CN114872895A - 一种用于微型扑翼飞行器的可折展复合材料扑翼结构及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微型扑翼飞行器的复合材料可折展扑翼结构，该发明以昆虫可折叠展开后翅的结构为灵感，提供了一种带状弹簧‑碳杆‑扑翼一体式加工的制作方法，带状弹簧‑碳杆结构使用的复合材料为碳纤维增强环氧树脂基复合材料，由单向环氧树脂碳纤维预浸料带通过模压法在高温环境下固化得到，其位置设计于扑翼的前缘处，其几何参数通过实际使用的预浸料类型和力学要求计算获得，使扑翼在拍动过程中，既可以维持提供特定升力下所需满足的展开外形，又可以在与外界物体发生碰撞时，通过折叠起到缓冲的作用；而在微型扑翼飞行器不工作时，可以将扑翼折叠收起，减小占据空间，增强微型扑翼飞行器的便携性和实用性。

Description

一种用于微型扑翼飞行器的可折展复合材料扑翼结构及制备 方法

技术领域

本发明提供一种用于微型扑翼飞行器的可折展复合材料扑翼结构及制备方法，属于飞行器设计制造领域。

背景技术

仿生微型扑翼飞行器作为一类微型飞行器，具有重量轻、体积小、隐蔽性好、成本低等优点，在军事和民用场景下具有广泛的应用前景，如在某些军事场景下，要求飞行器能够穿越狭小空间，并对外界障碍物有一定的抗干扰能力。目前传统的仿生微型扑翼飞行器能够通过翼的拍动提供充足的升力，在较为开阔的空间完成悬停、爬升等飞行动作，但是飞行器无法在小于其展开尺寸的空间内飞行，且当翼在拍动过程中碰到其他物体时，其飞行姿态和轨迹往往会急剧改变，进一步失去平衡导致无法控制。造成这种问题的原因在于传统扑翼上的碳纤维复合材料杆为了起到支撑作用，均为不可弯折杆，且为了给对应量级下飞行器提供足够的升力，设计的翼展尺寸也难以小型化，不利于便携。现有的可折叠翼往往结构复杂、重量大，只能实现手动折叠，且无法应用于扑翼飞行器的实际飞行。2020年，韩国建国大学设计了一款可折叠翼，翼前缘中间用直径0.2mm的超弹性镍钛合金丝取代，可以实现纵向和横向折叠，飞行过程中受到外界冲击时可以弯曲实现缓冲，并通过变形储存能量以便其快速展开，实现了可折叠翼在实际飞行应用的突破；其缺点是该处反复弯折容易产生疲劳断裂，寿命较短，且部件较多，加工工艺复杂。

在自然界中，昆虫的后翅除了能在拍动过程中提供充足的升力，在还能在停靠时折叠收起，这得益于后翅中类似于带状弹簧构造的翅脉。本发明以昆虫可折叠展开的后翅结构为灵感，提供了一种用于微型扑翼飞行器的可折展复合材料扑翼结构及制备方法。可折展复合材料扑翼结构包含带状弹簧结构，其位置设计于扑翼的前缘中间位置处，得益于带状弹簧的力学性能，可以通过设计使其提供所需刚度，使得扑翼在正常拍动过程中，可以维持提供特定升力下所需的展开外形，只有在与外界物体发生碰撞且冲击载荷大于带状弹簧承弯的峰值力矩时，弹簧才会弯曲折叠以实现缓冲吸能的作用；在微型扑翼飞行器非工作状态下，扑翼通过弹簧完全折叠收起，减小收纳空间，增强微型扑翼飞行器的便携性和实用性。可折展复合材料扑翼结构的制备方法中，使用预浸料为原材料，采用模压法制备，实现可折展复合材料扑翼结构的一体成型，具有整体性好、加工工艺简单和使用寿命长的优点，为用于微型扑翼飞行器的可折叠翼研制提供了一种新思路。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于微型扑翼飞行器的可折展复合材料扑翼结构及制备方法，以提高现有可折叠翼的使用寿命和改进加工工艺。

本发明所采用的技术方案如下：

1)本发明的一种用于微型扑翼飞行器的可折展复合材料扑翼结构，它是一种整体式的带状弹簧铰链，与扑翼翼膜搭配使用，具有展开和折叠两种状态。可折展复合材料扑翼结构由两个单侧的整体式带状弹簧分别与扑翼翼膜前缘位置处的正反两面对向胶接形成，沿翼展从内向外，其构造的对应顺序依次是细长杆区域、对向式带状弹簧区域、细长杆区域。所述细长杆区域截面形状为矩形，正视图对应的面为胶接面，与扑翼翼膜前缘位置胶接；所述对向式带状弹簧区域截面形状为两段对称的圆弧形，该区域对应扑翼翼膜的开口区，不与扑翼翼膜胶接，保证了可折展复合材料扑翼结构的可折展性能。所述对向式带状弹簧区域与两侧细长杆区域的衔接处有曲面过渡区，保证可折展复合材料扑翼结构的整体性。可折展复合材料扑翼结构的形状尺寸设计，需结合选用的复合材料类型进行力学计算分析，设计细长杆区域的单侧的宽度和厚度，设计对向式带状弹簧区域的厚度、半径、截面圆弧对应圆心角等截面参数，并设计区域衔接处的变厚度方案。

