CN113968340A - 一种使用仿生弦向波纹机翼的微型无人机 - Google Patents

一种使用仿生弦向波纹机翼的微型无人机 Download PDF

Info

Publication number
CN113968340A
CN113968340A CN202111487513.6A CN202111487513A CN113968340A CN 113968340 A CN113968340 A CN 113968340A CN 202111487513 A CN202111487513 A CN 202111487513A CN 113968340 A CN113968340 A CN 113968340A
Authority
CN
China
Prior art keywords
corrugated
wing
unmanned aerial
aerial vehicle
wings
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202111487513.6A
Other languages
English (en)
Inventor
胡天翔
赵鑫
屈秋林
撒海靖
刘沛清
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beihang University
Original Assignee
Beihang University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beihang University filed Critical Beihang University
Priority to CN202111487513.6A priority Critical patent/CN113968340A/zh
Publication of CN113968340A publication Critical patent/CN113968340A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64C—AEROPLANES; HELICOPTERS
    • B64C39/00—Aircraft not otherwise provided for
    • B64C39/02—Aircraft not otherwise provided for characterised by special use
    • B64C39/028—Micro-sized aircraft
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64C—AEROPLANES; HELICOPTERS
    • B64C3/00—Wings
    • B64C3/10—Shape of wings
    • B64C3/14—Aerofoil profile
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64C—AEROPLANES; HELICOPTERS
    • B64C39/00—Aircraft not otherwise provided for
    • B64C39/02—Aircraft not otherwise provided for characterised by special use
    • B64C39/024—Aircraft not otherwise provided for characterised by special use of the remote controlled vehicle type, i.e. RPV
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64C—AEROPLANES; HELICOPTERS
    • B64C9/00—Adjustable control surfaces or members, e.g. rudders
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64U—UNMANNED AERIAL VEHICLES [UAV]; EQUIPMENT THEREFOR
    • B64U10/00—Type of UAV
    • B64U10/25—Fixed-wing aircraft
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64U—UNMANNED AERIAL VEHICLES [UAV]; EQUIPMENT THEREFOR
    • B64U30/00—Means for producing lift; Empennages; Arrangements thereof
    • B64U30/10—Wings
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64U—UNMANNED AERIAL VEHICLES [UAV]; EQUIPMENT THEREFOR
    • B64U50/00—Propulsion; Power supply
    • B64U50/10—Propulsion
    • B64U50/19—Propulsion using electrically powered motors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64C—AEROPLANES; HELICOPTERS
    • B64C3/00—Wings
    • B64C3/10—Shape of wings
    • B64C3/14—Aerofoil profile
    • B64C2003/146—Aerofoil profile comprising leading edges of particular shape
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64C—AEROPLANES; HELICOPTERS
    • B64C9/00—Adjustable control surfaces or members, e.g. rudders
    • B64C2009/005—Ailerons
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64U—UNMANNED AERIAL VEHICLES [UAV]; EQUIPMENT THEREFOR
    • B64U2201/00—UAVs characterised by their flight controls
    • B64U2201/20—Remote controls

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Toys (AREA)
  • Aerodynamic Tests, Hydrodynamic Tests, Wind Tunnels, And Water Tanks (AREA)

Abstract

本发明公开了一种使用仿生弦向波纹机翼的微型无人机，包括：波纹机翼、动力系统、机身和气动舵面；其中，波纹机翼为固定矩形翼，波纹部分距前缘距离为10％c(c为机翼弦长)，波纹部分高度为6％c，波纹部分长度为10％c，经简化模型风洞实验证明，此种波纹结构对于延迟失速，抑制自诱导滚转振荡效果最佳。本发明的技术方案，能够有效控制在大迎角下的流动分离现象，且结构简单，在设计迎角范围内使操控能力最大化，在非设计迎角范围内有害影响最小化。

