一种用于微型扑翼和扑旋翼飞行器的自适应变刚度弓形翼制造技术

本发明专利技术涉及一种用于微型扑翼和扑旋翼飞行器的弓形翼，属于飞行器设计领域。包括：主梁、弓形梁、弓弦和翼膜。所述主梁为沿机翼展向方向的梁。翼膜的一侧与主梁固定连接；弓形梁与翼膜固定连接；弓弦两端分别与弓形梁的两端固定连接，通过翼膜形成所需气动外形。本发明专利技术的弓形翼本身翼面具有一定的弯度，在定常流场中就有较高的升力系数。且弓形翼上拍阶段负升力减小，下拍阶段瞬时升力增大，具有能源利用率高的优点。在对弓形翼的选材中，弓形梁选用杨氏模量较低的材料，具有弦向柔性大的优点。

An adaptive variable stiffness bow wing for micro flapping and flapping rotor aircraft

The invention relates to an arcuate wing for the micro flapping and flapping wing aircraft, which belongs to the design field of the aircraft. Including: beam, beam, bow strings and membranes. The main beam is a beam along the direction of the wing. One side of the wing is fixedly connected with a main beam; bow beam is fixedly connected at both ends of the string and the patagium; with the two ends of the bow beam is fixedly connected by membranes form the required aerodynamic shape. The invention of the bow wing wing itself has a certain degree of curvature, the steady flow has higher lift coefficient. At the top of the bow wing, the negative lift is reduced, and the instantaneous lift in the next stage is increased, which has the advantage of high energy utilization. In the selection of the arcuate wing, the bow beam is a material with a lower Young's modulus, which has the advantage of large chord flexibility.