本发明的一种用于微型扑翼飞行器的可折展复合材料扑翼结构的优点是：

①本发明的一种用于微型扑翼飞行器的可折展复合材料扑翼结构，设计了位于扑翼翼膜前缘和具有折叠和展开功能的复合材料扑翼结构，该结构中间段为对向式带状弹簧，通过形状和尺寸设计，可以提供微型扑翼飞行器的扑翼在正常拍动下维持展开构型所需的刚度，避免反复弯折，提高使用寿命；当拍动过程中扑翼外段遇障时，冲击载荷大于带状弹簧弯折的峰值力矩，对向式带状弹簧区域可以通过弯折吸收能量缓冲外界的冲击。

②本发明的一种用于微型扑翼飞行器的可折展复合材料扑翼结构，设计了整体式的可折展复合材料扑翼结构，该结构不同区域的衔接光滑，无需使用辅助部件，结构简单、部件少，实现了可折叠翼轻量化和一体化。

2)本发明一种用于微型扑翼飞行器的可折展复合材料扑翼结构的制备方法，其制备步骤如下：

步骤一、根据力学计算分析得到可折展复合材料扑翼结构的尺寸，按照设计铺层方案对预浸料进行剪裁，得到预浸料单层，并按照设计铺层方案铺放预浸料。

步骤二、使用模压法制备两片相同的单侧整体式带状弹簧。

步骤三、按照微型飞行器的尺寸等要求，裁剪对应尺寸的扑翼翼膜，在扑翼翼膜前缘适当位置处为对向式带状弹簧区域留出缺口，并为细长杆区域留出胶接带。

步骤四、将两片相同的单侧整体式带状弹簧的胶接面通过胶粘剂分别与扑翼翼膜的胶接带两面进行粘接，形成可折展复合材料扑翼结构。

其中，步骤一中所述的“预浸料”，其中复合材料的增强材料为碳纤维、玻璃纤维、Kevlar纤维、硼纤维、植物纤维或以上纤维织物，复合材料的基体为环氧树脂、聚酯树脂、苯乙烯、苯乙烯-丁二烯、反式聚异戊二烯、氰酸酯、聚氨酯、聚降冰片烯、聚酰亚胺、双马来酰亚胺、聚酰胺、聚苯硫醚、聚芳醚酮、聚乙烯醇。

其中，步骤三中所述的“扑翼翼膜”为聚酰亚胺薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚酰亚胺薄膜、聚酯纤维薄膜、聚四氟乙烯薄膜、聚醚醚酮薄膜、聚苯硫醚薄膜、聚苯并咪唑薄膜。

其中，步骤四中所述的“胶粘剂”包括但不限于环氧树脂胶粘剂、环氧酚醛胶粘剂、聚酰亚胺胶粘剂、酚醛树脂胶粘剂和有机硅树脂胶粘剂中的一种，具体选择何种类型的胶粘剂根据所选择组分材料中的聚合物材料确定，即胶粘剂固化的条件尤其是固化温度要与组分材料中的聚合物材料相匹配。

本发明一种用于微型扑翼飞行器的可折展复合材料扑翼结构的制备方法的优点是：

①本发明一种用于微型扑翼飞行器的可折展复合材料扑翼结构的制备方法简单可行，实现一体化成型。利用预浸料的铺层和粘接，在细长杆区域和对向式带状弹簧区域的衔接处设计变厚度的层合结构，能保证过渡自然光滑，有很好的整体性。

②按照本发明一种用于微型扑翼飞行器的可折展复合材料扑翼结构的制备方法制作的可折叠翼具有很强的可设计性。传统手工翼的前缘往往采用固定直径的复合材料碳纤维杆，设计空间有限，而按照此制备方法制备可折叠翼时，可以利用复合材料铺层变化分别设计细长杆区域和对向式带状弹簧区域的厚度，有很强的可设计性。

