CN110667824B

CN110667824B - 一种可变面积可转动的仿生水平尾翼

Info

Publication number: CN110667824B
Application number: CN201910937405.0A
Authority: CN
Inventors: 周洲; 郑黎明; 王正平; 王睿; 张志林; 邸伟承; 白帆; 张成成; 孙蓬勃; 王家琛
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2019-09-30
Filing date: 2019-09-30
Publication date: 2020-12-08
Anticipated expiration: 2039-09-30
Also published as: CN110667824A

Abstract

本发明一种可变面积可转动的仿生水平尾翼，属于飞行器技术领域；包括平尾转动机构、平尾偏转控制机构和变面积机构；所述平尾转动机构一端固定于机身尾部中心位置，另一端与所述平尾偏转控制机构连接；两组所述变面积机构对称设置与所述平尾偏转控制机构两侧；所述平尾转动机构包括电机、电机座和第一转轴；所述平尾偏转控制机构包括第一舵机、第一连杆、第二转轴和尾翼支撑框架；所述第一舵机固定安装于所述第一转轴的输出端；所述变面积机构包括第二舵机、第二连杆、固定板、第一长杆、第二长杆和多个羽毛；本发明具备航向操作能力，能够绕着对称轴整体转动，在转动一定角度后，增大了侧向的面积，意味着尾翼可以带来航向的力矩。

Description

一种可变面积可转动的仿生水平尾翼

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水平尾翼。

背景技术

仿生飞行器近些年来逐渐成为热点，扑翼飞行器可以做到外形极为逼真，并且可以拥有较好的控制效果，与此同时飞行效率更高的固定翼无人机也逐渐采用一系列的仿生技术，来提高飞行器的升阻比，改善控制效果，以此来满足达到更长的航时和适应更复杂飞行环境的要求。目前有很多应用在机翼上的仿生技术，比如仿生翅膀、固定翼的羽毛式的翼尖等，尾翼同样是很重要的升力面和操纵面，因此本发明目的是发明一种可以有效提高升力特性、阻力特性、操纵特性的尾翼。

目前，被大众所熟知的飞行器尾翼一般包括水平尾翼和垂直尾翼，一些战斗机采用V型尾翼来同时控制飞行器的俯仰和偏航。上述控制方式不能改变尾翼的面积，仅通过控制舵面来改变尾翼所受的气动力，从而改变飞行器的俯仰和偏航。现有的面积不可变的飞行器，在起飞和降落等速度较低时，飞行器的操纵性较差，并在巡航时因为平尾浸润面积较大，阻力也会相对较大。

大自然中鸟类的尾翼通过打开和收缩尾翼的羽毛来改变尾翼的面积，在起飞和降落中通过增大尾翼面积来提高操纵性，在空中飞行时，通过尾翼面积的改变来降低巡航的阻力，提高航程，比如信天翁，拥有可变面积的尾翼，在起飞和降落时打开，在巡航时收缩，这种独特的控制方法能够极大的提高鸟类的灵活度和改善巡航时的效率。

对于手抛式起飞的飞行器，减小翼载是降低起飞速度并提高起飞和降落安全系数的重要措施，采用可变面积的尾翼在一定程度上减小了翼载，在使用时有较大优势。

另外，自然界的鸟类只有一个水平尾翼，但是鸟类可以靠尾部肌肉进行多自由度的控制，现在仿生的飞行器尾翼也只是进行俯仰控制，比如西北工业大学的“信鸽无人机”等扑翼类无人机，扑翼类无人机可以通过翅膀两边的不同震动等进行航向和横向控制。另外还有仿生的固定翼无人机，比如近些年研究较为热门的仿生太阳能无人机，平尾也都是进行俯仰操作。本发明中无人机除了可以进行俯仰操作外，还可以在一定范围内转动平尾，产生一定的侧向面积，因此会产生一定的航向操作效果。因此要优于现在仿生飞行器的尾翼操纵。仿照鸟类的尾部的羽毛及控制策略，进行可变面积的尾翼设计会提高飞行器的操纵性和巡航性能。

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水平尾翼，通采用伺服舵机来控制长边平行四边形的转角，通过平行四边形转动机构来改变各个羽毛间的重叠面积，从而达到控制面积变化的效果。整个尾翼可以绕飞行器的纵向对称轴转动，在转动后可以产生一定的航向操作效果。

本发明的技术方案是：一种可变面积可转动的仿生水平尾翼，其特征在于：包括平尾转动机构、平尾偏转控制机构和变面积机构；所述平尾转动机构一端固定于机身尾部中心位置，另一端与所述平尾偏转控制机构连接；两组所述变面积机构对称设置与所述平尾偏转控制机构两侧；

