伊利诺伊大学香槟分校和加利福尼亚理工学院的研究团队制作的“蝙蝠无人机B2”等，同样也有仿生技术用在固定翼无人机上，比如瑞士的洛桑理工学院发表在著名刊物THE ROYAL SOCIETY上的一篇名为《Bioinspired morphing wings for extended flight envelope and roll controlof small drones》的论文，其研究了可变面积的机翼，用此来控制飞行器的滚转，但是其占据了大部分的机翼面积，不利于铺设太阳能板，并且仅能通过改变面积来控制滚转。在飞行器的设计过程中，升阻比是一个非常重要的技术参数，提高飞行器的升阻比可以极大的改善飞行器的飞行效率，因此一般气动效率较高的飞行器都会考虑增加翼梢小翼来改善飞行器的升阻特性，比如波音和空客系列的客机，通过增加翼梢小翼减少诱导阻力来提高飞行器的气动效率。但是该类翼梢小翼仅有此优势，如何充分利用翼梢小翼是一个值得研究的问题。在太阳能无人机设计时，在机翼上增设副翼会破坏机翼表面的气动效率，同时还会减少太阳板的铺设，因此需求一种能够改善此现状额控制方法。对于追求极高气动效率和重量特性的小型无人机来说，起落架的存在会有很大缺点，在起飞后属于死重，并且会破环飞行器的流线型，从而影响气动效率，手抛式起飞或者弹射起飞是一个很好的选择，因此如何减小起飞速度，从而减少起飞时的安全事故也是一个有价值的问题。

目前，被大众所熟知的飞行器的机翼有副翼、襟翼等控制舵面，比如波音系列的客机，在控制上通过舵面的偏转来实现，原理是通过改变机翼两边的升力差来产生滚转力矩，从而实现滚转控制。在起降阶段通过打开襟翼等方式来改变机翼翼型的弯度，从而增大升力系数，满足起飞和降落时速度低的要求。这种方式存在的缺点是在增大机翼升力系数的同时，也增大了阻力。

大自然中的鸟类在飞行过程中可通过改变机翼升力面积的大小来实现滚转控制。同时在飞行过程中也可通过机翼面积的改变来适应速度的变化，比如鹰在捕食地面的猎物时，在发现猎物后，头朝下并收缩翅膀，速度飞快地下降到猎物所在的位置，实现捕获。可见改变升力面积的方式是扩大飞行器飞行包线，适应不同飞行状态的一种可行方法。目前，瑞士的洛桑联邦理工学院已经制作出了可变面积的机翼，但是极大的减少了飞机整机的气动效率，本发明只改变翼梢小翼的机翼面积和转角，因此对整机影响相对较小，并拥有更好的控制效果。

现阶段，多数太阳能飞机为了尽可能多的利用升力面积来增大太阳能的铺设面积，因此利用太阳能飞机的翼尖来安放控制面是一个很好的解决方法，为了更好的控制飞行器的滚转，并且在起飞和降落过程中进一步的减小速度，设置可变面积且可以转动的翼尖，提高飞行器的操纵性和起降性能。目前，解决太阳能飞机高效利用机翼表面的方法还有，利用多台发动机的差动来进行航横向的操作，此方法连续的差动会增加耗能，同时该方法的横向控制响应较慢，反应时间长。采用翼尖控制，类似于常规飞机的副翼，拥有较小的耗能和较快的响应。

发明内容

要解决的技术问题：

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种可变面积可转动的仿生翼梢小翼，既可以拥有提高正常巡航状态的升阻比要求，还可以转动进行飞行器的滚转操作，避免了破坏机翼表面，同时还可以改变翼梢小翼的面积，在起飞和降落时增大面积，减小翼载，减小失速速度，从而提高安全性。

本发明的技术方案是：一种可变面积可转动的仿生翼梢小翼，其特征在于：包括传动机构、变形机构和整流前缘；所述传动机构包括电机，所述电机通过固定座固定于机翼翼尖侧壁上，其转子通过转轴与所述变形机构连接，所述转轴垂直于机翼翼尖侧壁，用于调整翼梢小翼相对机翼的转动角度；