Description

一种使用仿生弦向波纹机翼的微型无人机
技术领域
本发明属于微型无人机技术领域，尤其涉及一种使用仿生弦向波纹机翼的新型微型无人机。
背景技术
微型飞行器是无人机的一种类别。微型飞行器的定义为飞行速度最大为5-20m/s，其机身最大设计长度在10-15cm，在军事、民用、科学研究等领域被越来越多的应用。微型飞行器主要分为三大类，分别是固定翼微型飞行器、旋翼微型飞行器和扑翼微型飞行器，其中固定翼的研究是目前微型飞行器中研发种类最多、应用最广的类型。
固定翼微型飞行器在设计上需要考虑小展弦比机翼的气动特性，小展弦比机翼由于其较小的展弦比以及自身的机身翼展尺寸大小等特点，很容易受到不稳定气流的影响从而造成飞行器吸力面流场结构出现非对称效应，从而产生自诱导横向非稳定性现象。这一横滚非稳定现象可以使飞行器出现大振幅的滚转振动。
传统的固定翼微型无人机普遍采用普通矩形翼等传统形状，在做大迎角飞行时容易发生失速，在飞行时也很容易受到阵风等影响，出现自诱导滚转振荡，严重时甚至会导致飞行器失控甚至坠毁。
仿生学是一门模仿生物的特殊本领，利用自然界中生物的结果和功能原理来设计研制机械和多种新技术的科学。在飞行器设计与制造中有许多灵感均来自自然界的生物。蜻蜓是一种具有良好飞行性能的昆虫，在空中能轻松做出悬停、滑翔等飞行动作。研究人员观察发现，蜻蜓的翅膀构造独特，其截面具有一种独特的波纹结构。研究表明，这种波纹结构可以有效改善大迎角下机翼的空气动力学特性。
发明内容
针对传统的固定翼矩形微型无人机，在大迎角飞行时容易发生流动分离，失去控制能力以及在飞行时很容易受到自诱导横向非稳定性现象的影响，出现自诱导滚转振荡，严重时甚至会导致飞行器失控甚至坠毁的问题，受蜻蜓翅膀波纹结构的启发，本发明提出一种新型微型无人机，本发明的具体技术方案如下：
一种使用仿生弦向波纹机翼的微型无人机，包括：波纹机翼、动力系统、气动舵面和机身，其中，
所述波纹机翼对称安装在所述机身的两侧，包括设置在所述波纹机翼前缘处的一个或两个波纹部分，所述波纹部分为三角形凸起；
所述动力系统为对称安装在所述波纹机翼前缘处的螺旋桨发动机，包括螺旋桨及其对应的电机驱动装置；
所述气动舵面为对称安装在所述波纹机翼的尾缘处的一对副翼；
所述机身的内部安装电池及信号接收发射装置，所述电池为无人机提供电能，所述信号接收发射装置用于微型无人机与地面人员通信。
进一步地，每个所述波纹部分沿机身长度方向的纵截面为三角形。
进一步地，最前端的所述波纹部分距所述波纹机翼的前缘的水平距离为10％c-60％c，每个所述波纹部分沿的长度为10％c，每个所述波纹部分的高度为6％c，其中，c为所述波纹机翼的弦长。
本发明的有益效果在于：
1.本发明采用的拥有弦向波纹结构的机翼平面，能够控制前缘流动分离，延迟失速；改善微型无人机在大迎角下产生的自诱导滚转振荡现象，提高飞行器的飞行稳定性；
3.本发明的仿生机翼的微型无人机可有效提升飞机在大迎角下的气动特性；
4.波纹结构简单可靠，同时可使飞机重心前移，提高飞行稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。其中：
图1为本发明微型无人机整体结构示意图；
图2为本发明微型无人机基本视面示意图，其中，(a)是俯视图，(b)是侧视图，(c)是正视图；
图3为本发明仿生弦向波纹机翼模型升力系数-迎角示意图，其中，(a)为DP机翼模型的升力系数曲线图，(b)为SP机翼模型的升力系数曲线图；
图4为本发明仿生弦向波纹机翼模型自诱导滚转实验结果图，其中，(a)为DP机翼模型的滚转角均方根曲线图，(b)为SP机翼模型的滚转角均方根曲线图；
图5为本发明中波纹部分的尺寸示意图。
图中：1-波纹机翼；2-动力系统；3-气动舵面；4-机身。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
如图1-2所示，一种使用仿生弦向波纹机翼的微型无人机，包括：波纹机翼1、动力系统2、气动舵面3和机身4，其中，
波纹机翼1对称安装在机身4的两侧，为固定矩形翼，包括设置在波纹机翼1前缘处的一个或两个波纹部分，波纹部分为三角形凸起；