【技术实现步骤摘要】
一种用于微型扑翼和扑旋翼飞行器的自适应变刚度弓形翼
本专利技术涉及一种用于微型扑翼和扑旋翼飞行器的自适应变刚度弓形翼，属于飞行器设计领域。
技术介绍
微型飞行器体积小、携带方便，具有良好的机动性和隐蔽性，广泛应用于军事和民用领域。按照其飞行方式和布局，微型飞行器可分为：微型固定翼飞行器、微型旋翼飞行器和微型扑翼飞行器。微型固定翼飞行器飞行速度快，结构稳定性高，但无法低速飞行和悬停；微型旋翼飞行器可垂直起降、悬停，但速度较慢、噪音相对明显。微型扑翼飞行器是根据仿生学原理设计的飞行器，既可垂直起降，又可高速飞行，与固定翼和旋翼相比具有更高的气动效率；微型扑旋翼飞行器是一种将扑翼和旋翼结合的新概念飞行器具有垂直起降、悬停、无需输入扭矩、无需尾桨或其他平衡机身扭转矩的装置等优点，拥有十分美好的发展前景。微型扑翼和扑旋翼飞行器具有气动升力系数高的优点，但必须通过实现仿生扑动模式才能获得。对于该类飞行器的扑翼设计，存在以下技术难题：(1)若保证扑翼上拍过程中柔性足够，则下拍阶段由于刚度不足，会造成的气动升力和推力的不足，即扑翼在下拍阶段应具有足够的弯曲刚度以保持理想的气动外形和攻角；(2)若选取下拍阶段理想刚度为扑翼的设计刚度，则上拍阶段刚度过大，容易出现攻角偏小，导致负升力较大，气动正升力和效率偏低；(3)现阶段扑翼变刚度的实现是通过增加驱动机构使扑翼扭转或外翼弯折，但会造成机翼结构的复杂化和重量的增加。综上所述，需要设计一种上拍阶段和下拍阶段变刚度的扑翼结构，下拍阶段具有足够的刚度以保持理想外形获得最大升力和推力系数；而上拍阶段刚度变小，产生足够的弦向弯曲变形以产生超大攻角降低负升力。并同时具有简单可靠和质量轻的优点。
技术实现思路
针对现有技术中微型扑翼和扑旋翼飞行器存在的上述技术问题，本专利技术公开的一种用于微型扑翼和扑旋翼飞行器的自适应变刚度弓形翼，本专利技术提供一种能够在下拍阶段具有足够的刚度以保持理想外形获得最大升力和推力系数；而上拍阶段刚度变小，产生足够的弦向弯曲变形以产生超大攻角降低负升力的扑翼结构，且具有能简单可靠和质量轻的优点。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的。一种用于微型扑翼和扑旋翼飞行器的自适应变刚度弓形翼，包括：主梁、弓形梁、弓弦和翼膜。主梁为沿机翼展向方向的梁。翼膜的一侧与主梁固定连接；弓形梁与翼膜固定连接，沿翼展可设置多个弓形梁，根据变形设计要求与主梁的相对角度无要求；弓弦两端分别与弓形梁的两端固定连接，通过翼膜形成所需气动外形。弓形梁和弓弦形成的截面称为弓形截面；弓形梁与弓弦的数量不小于2；最大的弓形截面与主梁翼根需保持距离。所述弓形梁外形根据扑翼在弦向和展向的局部气动外形要求而定；弓形梁采用既易弯曲又易定型、具有柔性且机械性质强韧的材料制作。弓形梁采用PC塑料片。弓形梁截面尺寸根据扑翼单位面积上的气动压力大小而定，沿长度方向变化。弓形梁长度根据扑翼展弦比而定，一般为主梁长度的10％～60％。每根弓形梁有一条与之配套的弓弦，弓弦长度与弓形梁弦长相等。弓形截面的数量大于2，弓形梁长度为主梁长度的10％～60％，最大的弓形截面距离主梁翼根A的距离为主梁总长度的5％～20％，最小的弓形截面距离主梁的翼根A的距离为主梁的60％～95％。弓形梁的弦长随弓形梁距离翼根A的距离ABn的增加而减小。所述弓弦根据扑翼气动力的最大值采用足够刚度和柔度的轻质细线。所述弓弦选取棉线、尼龙线等。所述主梁采用高刚度和弹性特性的轻质材料制作。所述主梁选取碳纤维杆等；所述翼膜根据扑翼气动载荷大小采用一种高拉伸强度和韧性的轻质编织材料，其固定在主梁和弓形梁的下表面，避免翼膜张力。所述翼膜采用高分子纤维布料、PVC薄膜等；所述的材料强度要求是指弓形翼下拍时，弓弦在弓形梁受到气动压力产生的弯矩作用下受到拉力，防止弓形梁上弯变形，该拉力不会使弓弦拉断。弓形翼的主梁采用高刚度、强度且具有低密度的材料制作。翼膜采用具有一定强度、韧性小和密度小的材料制作。所述选材方式，用于保证弓形翼具有质量小，展向刚度足够，弦向上下弯曲刚度不同的优点。一种用于微型扑翼和扑旋翼飞行器的自适应变刚度弓形翼的工作方法为：弓形翼在下拍运动加速过程中，相对向上的气流产生的气动压力作用使翼面产生向上的正升力和惯性力，并产生绕主梁的逆时针方向的弯矩。使弓形梁有相对上弯的弹性变形趋势，弓弦受到拉伸阻止弓形梁的上弯。弓形翼在上拍运动加速过程中，相对向下的气流产生的气动压力作用使翼面产生向下的负升力和惯性力，并产生绕主梁的顺时针方向的弯矩。使弓形梁有相对下弯的弹性变形，对弓弦产生压力。而弓弦不承受压力，因此对弓形梁的下弯刚度不起增强作用，弓形梁能够产生较大弯曲变形，从而实现了扑翼上拍时的大弯度和等效大攻角扭转，减小扑翼上拍过程中产生的负升力。弓形翼在上拍过程中，负升力减小，下拍过程中，瞬时升力增大，具有气动效率高的优点。一种用于微型扑翼和扑旋翼飞行器的自适应变刚度弓形翼的制作方法，包括如下步骤：步骤1、根据飞行器的设计指标和升力要求决定扑翼的气动外形和尺寸，进而采用满足强度要求的材料杆制作扑翼主梁；步骤2、根据扑翼气动外形制作沿翼展方向的多个不同尺寸的弓形梁。步骤3、将弓形梁以一定外倾角度和展向位置固定在主梁上，形成翼肋骨架；步骤4、选用一种薄膜并根据扑翼的尺寸裁剪出弓形翼的翼膜；步骤5、将裁剪好的翼膜粘接在弓形翼主梁和弓形梁的下表面；步骤6、选用一种高拉伸强度的细线拉近并固定在各弓形梁的两端。至此，完成一种自适应变刚度弓形翼的安装制作。有益效果1、本专利技术公开的一种用于微型扑翼和扑旋翼飞行器的自适应变刚度弓形翼，具有下述特性：由于扑旋翼机翼既上下扑动又旋转，而旋转运动为机翼提供了相对的定常流场。弓形翼本身翼面具有一定的弯度，在定常流场中就有较高的升力系数。相比于常用的平板扑翼，弓形翼充分利用机翼的旋转运动，能够产生更大的升力。2、本专利技术公开的一种用于微型扑翼和扑旋翼飞行器的自适应变刚度弓形翼，由于弓形梁的选材为柔性材料，机翼在上拍时，受空气载荷的作用能够产生较大变形，且细线呈弯曲状态，不会遮挡机翼的下弯，从而实现了机翼上拍的大攻角扭转，减小机翼上拍阶段的负升力。同时，在机翼下拍过程中，弓弦的限制使得弓形梁不会发生上弯。3、本专利技术公开的一种用于微型扑翼和扑旋翼飞行器的自适应变刚度弓形翼，由于其翼面为弧形具有伞状效应，能够增大弓形翼下拍阶段的瞬时升力。4、本专利技术公开的一种用于微型扑翼和扑旋翼飞行器的自适应变刚度弓形翼，上拍阶段负升力减小，下拍阶段瞬时升力增大，具有能源利用率高的优点。在对弓形翼的选材中，弓形梁选用杨氏模量较低的材料，具有弦向柔性大的优点。附图说明图1为实施例1的弓形翼示意图；图2为弓形翼在下拍和上拍阶段的外形示意图；图3为实施例1的弓形翼在以1.2Hz拍动过程中的扭转角变化情况；图4为实施例1的弓形翼在不同拍动频率时的升力结果。图中：1-主梁、2-弓形梁、3-弓弦、4-翼膜。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步详细说明，本实施例在以本专利技术技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的实施范围不限于下述的实施例。实施例1本实施例公开的一种用于微型扑翼和扑旋翼飞行器的自适应变刚度弓形翼，如图1所示，包括主梁1、弓形梁2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于微型扑翼和扑旋翼飞行器的自适应变刚度弓形翼，其特征在于：包括：主梁(1)、弓形梁(2)、弓弦(3)和翼膜(4)；主梁(1)为沿机翼展向方向的梁；翼膜(4)的一侧与主梁(1)固定连接；弓形梁(2)与翼膜(4)固定连接，沿翼展可设置多个弓形梁(2)；弓弦(3)两端分别与弓形梁(2)的两端固定连接，通过连接翼膜(4)使扑翼蒙皮和翼型形成所需气动外形。

