一种基于高压电场的非金属驱动扑翼飞行器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于高压电场的非金属驱动扑翼飞行器。包括机身、机翼和支架，机身上方通过支架安装有前后两组机翼，每组机翼包括位于机翼中间的连接面和翼面，连接面两侧通过轴分别连接有翼面；机身和机翼均由绝缘轻薄的塑料薄膜介质制备得到，每组机翼中间的连接面和连接面对应的机身表面区域均涂抹有石墨烯材料；当在机翼和机身之间产生一定频率的高压交流信号时，机翼和机身之间的间距会由于正负电荷的吸引和排斥作用而产生变化，从而带动塑料薄膜机翼的振动，在空气中产生上升的动力，带动微型飞行器起飞。本发明专利技术采用石墨烯材料作为运动驱动介质，相对于金属材料具有更加轻便的优点，有助于减轻机身重量，提升飞行性能。

A Nonmetal-Driven Flapping-Wing Vehicle Based on High Voltage Electric Field

【技术实现步骤摘要】
一种基于高压电场的非金属驱动扑翼飞行器
本专利技术属于扑翼飞行器的设计领域，尤其涉及一种基于高压电场的非金属驱动扑翼飞行器。
技术介绍
在自然界中，多数昆虫的飞行方式是振翅，即通过上下振动翅膀来获得上升的动力。昆虫振翅的速率可达每秒数十次甚至上百次，高速的振翅能够使昆虫不断获得上升力，从而飞在空中。现代的飞机利用了不同于生物界的方式成功将人类送上了天空，但是利用振动翅膀来产生动力的扑翼飞行器研究仍在继续。机翼振动需要动力，这个动力可以由很多方式来产生。传统的方式多利用机械传动的方式来操控机翼，也有利用磁场的相互作用来产生振动的动力。传统的利用机械结构来传输动力的方式在机械设计上复杂度较高，实施比较困难。使用磁场的相互作用需要线圈或永磁体来获取磁场，需要使用金属材料，机翼重量较大。对于扑翼飞行器来说，整机的重量需要尽量小，否则会需要更大的动力才能完成飞行。石墨烯是碳的一种特殊结构，具有导电性。使用石墨烯作为导电介质具有以下这些好处：首先石墨烯具有良好的导电性能，其原子分层排布，在每一层中，每个碳原子和周围的三个碳原子相连，剩余出一个电子可以自由移动；得益于这种特殊的晶体结构，石墨烯材料的导电性能非常好，在应用中，石墨烯材料的电阻率可以低至3.3*10-6Ω·cm2。第二，石墨烯材料具有一定的电容，可以聚集电荷，从而在石墨烯上得到电场分布，并且通过增加石墨烯的层数，可以提高电容，增加石墨烯聚集的电荷数。第三，石墨烯作为一种非金属材料，相对于金属导体，密度更轻，能够降低机身重量。此外，使用石墨烯材料制作通电介质的过程也并不复杂，只需将石墨烯均匀涂敷在绝缘介质表面即可。石墨烯还具有耐腐蚀等优点。因此，采用石墨烯作为扑翼机中导电的材料，有助于设计出一种结构简单、轻便、耐用的微型扑翼机。
技术实现思路
为了解决
技术介绍
中的问题，本专利技术提供了一种基于高压电场的非金属驱动扑翼飞行器，通过一种新的提供机翼振动动力来源的方法设计了结构简单、体型轻巧的扑翼式飞行器。本专利技术利用电的相互作用来提供机翼振动的动力。根据电磁学的基本理论，我们知道，自然界的物体内部分布着大量的电荷，这些电荷按照电性可以分为正电荷和负电荷，异性电荷相互吸引，同性电荷相互排斥。事实上，电荷之间的相互作用是通过电荷产生的电场之间的相互作用来实现的。因此，当我们给对应的导体通相反电性的电场，两个导体之间也会产生相互吸引的作用力；若通相同电性的电场，它们之间会产生相互排斥的作用力。本专利技术就利用这种电场之间的相互作用来提供机翼之间的吸引力。