动力系统2为通过电机架对称安装在波纹机翼1前缘处的螺旋桨发动机，包括螺旋桨及其对应的电机驱动装置；通过两侧螺旋桨差动进行航向控制；
气动舵面3为对称安装在波纹机翼1的尾缘处的一对副翼，用来在小于失速迎角情况下控制飞行姿态；
机身4的内部安装电池及信号接收发射装置，电池为无人机提供电能，信号接收发射装置用于微型无人机与地面人员通信。
在一些实施方式中，每个波纹部分沿机身长度方向的纵截面为三角形。
如图5所示，在一些实施方式中，最前端的波纹部分距波纹机翼1的前缘的水平距离为10％c-60％c，每个波纹部的长度为10％c，每个波纹部分的高度为6％c，其中，c为波纹机翼1的弦长。
本发明的微型无人机，通过波纹机翼1的结构，使得机翼表面的气流产生旋涡，增加了边界层的能量，可以有效控制在大迎角下的流动分离现象，增强无人机的横向稳定性，且结构简单可靠。
通过采用一种拥有弦向波纹结构的机翼，使得机翼表面产生循环涡结构，为边界层注入能量，降低边界层高度，从而能够控制前缘流动分离，延迟失速；通过延迟流动分离，增加机翼的横向稳定性，改善微型无人机在大迎角下产生的自诱导滚转振荡现象，提高飞行器的飞行稳定性。
为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体实施例对本发明的上述技术方案进行详细说明。
实施例1
在风速为10m/s，雷诺数为114000的条件下(无人机常见工作范围内)，在风洞中对增加了波纹结构的矩形平板机翼进行测力实验，实验结果如图3所示，其中，(a)为DP机翼模型的升力系数曲线图，(b)为SP机翼模型的升力系数曲线图，其中，横坐标为迎角，纵坐标为升力系数，base指无波纹矩形翼模型，DP指双波纹机翼模型，SP指单波纹机翼模型，10～60为波纹部分距机翼前缘距离占波纹机翼弦长的百分比；
实验结果表明本发明的波纹机翼能够显著增加机翼的失速迎角和最大升力系数。
实施例2
在风速为10m/s，雷诺数为114000的条件下(无人机常见工作范围内)，在风洞中对增加了波纹结构的矩形平板机翼进行自由滚转实验，实验结果如图4所示，其中，(a)为DP机翼模型的滚转角均方根曲线图，(b)为SP机翼模型的滚转角均方根曲线图，横坐标为迎角，纵坐标为滚转角均方根，base指无波纹矩形翼模型，DP指双波纹机翼模型，SP指单波纹机翼模型，10～60为波纹部分距机翼前缘距离占波纹机翼弦长的百分比；
实验结果表明本发明的波纹机翼结构能够延迟滚转现象的发生迎角，抑制滚转的振幅，增加机翼的横向稳定性。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种使用仿生弦向波纹机翼的微型无人机，其特征在于，包括：波纹机翼(1)、动力系统(2)、气动舵面(3)和机身(4)，其中，
所述波纹机翼(1)对称安装在所述机身(4)的两侧，包括设置在所述波纹机翼(1)前缘处的一个或两个波纹部分，所述波纹部分为三角形凸起；
所述动力系统(2)为对称安装在所述波纹机翼(1)前缘处的螺旋桨发动机，包括螺旋桨及其对应的电机驱动装置；
所述气动舵面(3)为对称安装在所述波纹机翼(1)的尾缘处的一对副翼；
所述机身(4)的内部安装电池及信号接收发射装置，所述电池为无人机提供电能，所述信号接收发射装置用于微型无人机与地面人员通信。
2.根据权利要求1所述的一种使用仿生弦向波纹机翼的微型无人机，其特征在于，每个所述波纹部分沿机身长度方向的纵截面为三角形。
3.根据权利要求1或2所述的一种使用仿生弦向波纹机翼的微型无人机，其特征在于，最前端的所述波纹部分距所述波纹机翼(1)的前缘的水平距离为10％c-60％c，每个所述波纹部分的长度为10％c，每个所述波纹部分的高度为6％c，其中，c为所述波纹机翼(1)的弦长。
CN202111487513.6A 2021-12-08 2021-12-08 一种使用仿生弦向波纹机翼的微型无人机 Pending CN113968340A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111487513.6A CN113968340A (zh) 2021-12-08 2021-12-08 一种使用仿生弦向波纹机翼的微型无人机