附图说明

图1是一种用于微型扑翼飞行器的可折展复合材料扑翼结构展开时的应用示意图。

图2是一种用于微型扑翼飞行器的可折展复合材料扑翼结构折叠时的应用示意图。

图3是可折展复合材料扑翼结构展开状态的正视图。

图4是可折展复合材料扑翼结构对向式带状弹簧区域的截面示意图。

图5是剪裁的扑翼翼膜的尺寸示意图。

图6是带状弹簧的胶接面与扑翼翼膜的粘接位置示意图。

图7是用于微型扑翼飞行器的可折展复合材料扑翼结构的制备方法流程框图。

图1中：1.扑翼翼膜。

图3中：2.细长杆区域，3.对向式带状弹簧区域，4.细长杆区域。

图5中：5.胶接带。

具体实施方式

下面结合附图和实施实例对本发明做出进一步的说明。

1)本发明的一种用于微型扑翼飞行器的可折展复合材料扑翼结构，它是一种整体式的带状弹簧铰链，与扑翼翼膜1搭配使用，具有展开(如图1所示)和折叠(如图2所示)两种状态。可折展复合材料扑翼结构由两个单侧的整体式带状弹簧分别与扑翼翼膜前缘位置处的正反两面对向胶接形成，沿翼展从内向外，其构造的对应顺序依次是细长杆区域2、对向式带状弹簧区域3、细长杆区域4(如图3所示)。所述细长杆区域2和4截面形状为矩形，正视图对应的面为胶接面，与扑翼翼膜前缘位置胶接；所述对向式带状弹簧区域3截面形状为两段对称的圆弧形(如图4所示)，该区域对应扑翼翼膜的开口区，不与扑翼翼膜胶接，保证了可折展复合材料扑翼结构的可折展性能。所述对向式带状弹簧区域3与两侧细长杆区域2和4的衔接处有曲面过渡区，保证可折展复合材料扑翼结构的整体性。可折展复合材料扑翼结构的形状尺寸设计，需结合选用的复合材料类型进行实际力学计算，设计细长杆区域2和4的单侧的宽度和厚度，设计对向式带状弹簧区域3的厚度、半径、截面圆弧对应圆心角等截面参数，并设计区域衔接处的变厚度方案。对于本发明的用于微型扑翼飞行器的可折展复合材料扑翼结构，其与仿生微型扑翼飞行器相连端的所述细长杆区域2或4长度可根据实际需求灵活设计，预留出与仿生微型扑翼飞行器相连的长度。

本发明的一种用于微型扑翼飞行器的可折展复合材料扑翼结构，根据微型扑翼飞行器扑翼的拍动运动，保证正常拍动下可折展复合材料扑翼结构的刚度满足要求，保证翼展外段的拍动遇障时可折展复合材料扑翼结构可以通过弯折缓冲外界的冲击。在设计本发明的用于微型扑翼飞行器的可折展复合材料扑翼结构时，需重点关注选取的复合材料属性参数、细长杆区域2和4的尺寸和对向式带状弹簧区域3的几何形状及尺寸。根据微型扑翼飞行器的扑翼尺寸，设计的可折展复合材料扑翼结构细长杆区域的宽度和厚度尺寸建议范围为(0.5-2.0)mm；单侧对向式带状弹簧区域的宽度和厚度尺寸应与细长杆区域对应的尺寸在同一量级，该区域截面对应的圆心角建议范围为(30-150)°。

本发明一种用于微型扑翼飞行器的可折展复合材料扑翼结构的制备方法的流程如图5所示，首先需要设计细长杆区域2和4和带状弹簧区域的铺层角度和层数，对预浸料进行铺层和剪裁，得到两片相同的复合材料薄片。使用模压法作为固化成型方法制备两片相同的单侧整体式带状弹簧，按照微型飞行器的尺寸等要求，裁剪对应尺寸的扑翼翼膜，在扑翼翼膜前缘适当位置处为对向式带状弹簧区域3留出缺口(如图5所示)，并为细长杆区域2和4留出胶接带5，最后将两片相同的单侧整体式带状弹簧的胶接面通过胶粘剂分别与扑翼翼膜1的胶接带5两面进行粘接，形成与扑翼翼膜1结合的可折展复合材料扑翼结构(如图6所示)。

见图7，本发明一种用于微型扑翼飞行器的可折展复合材料扑翼结构的制备方法，其具体制备步骤如下：

步骤一、根据力学计算得到可折展复合材料扑翼结构的尺寸，对预浸料进行铺层和剪裁，得到两片相同的预浸料薄片。

步骤二、使用模压法制备两片相同的单侧整体式带状弹簧。

步骤三、按照微型飞行器的尺寸等要求，裁剪对应尺寸的扑翼翼膜，在扑翼翼膜前缘适当位置处为对向式带状弹簧区域3留出缺口，并为细长杆区域2和4留出胶接带5。

步骤四、将两片相同的单侧整体式带状弹簧的胶接面通过胶粘剂分别与扑翼翼膜1的胶接带5两面进行粘接，形成与扑翼翼膜结合的可折展复合材料扑翼结构。

其中，步骤一中所述的“预浸料”，其中复合材料的增强材料为碳纤维、玻璃纤维、Kevlar纤维、硼纤维、植物纤维或以上纤维织物，复合材料的基体为环氧树脂、聚酯树脂、苯乙烯、苯乙烯-丁二烯、反式聚异戊二烯、氰酸酯、聚氨酯、聚降冰片烯、聚酰亚胺、双马来酰亚胺、聚酰胺、聚苯硫醚、聚芳醚酮、聚乙烯醇。