所述平尾转动机构包括电机、电机座和第一转轴；所述电机通过电机座固定于机身尾部中心处，所述第一转轴同轴固定于电机的转子上；通过电机带动平尾偏转控制机构和变面积机构绕所述第一转轴转动；

所述平尾偏转控制机构包括第一舵机、第一连杆、第二转轴和尾翼支撑框架；所述第一舵机固定安装于所述第一转轴的输出端；所述第二转轴垂直安装于所述第一转轴输出端的端头，并保证其轴向平行于机翼的展向；所述第一连杆一端与所述第一舵机的摆臂固定，另一端与通过舵角与所述第二转轴连接；所述尾翼支撑框架上端中心处与所述第二转轴固定，两组所述变面积机构对称安装于所述尾翼支撑框架的两侧；通过所述第一舵机控制第一连杆带动所述尾翼支撑框架和两组变面积机构绕所述第二转轴转动；

所述变面积机构包括第二舵机、第二连杆、固定板、第一长杆、第二长杆和多个羽毛；所述第二舵机固定于所述尾翼支撑框架上，其摆臂与所述第二连杆的一端铰接；所述固定板垂直固定于所述尾翼支撑框架外侧面，并垂直于所述仿生水平尾翼的对称面；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靠近机身一端铰接；所述第二长杆与固定板铰接端的端头穿过所述尾翼支撑框架外侧面，与所述第二连杆的另一端铰接；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、以及所述仿生水平尾翼的对称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，并从所述仿生水平尾翼的对称面到尾翼的尖部方向按照等比例缩小；由所述第二舵机带动第二连杆控制所述平行四边形结构转动角度，进一步实现所述变面积机构的面积改变。

本发明的进一步技术方案是：所述尾翼支撑框架包括第一翼肋、第二翼肋、第三翼肋、第一加强板、第二加强板、第三加强板和前缘条；两个所述第二翼肋对称固定于所述第二转轴的两端，并垂直于第二转轴的轴向，其上部通过所述第一加强板固定；所述第一翼肋平行固定于两个所述第二翼肋的中间，其前缘与所述第一加强板固定，其后缘突出于两个所述第二翼肋的后缘的连线，由两个第二翼肋的后缘和第一翼肋的后缘组成一个三角形结构；两个所述第三翼肋对称固定于两个所述第二翼肋的外侧，其后缘均与所述第一翼肋的后缘固定，两个所述第二翼肋的后缘分别固定于两个第三翼肋靠近后缘的弦长处；两个所述前缘条的一端分别与两个第二翼肋前缘固定，另一端分别与两个第三翼肋的前缘固定；由两个前缘条和两个第三翼肋组成仿菱形结构；所述第一翼肋、第二翼肋和第三翼肋的中部通过所述第二加强板固定，尾部通过第三加强板固定。

本发明的进一步技术方案是：所述第三加强板为三角形结构，贴合安装于由两个第二翼肋的后缘和第一翼肋的后缘组成一个三角形结构内。

本发明的进一步技术方案是：所述第一转轴为碳杆。

本发明的进一步技术方案是：所述变面积机构还包括整流罩，所述整流罩包括蒙皮和多个前缘支架；所述前缘支架为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，并从所述仿生水平尾翼的对称面到尾翼的尖部方向按照等比例缩小；所述蒙皮包覆于多个所述前缘支架的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：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：所述羽毛的四边形框架用碳纤维板，厚度为1mm。

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：本发明对大自然中的鸟类飞行时尾翼运动进行研究，比如信天翁。做出仿生的羽毛、尾翼面积变化机构、尾翼转动机构。因此本发明一共有3个操作机构，分别是变面积、平尾偏转、整个平尾绕对称轴的旋转。相比于传统的平尾，本发明的平尾拥有以下优势：

1.本发明可以变面积，可以通过改变平尾的面积来改变平尾的舵效。

表1可变面积的参数

参数	δ<sub>s</sub>	面积(m<sup>2</sup>)	舵效(角度制)
				最小面积	10°	0.040m<sup>2</sup>	0.0023
基准状态	42.8°	0.069m<sup>2</sup>	0.0062
				最大面积	90°	0.083m<sup>2</sup>	0.0094

其中δ_s表示可变面积部分的前缘与机体轴系的Ox_b的夹角。面积指的是平尾的投影面积，舵效是在0度迎角0度侧滑角0度平尾舵偏角时的角度制舵效值，它表示平尾偏转1度时，带来的俯仰力矩系数的改变量。

图3表示尾翼进行面积变化的简图，左边的图是最大面积示意图，右边是最小面积示意图。面积变化范围是0.040～0.083，最大面积大概是最小面积的2倍。舵效随着面积增大而增大，最大舵效是最小舵效的4倍。