所述变形机构包括舵机、连杆、第一翼肋、第二翼肋、固定板、第一长杆、第二长杆和多个羽毛；所述第一翼肋上部的一侧面与所述转轴垂直固定；所述第二翼肋平行于第一翼肋，并与第一翼肋的另一侧面相对设置；所述固定板垂直插装于第一翼肋和第二翼肋的弦长处，将第二翼肋和第一翼肋固定为整体；所述舵机固定于所述固定板的上表面，其摆臂与所述连杆的一端铰接；所述第一长杆和第二长杆平行设置，其一端均与所述固定板突出于第二翼肋外侧的部分铰接；所述第二长杆与固定板铰接端的端头穿过所述第二翼肋，与所述连杆的另一端铰接；所述第一长杆和第二长杆分别沿长度方向均布多个通孔；

所述羽毛由四边形框架和蒙膜组成，所述蒙膜是覆盖于四边形框架的热缩蒙膜；所述四边形框架的两侧长边相互平行，其上端的短边平行于第二长杆，并在上端的短边中部固定有短杆，所述短杆平行于四边形框架的长边；通过短杆分别与所述第一长杆和第二长杆铰接，并保证羽毛上的短杆、第一长杆和第二长杆与固定板的铰接孔的连线、以及第二翼肋侧面三者之间相互平行；由羽毛上的短杆、第一长杆、第二长杆、以及所述固定板的铰接孔的连线组成平行四边形结构；多个所述羽毛沿所述第一长杆和第二长杆的长度方向均布，铰接于所述第一长杆和第二长杆上的多个通孔处，并从机翼到翼尖的尖部方向按照等比例缩小；由所述舵机带动连杆控制所述平行四边形结构转动角度，进一步实现所述可变机构的面积改变；

所述整流前缘包括蒙皮和多个小翼前缘支架；所述小翼前缘支架为C型板状结构，在其C型的内圆弧中部开有卡槽；多个所述小翼前缘支架沿所述第一长杆长度方向通过其上的卡槽垂直均布于第一长杆上，并从机翼到小翼的尖部方向按照等比例缩小；所述蒙皮包覆于多个所述小翼前缘支架的C型外圆弧上，用于调整小翼前缘的气流。

本发明的进一步技术方案是：所述羽毛的四边形框架用碳纤维与轻木的复合材料，碳纤维厚度为0.3mm，轻木厚度为1.5mm。

本发明的进一步技术方案是：在初始状态，相邻所述羽毛的边缘相互重叠，重叠部分为羽毛短边长度的40％。

本发明的进一步技术方案是：所述羽毛与所述第一长杆和第二长杆之间通过插销铰接。

本发明的进一步技术方案是：所述羽毛的数量为6个。

有益效果

本发明的有益效果在于：本发明通过研究大自然界的鸟类飞行时改变翅膀面积的运动，比如捕食时的鹰。发现机翼面积的改变对动力学特性的改善有很大的益处，鸟类在低速巡航时会尽量打开翅膀，增大翅膀面积，减小翼载，同时节省自身的能量，但是在追逐、捕食等需要较灵活且速度要求较高的情况下，鸟类会适当减小翅膀的面积，达到高速巡航并且减小阻力的目的。

在飞机的动力学特性研究中，改变机翼的面积可以用来适应不同的巡航速度和满足起降要求，机翼面积的改变可以同时改变升力的计算公式(a)中的面积S和升力系数C_L，从而达到改变升力的效果，当左右机翼面积变化不同时，左右产生升力大小不同，产生飞机的滚转力矩，达到控制滚转的效果。通常，飞机的小翼的转动会带来升力系数C_L的改变，当左右机翼翼尖转动不同时，同样也会产生滚转力矩。

飞机的起降过程是事故多发阶段，原因是起飞和降落时飞机的飞行速度相对较小，翼载较低，操纵性相对较差，因此会有较高的风险。翼梢小翼面积可变的设计可以在起飞和降落时候增大机翼面积，在一定程度上可以减小翼载，改善操纵性，在事故多发段保证飞行器的安全。