【技术特征摘要】
1.一种用于微型扑翼和扑旋翼飞行器的自适应变刚度弓形翼，其特征在于：包括：主梁(1)、弓形梁(2)、弓弦(3)和翼膜(4)；主梁(1)为沿机翼展向方向的梁；翼膜(4)的一侧与主梁(1)固定连接；弓形梁(2)与翼膜(4)固定连接，沿翼展可设置多个弓形梁(2)；弓弦(3)两端分别与弓形梁(2)的两端固定连接，通过连接翼膜(4)使扑翼蒙皮和翼型形成所需气动外形。2.如权利要求1所述的一种用于微型扑翼和扑旋翼飞行器的自适应变刚度弓形翼，其特征在于：所述弓形梁(2)与弓弦(3)的数量均不小于2。3.如权利要求1所述的一种用于微型扑翼和扑旋翼飞行器的自适应变刚度弓形翼，其特征在于：所述弓形梁(2)与弓弦(3)形成的截面称为弓形截面；最大的弓形截面与主梁(1)翼根需保持距离。4.如权利要求1所述的一种用于微型扑翼和扑旋翼飞行器的自适应变刚度弓形翼，其特征在于：所述翼膜(4)固定在主梁(1)和弓形梁(2)的下表面。5.如权利要求1或4所述的一种用于微型扑翼和扑旋翼飞行器的自适应变刚度弓形翼，其特征在于：所述翼膜(4)根据扑翼气动载荷大小采用一种高拉伸强度和韧性的轻质编织材料。6.如权利要求1或2或3或4所述的一种用于微型扑翼和扑旋翼飞行器的自适应变刚度弓形翼，其特征在于：所述弓形梁(2)采用既易弯曲又易定型、具有柔性且机械性质强韧的材料。7.如权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：贺媛媛，崔颖，苏醒，郭士钧，郭达维，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11