2飞机巡航时可以拥有更小的气动阻力，因为飞机在高速巡航时可以减小平尾的面积，从而减少浸润面积，一定程度上会减少气动阻力。

3.在起飞和降落等低速阶段拥有更好的安全性，在速度较低时可以增大平尾的面积，此时增大了舵效，大的舵效意味着相同舵偏可以拥有较大的力矩改变量，因此可以在低速时保证飞机的纵向稳定性。

本发明的尾翼具备一定的航向操作能力，因其能够绕着对称轴整体转动，在转动一定角度后，增大了侧向的面积，意味着尾翼可以带来航向的力矩。因此，本发明的尾翼同时具备纵向和航向的操作能力。

附图说明

图1信天翁尾翼示意图。

图2本发明仿生水平尾翼的结构示意图。

图3本发明尾翼面积变化范围简图。

图4本发明羽毛示意图。

图5尾翼控制区域的结构示意图。

附图标记说明：1.固定板、2-7.羽毛、8.第一长杆、9.第二长杆、10.第二舵机、11.第二连杆、12.第二翼肋、13.前缘条、14.第一加强板、15.第一翼肋、16.第二加强板、17.第三翼肋、18.第三加强板、19.第二转轴、20.第一连杆、21.第一舵机、22.电机座、23.电机、24.第一转轴、25.固定杆。

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水平尾翼包括平尾转动机构、平尾偏转控制机构和变面积机构；所述平尾转动机构一端固定于机身尾部中心位置，另一端与所述平尾偏转控制机构连接；两组所述变面积机构对称设置与所述平尾偏转控制机构两侧；

参照图2，所述平尾转动机构包括电机23、电机座22和第一转轴24；所述电机23通过电机座22固定于机身尾部的固定杆25上，第一转轴24同轴固定于电机23的转子上；通过电机23带动平尾偏转控制机构和变面积机构绕第一转轴24转动；固定杆25和第一转轴24均为碳杆；

所述平尾偏转控制机构包括第一舵机21、第一连杆20、第二转轴19和尾翼支撑框架；第一舵机21固定安装于第一转轴24的输出端；第二转轴19垂直固定于第一转轴24输出端的端头，并保证其轴向平行于机翼的展向；第一连杆20一端与第一舵机21的摆臂固定，另一端与通过舵角与所述第二转轴连接；所述尾翼支撑框架上端中心处与所述第二转轴固定，两组所述变面积机构对称安装于所述尾翼支撑框架的两侧；通过所述第一舵机控制第一连杆带动所述尾翼支撑框架和两组变面积机构绕所述第二转轴转动；

所述尾翼支撑框架包括第一翼肋15、第二翼肋12、第三翼肋17、第一加强板14、第二加强板16、第三加强板18和前缘条13；两个第二翼肋12对称固定于第二转轴19的两端，并垂直于第二转轴19的轴向，其上部通过第一加强板14固定；第一翼肋15平行固定于两个第二翼肋12的中间，其前缘与第一加强板14固定，其后缘突出于两个第二翼肋12的后缘的连线，由两个第二翼肋12的后缘和第一翼肋15的后缘组成一个三角形结构；两个第三翼肋17对称固定于两个第二翼肋12的外侧，其后缘均与第一翼肋15的后缘固定，两个第二翼肋12的后缘分别固定于两个第三翼肋17靠近后缘的弦长处；两个前缘条12的一端分别与两个第二翼肋12前缘固定，另一端分别与两个第三翼肋17的前缘固定；由两个前缘条13和两个第三翼肋17组成仿菱形结构；第一翼肋15、两个第二翼肋12和两个第三翼肋17的中部通过所述第二加强板16固定，尾部通过第三加强板18固定。第三加强板18为三角形结构，贴合安装于由两个第二翼肋的后缘和第一翼肋的后缘组成一个三角形结构内。

所述变面积机构包括第二舵机10、第二连杆11、固定板1、第一长杆8、第二长杆9和多个羽毛；第二舵机10固定于所述尾翼支撑框架的第三翼肋17内侧面上，其摆臂与第二连杆11的一端铰接；固定板1垂直固定于第三翼肋17外侧面，并垂直于所述仿生水平尾翼的对称面；第一长杆8和第二长杆9平行设置，其一端均与固定板1靠近机身一端铰接；第二长杆9与固定板1铰接端的端头穿过第三翼肋17，与第二连杆11的另一端铰接；第一长杆8和第二长杆9分别沿长度方向均布多个通孔；