采用翼梢小翼转动加变面积的好处：

1.增大参考面积时可以减小失速速度，在起降阶段可以提高飞机的安全性：当飞机重量不变，高度不变，迎角不变时，即L(升力)，ρ(密度)，C_L(升力系数)不变，此时

因此随着面积增大，配平速度会减少。

2.减小面积时可以减小摩擦阻力，在巡航时可以更加省能，增加飞机的航时和航程；

3.转动加变面积的控制方式可以增大舵效，使飞机的机动性能更加出色。改变面积遂于改变小翼转动的舵效有非常明显的效果，解释如下：

C_l＝C_l,other+C_l,wingtip

C_l,wingtip≈lC_L,wingtip

其中，C_l是整机的滚转力矩系数，C_l,other是除翼尖外带来的滚转力矩系数，C_l,wingtip是翼尖带来的滚转力矩系数。C_L,wingtip是翼尖的升力系数，这个系数主要与翼尖的转角、翼尖面积、整机的侧滑角有关。l是翼尖的气动中心距整机重心的距离。

当翼尖的面积增大时，C_L,wingtip增大，因此在相同翼尖转角下，翼尖的舵效会增加。当舵效增加时，飞机的滚转操作效率更高，并且所需要的转角更小，而小转角相对气动阻力更加小，因此更加适合，长航时的飞机。

从结构上分析：采用平行四边形的变面积方式，简单可靠，并且拥有较大的面积变化范围，本设计中最大面积至少是最小面积的2倍以上。较大的范围意味着效果更好的舵效变化范围，从而对于不同的滚转操控，可以更好的适配。

附图说明

图1为鹰翅膀示意图；

图2为本发明翼梢小翼结构示意图；

图3为单个羽毛结构示意图；

图4为本发明翼梢小翼的侧视图；

图5为整流前缘示意图；

图6为支架的放大示意图；

附图标记说明：1.机翼、2.电机的固定支座、3.电机、4.转轴、5.第一翼肋、6.固定板、7.第二翼肋、8-13.羽毛、14.第一长杆、15.第二长杆、16.通孔、17.连杆、18.舵机、19-24.小翼前缘支架、25.蒙皮。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

参照图2，本发明一种可变面积可转动的仿生翼梢小翼包括传动机构、变形机构和整流前缘；所述传动机构包括电机，所述电机通过固定座固定于机翼1翼尖侧壁上，其转子通过转轴与所述变形机构连接，用于调整翼梢小翼相对机翼的转动角度；

所述变形机构包括舵机18、连杆17、第一翼肋5、第二翼肋7、固定板6、第一长杆14、第二长杆15和多个羽毛；第一翼肋5上部的一侧面与转轴4垂直固定；第二翼肋7平行于第一翼肋5，并与第一翼肋5的另一侧面相对设置；固定板6垂直插装于第一翼肋5和第二翼肋7的弦长处，将第二翼肋7和第一翼肋5固定为整体；所述舵机18固定于所述固定板6的上表面，其摆臂与所述连杆17的一端铰接；所述第一长杆14和第二长杆15平行设置，其一端均与所述固定板6突出于第二翼肋7外侧的部分铰接；所述第二长杆与固定板铰接端的端头穿过所述第二翼肋7，与所述连杆的另一端铰接；所述第一长杆14和第二长杆15分别沿长度方向均布多个通孔；

所述羽毛由四边形框架和蒙膜组成，所述羽毛的四边形框架用碳纤维与轻木的复合材料，碳纤维厚度为0.3mm，轻木厚度为1.5mm；所述蒙膜是覆盖于四边形框架的热缩蒙膜；所述四边形框架的两侧长边相互平行，其上端的短边平行于第二长杆15，并在上端的短边中部固定有短杆，所述短杆平行于四边形框架的长边；通过短杆分别与所述第一长杆14和第二长杆15铰接，并保证羽毛上的短杆、第一长杆14和第二长杆15与固定板6的铰接孔的连线、以及第二翼肋7侧面之间相互平行；多个所述羽毛沿所述第一长杆14和第二长杆15的长度方向均布，铰接于所述第一长杆14和第二长杆15上的多个通孔处，并从机翼到翼尖的尖部方向按照等比例缩小；由所述舵机带动连杆控制所述平行四边形结构转动角度，进一步实现所述可变机构的面积改变；所述羽毛与所述第一长杆和第二长杆之间通过插销铰接。

所述整流前缘包括蒙皮25和多个小翼前缘支架；所小翼前缘支架为C型板状结构，在其C型的内圆弧中部开有卡槽；多个所述小翼前缘支架沿所述第一长杆14长度方向通过其上的卡槽垂直均布于第一长杆上，并从机翼到翼尖的尖部方向按照等比例缩小；所述蒙皮25包覆于多个所述小翼前缘支架的C型外圆弧上，用于调整小翼前缘的气流。