其中，步骤三中所述的“扑翼翼膜”为聚酰亚胺薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚酰亚胺薄膜、聚酯纤维薄膜、聚四氟乙烯薄膜、聚醚醚酮薄膜、聚苯硫醚薄膜、聚苯并咪唑薄膜。

其中，步骤四中所述的“胶粘剂”包括但不限于环氧树脂胶粘剂、环氧酚醛胶粘剂、聚酰亚胺胶粘剂、酚醛树脂胶粘剂和有机硅树脂胶粘剂中的一种，具体选择何种类型的胶粘剂根据所选择组分材料中的聚合物材料确定，即胶粘剂固化的条件尤其是固化温度要与组分材料中的聚合物材料相匹配。

Claims (5)

1.一种用于微型扑翼飞行器的可折展复合材料扑翼结构，其特征在于：它是一种整体式的带状弹簧铰链，与扑翼翼膜搭配使用，具有展开和折叠两种状态。可折展复合材料扑翼结构由两个单侧的整体式带状弹簧分别与扑翼翼膜前缘位置处的正反两面对向胶接形成，沿翼展从内向外，其构造的对应顺序依次是细长杆区域、对向式带状弹簧区域、细长杆区域。所述细长杆区域截面形状为矩形，正视图对应的面为胶接面，与扑翼翼膜前缘位置胶接；所述对向式带状弹簧区域截面形状为两段对称的圆弧形，该区域对应扑翼翼膜的开口区，不与扑翼翼膜胶接，保证了可折展复合材料扑翼结构的可折展性能。所述对向式带状弹簧区域与两侧细长杆区域的衔接处有曲面过渡区，保证可折展复合材料扑翼结构的整体性。

2.一种用于微型扑翼飞行器的可折展复合材料扑翼结构的制备方法，其特征在于：其制备步骤如下：

步骤一、根据力学计算分析得到可折展复合材料扑翼结构的尺寸，按照设计铺层方案对预浸料进行剪裁，得到预浸料单层，并按照设计铺层方案铺放预浸料。

步骤二、使用模压法制备两片相同的单侧整体式带状弹簧。

步骤三、按照微型飞行器的尺寸等要求，裁剪对应尺寸的扑翼翼膜，在扑翼翼膜前缘适当位置处为对向式带状弹簧区域留出缺口，并为细长杆区域留出胶接带。

步骤四、将两片相同的单侧整体式带状弹簧的胶接面通过胶粘剂分别与扑翼翼膜的胶接带两面进行粘接，形成可折展复合材料扑翼结构。

3.如权利要求2所述的一种用于微型扑翼飞行器的可折展复合材料扑翼结构，其特征在于，步骤一中所述的“预浸料”，复合材料的增强材料为碳纤维、玻璃纤维、Kevlar纤维、硼纤维、植物纤维或以上纤维织物，复合材料的基体为环氧树脂、聚酯树脂、苯乙烯、苯乙烯-丁二烯、反式聚异戊二烯、氰酸酯、聚氨酯、聚降冰片烯、聚酰亚胺、双马来酰亚胺、聚酰胺、聚苯硫醚、聚芳醚酮、聚乙烯醇。

4.如权利要求2所述的一种用于微型扑翼飞行器的可折展复合材料扑翼结构的制备方法，其特征在于，步骤三中所述的“扑翼翼膜”为聚酰亚胺薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚酰亚胺薄膜、聚酯纤维薄膜、聚四氟乙烯薄膜、聚醚醚酮薄膜、聚苯硫醚薄膜、聚苯并咪唑薄膜。

5.如权利要求2所述的一种用于微型扑翼飞行器的可折展复合材料扑翼结构的制备方法，其特征在于，步骤四中所述的“胶粘剂”包括但不限于环氧树脂胶粘剂、环氧酚醛胶粘剂、聚酰亚胺胶粘剂、酚醛树脂胶粘剂和有机硅树脂胶粘剂中的一种，具体选择何种类型的胶粘剂根据所选择组分材料中的聚合物材料确定，即胶粘剂固化的条件尤其是固化温度要与组分材料中的聚合物材料相匹配。

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