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111487513.6A CN113968340A (zh) 2021-12-08 2021-12-08 一种使用仿生弦向波纹机翼的微型无人机

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN113968340A true CN113968340A (zh) 2022-01-25

Family

ID=79590655

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111487513.6A Pending CN113968340A (zh) 2021-12-08 2021-12-08 一种使用仿生弦向波纹机翼的微型无人机

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113968340A (zh)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19743907C1 (de) * 1997-10-04 1998-12-10 Daimler Benz Aerospace Airbus Tragfläche mit kurzgekoppeltem Triebwerk
CN104108462A (zh) * 2014-08-03 2014-10-22 佛山市神风航空科技有限公司 一种波纹机翼
CN104139846A (zh) * 2014-08-03 2014-11-12 佛山市神风航空科技有限公司 一种带坑机翼
CN108033008A (zh) * 2017-12-15 2018-05-15 佛山市神风航空科技有限公司 一种放牧用仿生机械鸟及其飞行控制方法
CN112173064A (zh) * 2020-11-04 2021-01-05 上海市应用数学和力学研究所 一种基于缝翼凹腔波纹壁的飞机机翼降噪结构
CN112298549A (zh) * 2020-10-30 2021-02-02 北京航空航天大学 具有仿生波状前缘的倾转旋翼及倾转旋翼机
CN113173248A (zh) * 2021-05-07 2021-07-27 北京航空航天大学 一种机腹吸附壁面的微型固定翼无人机

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19743907C1 (de) * 1997-10-04 1998-12-10 Daimler Benz Aerospace Airbus Tragfläche mit kurzgekoppeltem Triebwerk
CN104108462A (zh) * 2014-08-03 2014-10-22 佛山市神风航空科技有限公司 一种波纹机翼
CN104139846A (zh) * 2014-08-03 2014-11-12 佛山市神风航空科技有限公司 一种带坑机翼
CN108033008A (zh) * 2017-12-15 2018-05-15 佛山市神风航空科技有限公司 一种放牧用仿生机械鸟及其飞行控制方法
CN112298549A (zh) * 2020-10-30 2021-02-02 北京航空航天大学 具有仿生波状前缘的倾转旋翼及倾转旋翼机
CN112173064A (zh) * 2020-11-04 2021-01-05 上海市应用数学和力学研究所 一种基于缝翼凹腔波纹壁的飞机机翼降噪结构
CN113173248A (zh) * 2021-05-07 2021-07-27 北京航空航天大学 一种机腹吸附壁面的微型固定翼无人机

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JEFFERY T: "An experimental study of a bio-inspired corrugated airfoil for micro air vehicle applications", EXPERIMENTS IN FLUIDS *
华如豪等: "《排翼布局飞行器气动性能的实验研究》", 《实验力学》 *
华如豪等: "《排翼布局飞行器气动性能的实验研究》", 《实验力学》, vol. 28, no. 4, 31 August 2013 (2013-08-31), pages 453 - 458 *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8123160B2 (en) Aircraft configuration for micro and mini UAV
CN108639339B (zh) 一种无人机气动布局
CN109808913B (zh) 一种带有可偏转翼梢小翼的无人机设计方法
CN205022861U (zh) 垂直起降固定翼飞行器
CN113371190A (zh) 一种基于常规旋翼构型的复合式高速直升机
CN109050876B (zh) 一种使用仿生机翼的微型无人机
CN108528710B (zh) 一种扑翼矩阵飞行器气动布局
CN106628115A (zh) 一种四涵道飞翼式无人机
CN111846215B (zh) 一种尾推式无舵面双涵道无人飞行器
CN113968341B (zh) 一种使用仿生小翼的微型无人机
CN113968340A (zh) 一种使用仿生弦向波纹机翼的微型无人机
Yusoff et al. The evolution of induced drag of multi-winglets for aerodynamic performance of NACA23015
CN205469774U (zh) 具有尾翼的飞机
CN211364907U (zh) 一种低速无人机气动布局
US20150122942A1 (en) Method for generating lift and a device for implementing method
CN207902734U (zh) 一种气动布局的无人机
CN109050877B (zh) 一种使用斜槽引气机翼的微型无人机
CN208931639U (zh) 一种新型涵道式垂直起降无人机
CN208306986U (zh) 一种双发差速控制的垂直起降固定翼飞行器
CN106184773B (zh) 一种尾座式涵道无人机
CN105292461B (zh) 一种四发飞行器
CN205131627U (zh) 一种双桨飞行器
Makgantai et al. A review on wingtip devices for reducing induced drag on fixed-wing drones
CN216969987U (zh) 一种固定翼无人机的翼梢小翼
CN216684845U (zh) 翼桨涵体飞行器

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination