CN115320826A - 一种仿生羽毛及采用该仿生羽毛的仿生飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及飞行器技术领域，具体涉及一种仿生羽毛及采用该仿生羽毛的仿生飞行器，所述的仿生羽毛，包括羽片和用于支撑所述羽片的羽轴，所述羽片包括若干羽片单元，相邻的羽片单元之间相贴合，在沿羽轴的长度方向上，羽轴划分为支撑段和装配段，所述羽片单元包括与所述羽轴相贴合的上羽片单元和下羽片单元，所述上羽片单元位于所述羽轴上方，所述下羽片单元位于所述羽轴下方，在所述支撑段上至少存在有一部分为包覆段，在所述下羽片单元上设置有用于容纳所述包覆段的容纳腔。本发明的仿生羽毛结构，大幅降低了羽毛气体动力学设计难度，使仿生飞行器的精密气体动力学设计成为现实，并且能够显著减轻羽毛重量和提高仿生羽毛寿命。

Description

一种仿生羽毛及采用该仿生羽毛的仿生飞行器

技术领域

本发明涉及飞行器技术领域，具体涉及一种仿生羽毛及采用该仿生羽毛的仿生飞行器。

背景技术

目前，仿生飞行器以及仿生机械技术飞速发展，无论是在军事领域还是民用领域，都发挥了巨大的作用；羽毛作为鸟类的重要特征，对鸟类的飞行有至关重要的作用，所以在仿生飞行器的设计中也不可避免的需要对羽毛进行设计，以满足仿生飞行器的伪装要求和飞行气动效果要求。

目前的仿生飞行器制造中，羽毛通常是有两种，一种是采用真实羽毛，另一种是采用仿生羽毛。

对于真实羽毛，其具有良好的伪装效果，所以目前已被较为广泛运用于仿生机械中，但是对于仿生飞行器，羽毛不仅仅要起到伪装的效果，同时还需要满足良好的飞行气动效果，然而在现实中真实羽毛的形状各异，完整程度和残次程度也差异巨大，特别是就单个仿生飞行器而言就需要数十支甚至上百支羽毛，若是批量化的生产，真实羽毛的选取更是难以实现，所以，当采用真实羽毛时，仿生飞行器的设计过程中通常都要为羽毛因素留较大余量，例如为了获得所需升力，通常是所以采用远超理论尺寸的翼展和者翼宽，不仅不利于轻量化和精密化的设计要求，同时也进一步的加剧了羽毛的消耗量；而且真实羽毛还有寿命短和成本高等不足，严重制约了仿生飞行器的进步；

特别的，真实羽毛的结构，包括羽轴和设置在羽轴两侧的羽片，在进一步的研究过程中，发明人发现该结构对于仿生飞行器结构设计带来困难，具体影响因素如下：

真实羽毛的截面结构如说明书附图1所示，羽片2由羽轴1上部分的两侧生长而出，这样的生长方式，使得羽片为具有两片的分体式结构，在两片羽片之间还存在有羽轴的部分顶面，这样的结构使得羽毛上侧面的羽轴位置部分区域存在起伏凹陷，并且在羽片与羽轴的交接处还并非是平滑过渡，在进行飞行器的空气动力学设计中，气流在这些局部凹陷处，气体流向复杂，容易出现湍流或者涡旋气流等，给仿生飞行器设计带来了极大的困难，特别是结合多片羽毛结构形态和完整性各异时，这样的问题尤为显著，严重制约了仿生飞行器的精密化的设计。

目前的仿生羽毛，主要研究方向在于对真实羽毛的模仿设计，以达到良好的外形仿生，而确保仿生飞行器的隐匿性，所以，通常也是采用两片分体式的羽片采用粘接或者卡接的方式设置在羽轴的上半部分两侧，使仿生羽毛在外观形态上与真实羽毛更为相似，虽然，仿生羽毛的羽片形状和羽轴形状都可以按照设计要求进行剪裁和制备，能够解决目前真实羽毛结构形态和完整性各异不统一，以及使用寿命短和成本高的问题，但是依然存在，上侧面局部凹陷处，气体流向复杂，容易出现湍流或者涡旋气流等复杂气流，导致飞行器精密化设计困难的问题。

同时，由于羽片采用卡接或者粘接在羽轴的侧壁，在制造过程中，羽毛与羽轴相接触的位置需要施以较大的压力，以确保连接的牢固和可靠，然而，羽毛质地较为柔软，在微观机构上，在羽片的内部存在有若干的空隙，在制造过程的被施压的局部区域会出现被压缩紧实的情况，进而致使同一羽片的不同区域出现力学性能不一致的情况，所以往往出现成品羽毛的空气动力学数据与设计参数存在差异的问题。特别的，如上述被施压的区域为羽片的根部区域，该区域为羽片在飞行状态下受力最大的区域，所以，该区域的羽片被压缩紧实，导致其力学性能也与羽片的其他区域不同，存在局部应力集中的风险，进而恶化羽毛的使用寿命。

发明内容

针对目前仿生羽毛存在气体动力学设计困难和仿生羽毛使用寿命低的不足，提供一种在确保形态仿生效果的前提下，又能够简化气体动力学设计，利于仿生飞行器精密化、轻量化和小型化设计，并且还能够增长使用寿命的仿生羽毛及仿生飞行器。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种仿生羽毛，包括羽片和用于支撑所述羽片的羽轴，所述羽片包括若干羽片单元，相邻的所述羽片单元之间相贴合，

在沿所述羽轴的长度方向上，所述羽轴划分为支撑段和装配段，所述支撑段与所述羽片相贴合，所述羽轴超出所述羽片的部分为所述装配段，所述装配段用于与仿生飞行器的仿生骨骼相连，

所述羽片单元包括与所述羽轴相贴合的上羽片单元和下羽片单元，所述上羽片单元位于所述羽轴上方，所述下羽片单元位于所述羽轴下方，在所述支撑段上至少存在有一部分为包覆段，所述包覆段被包覆于所述上羽片单元与下羽片单元之间，

在所述下羽片单元上设置有用于容纳所述包覆段的容纳腔，使所述上羽片单元与下羽片单元贴合时，所述羽轴不侵入所述上羽片单元，确保所述上羽片单元背离所述羽轴的一侧不在所述羽轴对应位置形成局部鼓凸，所述容纳腔通过在所述下羽片单元上设置凹槽的方式形成，或者，通过所述下羽片单元的局部区域向下凹陷形成。

作为优选的实施方案，所述下羽片单元与所述上羽片单元的贴合区域为非平面区域。

作为优选的实施方案，在垂直于所述羽片长度方向的截面上，所述上羽片单元的截面形状中，至少有部分区域为弧形状，或者为存在有至少一个波峰和/或波谷的波浪状，或者为S形状，

所述下羽片单元的形状与所述上羽片单元的形状相匹配，所述下羽片单元与所述上羽片单元的贴合区域至少包括所述上羽片单元上的一个弧形状区域，或者至少包括一个波峰区域，或者至少包括一个波谷区域，或者至少包括一个S形状的凹陷区域，或者至少包括一个S形状的凸起区域。

作为优选的实施方案，所述羽片单元还包括加强层单元，所述加强层单元贴附于所述上羽片单元背离所述羽轴的一侧，所述加强层单元自所述上羽片单元靠近所述装配段的一端，沿所述羽轴的方向朝所述上羽片单元的另一端延伸。

作为优选的实施方案，所述加强层单元在沿所述羽轴方向上的长度等于或者小于所述上羽片单元的长度，所述加强层单元的宽度等于或者小于所述上羽片单元的宽度，

当所述加强层单元的宽度小于所述上羽片单元的宽度时，所述加强层单元的边缘设置圆角或者倒角，或者，所述加强层单元在宽度方向上，由所述羽轴位置向两侧的厚度逐渐减小，使所述加强层单元的边缘与所述上羽片单元的表面之间形成平滑过渡连接。

作为优选的实施方案，所述加强层单元为若干层，若干层所述加强层单元在朝背离所述上羽片单元的方向上依次重叠，靠近所述上羽片单元的加强层单元与所述上羽片单元相贴合。

作为优选的实施方案，在背离所述上羽片单元的方向上，各层所述加强层单元的长度和/或宽度逐层减小，位于上层的所述加强层单元的边缘与下层加强层单元的上表面之间为平滑过渡连接。

作为优选的实施方案，所述下羽片单元自所述上羽片单元靠近所述装配段的一端，沿所述羽轴的方向朝所述上羽片单元的另一端延伸，在沿所述羽轴方向上的所述下羽片单元的长度等于或者小于所述上羽片单元的长度，所述下羽片单元的宽度等于或者小于所述上羽片单元的宽度。

作为优选的实施方案，当所述下羽片单元的宽度小于所述上羽片单元的宽度时，所述下羽片单元的边缘设置圆角或者倒角，或者，所述下羽片在宽度方向上，所述下羽片单元的厚度由所述羽轴位置向两侧逐渐减小，使所述下羽片单元的边缘与所述上羽片单元的下表面之间形成平滑过渡连接。

作为优选的实施方案，在垂直于所述羽片长度方向的截面上，所述羽轴距离所述羽片两侧边缘之间的距离为L1和L2，所述L1∶L2=1∶3～2∶3。

进一步优选的，L1∶L2=1∶2。

作为优选的实施方案，所述羽轴的支撑段在朝背离所述装配段的方向上逐渐变细，所述羽轴至少一段为中空的管状结构。

作为优选的实施方案，在垂直于所述羽片长度方向的截面上，所述羽轴的截面形状为椭圆状或者扁平状或者矩形状。

作为优选的实施方案，所述上羽片单元、下羽片单元和加强层单元的厚度相同。

作为优选的实施方案，所述上羽片单元、下羽片单元和加强层单元采用碳纤维复合材料制得，所述上羽片单元与所述羽轴、下羽片单元和加强层单元之间，和，所述下羽片单元与羽轴之间，以及相邻的加强层单元之间，采用具有粘接性的树脂材料粘接，所述羽轴采用多层薄片卷绕而成。

作为优选的实施方案，所述贴合为采用具有粘接性的粘接材料进行粘合。

本申请还公开了一种采用上述仿生羽毛的仿生飞行器，

一种仿生飞行器，包括仿生骨骼，所述仿生骨骼上阵列有若干上述的仿生羽毛，所述仿生羽毛通过各自的羽轴装配段与所述仿生骨骼连接。

通过采用上述技术，与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1：本发明的仿生羽毛，羽轴位于上羽片单元与下羽片单元之间，使得羽轴并不凸出于羽片的上侧面，上羽片单元背离所述羽轴的一侧不在所述羽轴对应位置形成局部鼓凸，避免了羽毛的上侧面因羽轴凸出而形成的局部凸起和凹陷，降低了在羽毛上侧面上形成湍流和涡旋气流的风险，大幅降低了羽毛气体动力学设计难度，和降低了设计数据与产品数据之间的误差，在实现相同动力参数时，能够采用更小尺寸的翼展和翼宽，使仿生飞行器的精密气体动力学设计成为现实；

2：本发明的仿生羽毛，由于在所述下羽片单元上设置有用于容纳所述包覆段的容纳腔，使所述上羽片单元与下羽片单元贴合时，所述羽轴不侵入所述上羽片单元，这样的方式，使得在微观机构上，上羽片单元内部存在的空隙不被压缩，上羽片单元的质地在羽轴对应处不发生突变，此处的质地突变为上羽片单元的局部区域的纤维舒展状态或者是上羽片单元的局部区域的密度与其余位置的密度不同，进而使得上羽片单元的羽轴部分区域与其他区域之间保持良好的力学性能一致性，不仅仅进一步的简化了上羽片单元处的空气动力学分析难度，同时也降低了现成品羽毛的空气动力学数据与设计参数之间存在差异；

3：本发明的仿生羽毛，由于上羽片单元的羽轴部分区域与其他区域之间保持良好的力学性能一致性，还降低了局部应力集中的风险，提高了上羽片单元的疲劳极限等力学性能参数，进而提高羽毛的使用寿命；

4：本发明的仿生羽毛，上羽片单元背离羽轴的一侧，能够降低形成局部湍流和涡旋气流的风险，进而大幅降风阻，优化了仿生羽毛的飞行气动效果；特别的，在飞行器上升时，需要强大的升力，在本申请的方案中，仿生羽毛的下侧，由于羽轴对应位置向下鼓凸，该区域的凸起，使得该区域附近形成湍流和涡旋气流，这些湍流和涡旋气流能够为羽毛的上升提供强大的动力，进而更利于飞行器的上升；

5：本发明的仿生羽毛，羽轴和上羽片单元以及下羽片单元的特殊配合关系，不仅降低了羽毛迎风的风阻，还能够在背风侧形成对湍流和涡旋气流的利用，如此极大的提高了本申请仿生羽毛的空气动力学性能大幅提高仿生羽毛的寿命；

6：本发明的仿生羽毛，贴合区域为非平面区域，首先的提高了上羽片单元与下羽片单元之间的连接可靠性，降低羽片单元之间发生相对移动的风险，并且显著提高了该区域的气密性；而且下羽片单元位于上述区域，也就使得羽轴位于上述的区域位置，羽轴位于这些非平面区域内，更利于上升动力的形成，进一步提高仿生飞行器的空气动力学性能；

7：本发明的仿生羽毛，通过加强层单元的设置，使得羽片根部位置的厚度大于羽片的边缘位置，如此，进一步的提高羽毛的气动效果和结构稳定性；

8：本发明的仿生羽毛，羽轴的逐渐变细，能够确保具有良好结构强度的同时还使羽毛具有良好的柔韧性和仿真效果，羽轴可以为至少一段是中空的管状结构，也可以是整根羽轴都为中空的管状结构，首先是大量减轻了羽毛重量，利于飞行器的轻量化和小型化，另一方面也进一步的确保了羽轴的柔韧性；

9：本发明的仿生羽毛，采用中空的羽轴结构，在制造时，羽轴能够提供一定变形缓冲，进而降低羽轴处的羽片因受压过大而导致出现空气动力学性能和力学性能发生局部位置突变的风险；

10：本申请的飞行器，由于采用了本申请的仿生羽毛，不仅在设计阶段，大幅的降低了仿生飞行器的设计难度，而且还使小型化、精密化的仿生飞行器成为现实，而且仿生羽毛使用寿命的增加，也大幅提高了仿生飞行器的使用寿命和使用可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定， 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，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为真实羽毛的截面结构示意图；

图2为本申请仿生羽毛其中一种实施方式的结构示意图；

图3为本申请仿生羽毛其中一种实施方式另一视角的结构示意图；

图4为本申请仿生羽毛其中一种实施方式另一视角的结构示意图；

图5为本申请仿生羽毛其中一种实施方式的分体式结构示意图；

图6为本申请仿生羽毛其中一种实施方式的其中一截面的局部结构示意图；

图7为本申请仿生羽毛其中一种实施方式的其中一截面的局部结构示意图；

图8为本申请仿生羽毛其中一种实施方式的其中一截面结构示意图；

图9为本申请仿生羽毛其中一种实施方式的其中一截面的局部结构示意图；

图10本申请仿生飞行器中其中一侧机翼部分其中一种实施方式的结构示意图；

图中标记：1-羽轴，2-羽片，3-上羽片单元，4-下羽片单元，5-加强层单元，6-仿生骨骼。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

一种仿生羽毛，如图2-4所示的，包括羽片2和用于支撑所述羽片2的羽轴1，所述羽片2包括若干羽片单元，相邻的所述羽片单元之间相贴合，在沿所述羽轴1的长度方向上，所述羽轴1划分为支撑段和装配段，所述支撑段与所述羽片2相贴合，所述羽轴1超出所述羽片2的部分为所述装配段，所述装配段用于与仿生飞行器的仿生骨骼6相连，所述羽片单元包括与所述羽轴1相贴合的上羽片单元3和下羽片单元4，所述上羽片单元3位于所述羽轴1上方，所述下羽片单元4位于所述羽轴1下方，

如图6-8所示的，在所述支撑段上至少存在有一部分为包覆段，所述包覆段被包覆于所述上羽片单元3与下羽片单元4之间，在所述下羽片单元4上设置有用于容纳所述包覆段的容纳腔，使所述上羽片单元3与下羽片单元4贴合时，所述羽轴1不侵入所述上羽片单元3，确保所述上羽片单元3背离所述羽轴1的一侧不在所述羽轴1对应位置形成局部鼓凸，所述容纳腔通过在所述下羽片单元4上设置凹槽的方式形成，或者，通过所述下羽片单元4的局部区域向下凹陷形成。

在本实施例中，羽轴1位于上羽片单元3与下羽片单元4之间，使得羽轴1并不凸出于羽片2的上侧面，上羽片单元3背离所述羽轴1的一侧不在所述羽轴1对应位置形成局部鼓凸，避免了羽毛的上侧面因羽轴1凸出而形成的局部凸起和凹陷，降低了在羽毛上侧面上形成湍流和涡旋气流的风险，大幅降低了羽毛气体动力学设计难度，和降低了设计数据与产品数据之间的误差，在实现相同动力参数时，能够采用更小尺寸的翼展和翼宽，使仿生飞行器的精密气体动力学设计成为现实；

进一步的，由于在所述下羽片单元4上设置有用于容纳所述包覆段的容纳腔，使所述上羽片单元3与下羽片单元4贴合时，所述羽轴1不侵入所述上羽片单元3，这样的方式，使得在微观机构上，上羽片单元3内部存在的空隙不被压缩，上羽片单元3的质地在羽轴1对应处不发生突变，此处的质地突变为上羽片单元3的局部区域的纤维舒展状态或者是上羽片单元3的局部区域的密度与其余位置的密度不同，进而使得上羽片单元3的羽轴1部分区域与其他区域之间保持良好的力学性能一致性，不仅仅进一步的简化了上羽片单元3处的空气动力学分析难度，同时也降低了现成品羽毛的空气动力学数据与设计参数之间存在差异；

特别的，也是由于上羽片单元3的羽轴1部分区域与其他区域之间保持良好的力学性能一致性，还降低了局部应力集中的风险，提高了上羽片单元3的疲劳极限等力学性能参数，进而提高羽毛的使用寿命；

进一步的，也是由于下羽片单元4上设置有用于容纳所述包覆段的容纳腔，所述下羽片单元4的局部区域向下凹陷形成，对于本申请的仿生羽毛，其设置在仿生飞行器上，在飞行状态下，本申请方案中，仿生羽毛的上侧为迎风侧，仿生羽毛的下侧为背风侧，迎风侧即为上羽片单元3背离羽轴1的一侧，由于前述原因，能够降低形成局部湍流和涡旋气流的风险，进而大幅降风阻，优化了仿生羽毛的飞行气动效果；特别的，在飞行器上升时，需要强大的升力，在本申请的方案中，仿生羽毛的下侧，由于羽轴1对应位置向下鼓凸，该区域的凸起，使得该区域附近形成湍流和涡旋气流，这些湍流和涡旋气流能够为羽毛的上升提供强大的动力，进而更利于飞行器的上升。所以，本申请羽轴1和上羽片单元3以及下羽片单元4的特殊配合关系，不仅降低了羽毛迎风的风阻，还能够在背风侧形成对湍流和涡旋气流的利用，如此极大的提高了本申请仿生羽毛的空气动力学性能和大幅提高仿生羽毛的寿命。

作为优选的实施方案，如图6-8所示的，所述下羽片单元4与所述上羽片单元3的贴合区域为非平面区域。

进一步的，在垂直于所述羽片2长度方向的截面上，所述上羽片单元3的截面形状中，至少有部分区域为弧形状，或者为存在有至少一个波峰和/或波谷的波浪状，或者为S形状，

所述下羽片单元4的形状与所述上羽片单元3的形状相匹配，所述下羽片单元4与所述上羽片单元3的贴合区域至少包括所述上羽片单元3上的一个弧形状区域，或者至少包括一个波峰区域，或者至少包括一个波谷区域，或者至少包括一个S形状的凹陷区域，或者至少包括一个S形状的凸起区域。

在上述的优选实施方式中，贴合区域为上述形状，首先的提高了上羽片单元3与下羽片单元4之间的连接可靠性，降低羽片单元之间发生相对移动的风险，并且显著提高了该区域的气密性；而且下羽片单元4位于上述区域，也就使得羽轴1位于上述的区域位置，羽轴1位于这些非平面区域内，更利于上升动力的形成，进一步提高仿生飞行器的空气动力学性能。

实施例2

一种仿生羽毛，在实施例1方案的基础上，进一步的，如图4和5所示的，所述羽片单元还包括加强层单元5，所述加强层单元5贴附于所述上羽片单元3背离所述羽轴1的一侧，本方案中，所述加强层单元5自所述上羽片单元3靠近所述装配段的一端，沿所述羽轴1的方向朝所述上羽片单元3的另一端延伸。在飞行器飞行时，因为越靠近羽毛的根部羽毛的受力强度就越大，所以，在本方案中，通过加强层单元5的设置，使得羽片2根部位置的厚度大于羽片2的边缘位置，如此，进一步的提高羽毛的气动效果和结构稳定性。

作为优选的实施方案，所述加强层单元5在沿所述羽轴1方向上的长度等于或者小于所述上羽片单元3的长度，所述加强层单元5的宽度等于或者小于所述上羽片单元3的宽度，

当所述加强层单元5的宽度小于所述上羽片单元3的宽度时，如图8所示的，所述加强层单元5的边缘设置圆角或者倒角，或者，所述加强层单元5在宽度方向上，由所述羽轴1位置向两侧的厚度逐渐减小，使所述加强层单元5的边缘与所述上羽片单元3的表面之间形成平滑过渡连接。通过这样的方式，尽量确保本申请方案的羽片2上侧面的平顺性，降低风阻已经湍流和涡旋气流等带来的不利因素。

作为优选的实施方案，如图8所示的，所述加强层单元5为若干层，若干层所述加强层单元5在朝背离所述上羽片单元3的方向上依次重叠，靠近所述上羽片单元3的加强层单元5与所述上羽片单元3相贴合。

作为优选的实施方案，如图8所示的，在背离所述上羽片单元3的方向上，各层所述加强层单元5的长度和/或宽度逐层减小，位于上层的所述加强层单元5的边缘与下层加强层单元5的上表面之间为平滑过渡连接。在本申请的方案中，加强层单元5的数量以及尺寸可以依据羽毛的空气动力学需求进行相应的增加或者减少，以提供更多适用于不同使用场景的仿生羽毛规格。

实施例3

一种仿生羽毛，在实施例1或者2方案的基础上，进一步的，如图3和5所示的，所述下羽片单元4自所述上羽片单元3靠近所述装配段的一端，沿所述羽轴1的方向朝所述上羽片单元3的另一端延伸，在沿所述羽轴1方向上的所述下羽片单元4的长度等于或者小于所述上羽片单元3的长度，当所述下羽片单元4的长度小于所述上羽片单元3的长度时，仿生羽毛上远离所述装配段的部分的截面结构示意图如图9所示，所述下羽片单元4的宽度等于或者小于所述上羽片单元3的宽度。

作为优选的实施方案，如图8所示的，当所述下羽片单元4的宽度小于所述上羽片单元3的宽度时，所述下羽片单元4的边缘设置圆角或者倒角，或者，所述下羽片2在宽度方向上，所述下羽片单元4的厚度由所述羽轴1位置向两侧逐渐减小，使所述下羽片单元4的边缘与所述上羽片单元3的下表面之间形成平滑过渡连接。在本申请的方案中，下羽片单元4的长度和宽度根据羽片2空气动力学和力学性能需要进行设计，下羽片单元4不仅仅起到对羽轴1的固定作用，同时还起到对羽毛整体的羽轴1部分区域的加强，进一步使羽片2为羽轴1部位较厚而边缘位置较薄的形态，使得整个羽片2的宽度方向的厚度变化更为线性，进一步确保良好的空气动力学性能和力学性能。

作为优选的实施方案，在垂直于所述羽片2长度方向的截面上，所述羽轴1距离所述羽片2两侧边缘之间的距离为L1和L2，所述L1∶L2=1∶3～2∶3。

本实施例中选用，L1∶L2=1∶2。将羽轴1设置在羽片2的该位置，不仅是确保了对羽片2的支撑和羽毛形态的保持，而且也与真实羽毛的形态更为贴近，实现良好的伪装效果，并且还具有优异的空气动力学性能。

实施例4

一种仿生羽毛，在实施例3方案的基础上，进一步的，如图5所示的，所述羽轴1的支撑段在朝背离所述装配段的方向上逐渐变细，所述羽轴1至少一段为中空的管状结构。羽轴1的逐渐变细，能够确保具有良好结构强度的同时还使羽毛具有良好的柔韧性和仿真效果，羽轴1可以为至少一段是中空的管状结构，也可以是整根羽轴1都为中空的管状结构，首先是大量减轻了羽毛重量，利于飞行器的轻量化和小型化，另一方面也进一步的确保了羽轴1的柔韧性，特别是在制作时，目前通常的方式是，对材料按照设计形状进行剪裁然后涂上树脂粘合剂，按照羽毛和羽轴1的形状分别进行平铺或者缠绕粘合定型，然后再按照设计形状放入模具内进行压合和高温固化，对羽毛与羽轴1之间进行挤压固定时，采用中空的羽轴1结构，羽轴1能够提供一定变形缓冲，进而降低羽轴1处的羽片2因受压过大而导致出现空气动力学性能和力学性能发生局部位置突变的风险。

作为优选的实施方案，如图6-9所示的，在垂直于所述羽片2长度方向的截面上，所述羽轴1的截面形状为椭圆状或者扁平状或者矩形状，本申请的说明书附图中以扁平状作为示例。通过采用这样的截面形状，增大羽轴1与羽片单元之间的贴合面积，提高羽轴1与羽片2之间连接的牢固性和可靠性。

作为优选的实施方案，所述上羽片单元3、下羽片单元4和加强层单元5的厚度相同，方便规模化的生产制造，也降低了设计和验算难度。

作为优选的实施方案，所述上羽片单元3、下羽片单元4和加强层单元5采用碳纤维复合材料制得，所述上羽片单元3与所述羽轴1、下羽片单元4和加强层单元5之间，和，所述下羽片单元4与羽轴1之间，以及相邻的加强层单元5之间，采用具有粘接性的树脂材料粘接，所述羽轴1采用多层薄片卷绕而成。通过这样的制造方式，能够进一步的减轻羽毛重量，降低飞行器自身荷载的同时，也进一步的利于飞行器的轻量化和小型化设计。

实施例5

一种仿生飞行器，如图2-10所示的，其包括仿生骨骼6，所述仿生骨骼6上阵列有若干如实施例1-4任意一种仿生羽毛，所述仿生羽毛通过各自的羽轴1装配段与所述仿生骨骼6连接。

本申请的飞行器，由于采用了上述的仿生羽毛，不仅在设计阶段，大幅的降低了仿生飞行器的设计难度，而且还使小型化、精密化的仿生飞行器成为现实，而且仿生羽毛使用寿命的增加，也大幅提高了仿生飞行器的使用寿命和使用可靠性。

进一步的，需要说明的是，本申请的仿生羽毛和仿生飞行器，所涉及的具体尺寸参数，以及飞行器上仿生羽毛的设置数量和布置方式，依据不同的设计目标进行具体的设计和选择，该种选择是本领域技术人员根据本领域技术人员公知技术所能够实施的，在本发明中不再赘述，本发明保护范围包含在本技术方案构思下的所有尺寸。

以上所述仅为发明的优选实施例，并不用于限制发明的技术方案，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。凡在本发明技术方案的精神和原则之内，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 (10)

1.一种仿生羽毛，包括羽片和用于支撑所述羽片的羽轴，其特征在于：所述羽片包括若干羽片单元，相邻的所述羽片单元之间相贴合，

在沿所述羽轴的长度方向上，所述羽轴划分为支撑段和装配段，所述支撑段与所述羽片相贴合，所述羽轴超出所述羽片的部分为所述装配段，所述装配段用于与仿生飞行器的仿生骨骼相连，

所述羽片单元包括与所述羽轴相贴合的上羽片单元和下羽片单元，所述上羽片单元位于所述羽轴上方，所述下羽片单元位于所述羽轴下方，在所述支撑段上至少存在有一部分为包覆段，所述包覆段被包覆于所述上羽片单元与下羽片单元之间，

在所述下羽片单元上设置有用于容纳所述包覆段的容纳腔，使所述上羽片单元与下羽片单元贴合时，所述羽轴不侵入所述上羽片单元，确保所述上羽片单元背离所述羽轴的一侧不在所述羽轴对应位置形成局部鼓凸，所述容纳腔通过在所述下羽片单元上设置凹槽的方式形成，或者，通过所述下羽片单元的局部区域向下凹陷形成。

2.根据权利要求1所述的一种仿生羽毛，其特征在于：所述下羽片单元与所述上羽片单元的贴合区域为非平面区域。

3.根据权利要求2所述的一种仿生羽毛，其特征在于：在垂直于所述羽片长度方向的截面上，所述上羽片单元的截面形状中，至少有部分区域为弧形状，或者为存在有至少一个波峰和/或波谷的波浪状，或者为S形状，

所述下羽片单元的形状与所述上羽片单元的形状相匹配，所述下羽片单元与所述上羽片单元的贴合区域至少包括所述上羽片单元上的一个弧形状区域，或者至少包括一个波峰区域，或者至少包括一个波谷区域，或者至少包括一个S形状的凹陷区域，或者至少包括一个S形状的凸起区域。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的一种仿生羽毛，其特征在于：所述羽片单元还包括加强层单元，所述加强层单元贴附于所述上羽片单元背离所述羽轴的一侧，所述加强层单元自所述上羽片单元靠近所述装配段的一端，沿所述羽轴的方向朝所述上羽片单元的另一端延伸。

5.根据权利要求4所述的一种仿生羽毛，其特征在于：所述加强层单元在沿所述羽轴方向上的长度等于或者小于所述上羽片单元的长度，所述加强层单元的宽度等于或者小于所述上羽片单元的宽度，

当所述加强层单元的宽度小于所述上羽片单元的宽度时，所述加强层单元的边缘设置圆角或者倒角，或者，所述加强层单元在宽度方向上，由所述羽轴位置向两侧的厚度逐渐减小，使所述加强层单元的边缘与所述上羽片单元的表面之间形成平滑过渡连接。

6.根据权利要求5所述的一种仿生羽毛，其特征在于：所述加强层单元为若干层，若干层所述加强层单元在朝背离所述上羽片单元的方向上依次重叠，靠近所述上羽片单元加强层单元与所述上羽片单元相贴合。

7.根据权利要求6所述的一种仿生羽毛，其特征在于：在背离所述上羽片单元的方向上，各层所述加强层单元的长度和/或宽度逐层减小，位于上层的所述加强层单元的边缘与下层加强层单元的上表面之间为平滑过渡连接。

8.根据权利要求1-3任意一项所述的一种仿生羽毛，其特征在于：所述下羽片单元自所述上羽片单元靠近所述装配段的一端，沿所述羽轴的方向朝所述上羽片单元的另一端延伸，在沿所述羽轴方向上的所述下羽片单元的长度等于或者小于所述上羽片单元的长度，所述下羽片单元的宽度等于或者小于所述上羽片单元的宽度；

当所述下羽片单元的宽度小于所述上羽片单元的宽度时，所述下羽片单元的边缘设置圆角或者倒角，或者，所述下羽片在宽度方向上，所述下羽片单元的厚度由所述羽轴位置向两侧逐渐减小，使所述下羽片单元的边缘与所述上羽片单元的下表面之间形成平滑过渡连接。

9.根据权利要求1-3任意一项所述的一种仿生羽毛，其特征在于：所述羽轴的支撑段在朝背离所述装配段的方向上逐渐变细，所述羽轴至少一段为中空的管状结构；

在垂直于所述羽片长度方向的截面上，所述羽轴的截面形状为椭圆状或者扁平状或者矩形状；

所述上羽片单元、下羽片单元和加强层单元采用碳纤维复合材料制得，所述上羽片单元与所述羽轴、下羽片单元和加强层单元之间，和，所述下羽片单元与羽轴之间，以及相邻的加强层单元之间，采用具有粘接性的树脂材料粘接，所述羽轴采用多层薄片卷绕而成。

10.一种仿生飞行器，其特征在于：包括仿生骨骼，所述仿生骨骼上阵列有若干如权利要求1-9任意一项仿生羽毛，所述仿生羽毛通过各自的羽轴装配段与所述仿生骨骼连接。

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