本专利技术采用的技术方案：一、一种基于高压电场的非金属驱动扑翼飞行器本专利技术包括机身、机翼和支架，机身上方通过支架安装有前后两组机翼，每组机翼包括位于机翼中间的连接面和翼面，连接面两侧通过轴分别连接有翼面；机身和机翼均由绝缘轻薄的塑料薄膜介质制备得到，每组机翼中间的连接面和连接面对应的机身表面区域均涂抹有石墨烯材料；机身内部设有供电装置，连接面和机身表面的石墨烯材料均与供电装置相连；供电装置包括电源、信号源、放大电路和控制电路，信号源两端分别与电源两端相连，信号源输出端依次经放大电路和控制电路与信号源输入端相连，控制电路的输出端分别与两组机翼连接面上的石墨烯材料和机身表面的石墨烯材料相连。所述机翼连接面和机身表面的石墨烯材料未与控制电路相连的一端悬空，与电源不构成闭合回路。当我们给石墨烯材料通电时，石墨烯材料上会产生和电源电压相同的电场，而不会产生电流。所述信号源输出方波电信号，经放大电路后方波电信号幅度增大，输出电压增大，输出电压经控制电路输出至机翼连接面和机身表面的石墨烯材料。所述供电装置的电源通过蓄电池或太阳能电池提供；控制电路用于调控所有石墨烯材料上电压的通断、正负以及机翼的振动频率所述机翼的连接面宽度略大于连接面左右两根轴之间的距离，便于机翼的上下振动。二、采用上述基于高压电场的非金属驱动扑翼飞行器的工作方法供电装置对机身表面的石墨烯材料通单一电性的电压，对机翼上的石墨烯材料周期性地交替通正、负电压；当机翼和机身通相反电压时，机翼和机身之间通过电场产生相互吸引的作用力，从而拉动机翼连接面向下凹陷，机翼两侧翼面在轴带动下向上摆动；当机翼和机身通相同电压时，机翼和机身之间通过电场产生相互排斥的作用力，从而推动机翼连接面向上凸起，机翼两侧翼面在轴带动下向下摆动；这样，只要对机身上的石墨烯材料通单一的电场，对机翼上的石墨烯材料通周期性改变正负电性的电场，就可以机翼和机身之间产生周期性的吸引力和排斥力，带动两侧的机翼周期性振动，产生向上和向前的动力，带动扑翼机起飞。机翼振动的频率和通电电压改变的频率相同。通过调节前后两组机翼的振动频率，调整扑翼飞行器向前或向后运动。本专利技术的有益效果是：1)本专利技术使用塑料和石墨烯这样的非金属材料代替金属材料制作微型扑翼机，具有制造简单、轻便的优点：相对于金属导体，石墨烯材料作为一种非金属材料，其密度较小，能够降低机翼的重量，有利于扑翼机起飞；另一方面，利用石墨烯材料制作导电介质也比较方便，将石墨烯均匀涂敷到其它介质(如塑料薄膜)上即可。2)本专利技术提供了一种新的机翼振动动力产生方式，在机翼和对应机身表面产生变化电场时，通过机翼与机身之间吸引力和排斥力的交替变换来驱动机翼上下振动。附图说明图1是扑翼机振动的原理示意图，(a)为扑翼机机翼向上翻转示意图，(b)为扑翼机机翼向下翻转示意图。图2是扑翼机结构示意图。图3是扑翼机机身内部电路示意图。图中：1、机翼；3、机身；4、支架；11、石墨烯材料；12、翼面；13、轴。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步说明。如图2所示为本专利技术的外部结构示意图。本专利技术包括机身3、机翼1和支架4，机身3为长方体，机身3上方通过支架4安装有前后两组机翼1，每组机翼需要4根支架，整个扑翼机共需要8根支架；每组机翼1包括位于机翼中间的连接面和翼面12，连接面两侧通过轴分别连接有翼面12；机身3和机翼1均由绝缘轻薄的塑料薄膜介质制备得到，每组机翼1中间的连接面和连接面对应的机身3表面区域均涂抹有石墨烯材料11。