在初始状态，相邻所述羽毛的边缘相互重叠，重叠部分为羽毛短边长度的40％。

本实施例中利用电机的转动来控制小翼的转动，4是转轴，其与电机3的转子固联，电机的转动会带动转轴的转动，同时转轴的另一端与翼肋5固联，即通过电机的转动带动翼肋5相关联的其他零件，依次为固定板6、第二翼肋7、以及6个羽毛8～13也跟随机构一起转动，这些羽毛均由羽毛框、蒙膜组成，羽毛框为四边形框架，为保证结构强度和零件强度，羽毛框选用碳纤维与轻木的复合材料(碳纤维厚度为0.3mm，轻木厚度为1.5mm)，蒙膜为不透风的表面覆有橡胶薄层的纤维蒙膜。

所述变形机构中由羽毛上的短杆、第一长杆14、第二长杆15、以及所述固定板6的铰接孔的连线组成平行四边形结构；舵机18的转动带动连杆17上下位移，进一步带动第二长杆15转动，从而带动平行四边形机构转动角度，改变第一长杆14和第二长杆15的距离，以及各羽毛之间的距离，即改变羽毛的叠加面积的大小，最终达到控制小翼面积变化的效果。

8～13各羽毛的边必须保证平行，同时第一长杆14和第二长杆15也必须保证平行，保证面积可变机构是平行四边形，这样才能达到控制效果，另外，限制该机构可变面积大小的因素主要是第一长杆14和第二长杆15之间的间距极限，因为第一长杆14和第二长杆15是羽毛所受气动力和重力的传力零件，因此需要保证其强度，选择合适的材料，比如碳纤维等在保证结构强度的同时，也保证了第一长杆14和第二长杆15的间距不会太大，保证更多的可变面积空间。为保证在面积变化过程中羽毛之间不会互相干涉，导致卡顿，甚至损坏结构，羽毛之间的叠加部分的宽度至少是羽毛短边的40％。各羽毛的外形根据飞机的气动外形设计来决定。一般是越靠近小翼弦长越小。羽毛的数量受羽毛的结构强度所影响，对于本专利的设计数量定在6个，太多时经实际测试，会增加重量，太少时在受气动载荷时，羽毛容易出现弯折，对结构强度有较高的要求。

第一翼肋5是最终所有小翼结构的承力处，因此要保证其结构强度，转轴4的一端与第一翼肋5固接，在1和5之间有机翼的翼梢肋，转轴4需穿过翼梢肋，因此在翼梢肋上安装轴承让转轴4通过轴承，减小转轴在旋转过程中的摩擦力。图4展示了从飞机从后往前看时左小翼的外形示意图，可见本设计的小翼有一定角度的下反角，下反角的大小与飞机的气动设计有关。

参照图5，本发明设计的小翼的整流前缘，19～24是不同的小翼前缘支架，用来支撑蒙皮25，小翼前缘支架与蒙皮25之间采用胶接，这样就形成了C状的前缘整流。最后前缘整流通过19～24所示的支架内部卡槽与第一长杆14所胶接，保证小翼的气流顺滑的流过小翼表面。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims

1.一种可变面积可转动的仿生翼梢小翼，其特征在于：包括传动机构、变形机构和整流前缘；所述传动机构包括电机，所述电机通过固定座固定于机翼翼尖侧壁上，其转子通过转轴与所述变形机构连接，所述转轴垂直于机翼翼尖侧壁，用于调整翼梢小翼相对机翼的转动角度；

2.根据权利要求1所述可变面积可转动的仿生翼梢小翼，其特征在于：所述羽毛的四边形框架用碳纤维与轻木的复合材料，碳纤维厚度为0.3mm，轻木厚度为1.5mm。

3.根据权利要求1所述可变面积可转动的仿生翼梢小翼，其特征在于：在初始状态，相邻所述羽毛的边缘相互重叠，重叠部分为羽毛短边长度的40％。

4.根据权利要求1所述可变面积可转动的仿生翼梢小翼，其特征在于：所述羽毛与所述第一长杆和第二长杆之间通过插销铰接。

5.根据权利要求1所述可变面积可转动的仿生翼梢小翼，其特征在于：所述羽毛的数量为6个。