参照图2，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板，厚度为1mm。所述蒙膜是覆盖于四边形框架上，材质为不透风的表面覆有橡胶层的纤维蒙膜。所述四边形框架的两侧长边相互平行，其上端的短边在常规巡航点状态下平行于第二长杆9，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；通过短杆分别通过插销与第一长杆8和第二长杆9铰接，并保证羽毛上的短杆、第一长杆8和第二长杆9与固定板的铰接孔的连线、以及所述仿生水平尾翼的对称面三者之间相互平行；由羽毛上的短杆、第一长杆8、第二长杆9、以及所述固定板1的铰接孔的连线组成平行四边形结构；多个所述羽毛沿第一长杆8和第二长杆9的长度方向均布，铰接于第一长杆8和第二长杆9上的多个通孔处，并从所述仿生水平尾翼的对称面到尾翼的尖部方向按照等比例缩小，羽毛的数量为6个；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％。由第二舵机10带动第二连杆11控制所述平行四边形结构转动角度，实现所述变面积机构的面积改变，进而改变羽毛的叠加面积，达到控制尾翼面积的效果。

另外，限制该机构可变面积大小的因素主要是第一长杆8和第二长杆9之间的间距极限，因为第一长杆8和第二长杆9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8和第二长杆9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。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。

所述变面积机构还包括整流罩，所述整流罩包括蒙皮和多个前缘支架；所述前缘支架为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，并从所述仿生水平尾翼的对称面到尾翼的尖部方向按照等比例缩小；所述蒙皮包覆于多个所述前缘支架的C型外圆弧上，用于调整小翼前缘的气流。

平尾在正常式布局且静稳定的飞机中主要起到俯仰配平的作用，一般静稳定的飞机机翼的焦点在重心之后，因此机翼产生的升力会使飞机低头，加入平尾之后，平尾产生向下的配平力，使飞机处于力矩平衡的状态。因此飞机在定直平飞的状态下，平尾所受的气动力一般向下，所以，在设计羽毛尾翼时，选择羽毛叠加的方向尤为重要。本发明中羽毛由2到7，是按照从下到上的顺序叠加的，保证羽毛在飞行过程中的紧密配合。

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水平尾翼，其特征在于：包括平尾转动机构、平尾偏转控制机构和变面积机构；所述平尾转动机构一端固定于机身尾部中心位置，另一端与所述平尾偏转控制机构连接；两组所述变面积机构对称设置与所述平尾偏转控制机构两侧；

2.根据权利要求1所述可变面积可转动的仿生水平尾翼，其特征在于：所述尾翼支撑框架包括第一翼肋、第二翼肋、第三翼肋、第一加强板、第二加强板、第三加强板和前缘条；两个所述第二翼肋对称固定于所述第二转轴的两端，并垂直于第二转轴的轴向，其上部通过所述第一加强板固定；所述第一翼肋平行固定于两个所述第二翼肋的中间，其前缘与所述第一加强板固定，其后缘突出于两个所述第二翼肋的后缘的连线，由两个第二翼肋的后缘和第一翼肋的后缘组成一个三角形结构；两个所述第三翼肋对称固定于两个所述第二翼肋的外侧，其后缘均与所述第一翼肋的后缘固定，两个所述第二翼肋的后缘分别固定于两个第三翼肋靠近后缘的弦长处；两个所述前缘条的一端分别与两个第二翼肋前缘固定，另一端分别与两个第三翼肋的前缘固定；由两个前缘条和两个第三翼肋组成仿菱形结构；所述第一翼肋、第二翼肋和第三翼肋的中部通过所述第二加强板固定，尾部通过第三加强板固定。

3.根据权利要求2所述可变面积可转动的仿生水平尾翼，其特征在于：所述第三加强板为三角形结构，贴合安装于由两个第二翼肋的后缘和第一翼肋的后缘组成一个三角形结构内。

4.根据权利要求1所述可变面积可转动的仿生水平尾翼，其特征在于：所述第一转轴为碳杆。

5.根据权利要求1所述可变面积可转动的仿生水平尾翼，其特征在于：所述变面积机构还包括整流罩，所述整流罩包括蒙皮和多个前缘支架；所述前缘支架为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，并从所述仿生水平尾翼的对称面到尾翼的尖部方向按照等比例缩小；所述蒙皮包覆于多个所述前缘支架的C型外圆弧上，用于调整小翼前缘的气流。

6.根据权利要求1所述可变面积可转动的仿生水平尾翼，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％。

7.根据权利要求1所述可变面积可转动的仿生水平尾翼，其特征在于：所述羽毛的四边形框架用碳纤维板，厚度为1mm。

8.根据权利要求1所述可变面积可转动的仿生水平尾翼，其特征在于：所述羽毛的数量为6个。