在塑料薄膜上涂抹石墨烯的过程可以使用石墨烯分散液。石墨烯分散液指的是将石墨烯分散在有机溶剂或表面活性剂水溶液中，以达到令石墨烯单层分散的目的，利用喷涂等涂膜方法即可将石墨烯分散液均匀涂敷在干燥的塑料薄膜上。石墨是一种非金属导体，其内部原子分层排布，在每一层中都有大量可以自由移动的带电粒子，因此其层内导电性能良好。如图3所示为本专利技术机身内部供电装置电路示意图。在本实施例中，机身内部使用蓄电池作为电源，驱动信号源输出方波电信号，输出电压经过放大电路及控制电路输出。控制电路负责控制输出电压的通断以及正负。在输出端，只将石墨烯和电源的一端相连，而不连接成闭合的回路，这样当给石墨烯通电时，石墨烯上就会产生和电源电压相同的电场，而不会产生电流。没有和石墨烯相连的一端悬空即可。这样做的好处是可以减少由于通电产生的热量，降低发热对于系统的影响。本专利技术的工作过程中，机身中的供电装置向外输出几十伏特的直流电。供电装置中的控制电路负责控制输出电压的通断以及电场的电性：若接通石墨烯材料和电源输出，那么在该石墨烯上就可以得到相应的高压电场；若断开二者之间的连接，那么石墨烯上的电场消失；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于高压电场的非金属驱动扑翼飞行器，其特征在于，包括机身(3)、机翼(1)和支架(4)，机身(3)上方通过支架(4)安装有前后两组机翼(1)，每组机翼(1)包括位于机翼中间的连接面和翼面(12)，连接面两侧通过轴分别连接有翼面(12)；机身(3)和机翼(1)均由塑料薄膜介质制备得到，每组机翼(1)中间的连接面和连接面对应的机身(3)表面区域均涂抹有石墨烯材料(11)；机身(3)内部设有供电装置，连接面和机身(3)表面的石墨烯材料(11)均与供电装置相连；供电装置包括电源、信号源、放大电路和控制电路，信号源两端分别与电源两端相连，信号源输出端依次经放大电路和控制电路与信号源输入端相连，控制电路的输出端分别与两组机翼(1)连接面上的石墨烯材料(11)和机身(3)表面的石墨烯材料(11)相连。

【技术特征摘要】
1.一种基于高压电场的非金属驱动扑翼飞行器，其特征在于，包括机身(3)、机翼(1)和支架(4)，机身(3)上方通过支架(4)安装有前后两组机翼(1)，每组机翼(1)包括位于机翼中间的连接面和翼面(12)，连接面两侧通过轴分别连接有翼面(12)；机身(3)和机翼(1)均由塑料薄膜介质制备得到，每组机翼(1)中间的连接面和连接面对应的机身(3)表面区域均涂抹有石墨烯材料(11)；机身(3)内部设有供电装置，连接面和机身(3)表面的石墨烯材料(11)均与供电装置相连；供电装置包括电源、信号源、放大电路和控制电路，信号源两端分别与电源两端相连，信号源输出端依次经放大电路和控制电路与信号源输入端相连，控制电路的输出端分别与两组机翼(1)连接面上的石墨烯材料(11)和机身(3)表面的石墨烯材料(11)相连。2.根据权利要求1所述的一种基于高压电场的非金属驱动扑翼飞行器，其特征在于，所述机翼(1)连接面和机身(3)表面的石墨烯材料(11)未与控制电路相连的一端悬空，与电源不构成闭合回路。3.根据权利要求1所述的一种基于高压电场的非金属驱动扑翼飞行器，其特征在于，所述信号源输出方波电信号，经放大电路后方波电信号幅度增大，输出电压增大，输出电压经控制电路输出至机翼(1)连接面和...

【专利技术属性】
技术研发人员：于浩晨，皇甫江涛，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33