仿生扑翼飞行器刚度自适应双层膜结构翅翼制造技术

一种仿生扑翼飞行器刚度自适应双层膜结构翅翼，包括：位于中部的翼膜折叠线、分别位于翼膜折叠线两侧的上、下层翼膜、位于两侧边沿的翼膜粘贴区域以及位于下层翼膜一侧的翼膜安装孔，其中：翼膜折叠线与翼翅骨架固定连接，翼膜粘贴区域相对粘连，从而形成位于翼翅骨架后侧的双层翼膜。本发明专利技术通过模仿自然界飞行生物扑动翅翼时上挥时收缩、下扑时舒展的形态变化，减小扑翼飞行器翅翼上挥时的翼翅面积，能够在不同方向气动力作用下发生不同情况变形，从而显著提高气动效率。从而显著提高气动效率。从而显著提高气动效率。

【技术实现步骤摘要】
仿生扑翼飞行器刚度自适应双层膜结构翅翼


[0001]本专利技术涉及的是一种飞行器领域的技术，具体是一种仿生扑翼飞行器刚度自适应双层膜结构翅翼。

技术介绍

[0002]仿生扑翼飞行器通过模仿自然界中飞行生物的飞行过程，依靠扑翼过程中产生的升力和推力达到飞行目的，因此与传统飞行器相比更依赖气动性能。鸟类在飞行过程通过柔性羽翼的变形实现非常高的飞行效率，且被动自适应调节装置可以有效减少能量消耗及飞行器负载重量。然而，现有的部分扑翼飞行器通过搭载控制系统实现半自主飞行，少有具备被动自适应扑翼结构的飞行器，无法真实模拟鸟类扑翼过程柔性翅翼的变形特点。

技术实现思路

[0003]本专利技术针对现有技术结构复杂且工艺要求高的不足，提出一种仿生扑翼飞行器刚度自适应双层膜结构翅翼，通过模仿自然界飞行生物扑动翅翼时上挥时收缩、下扑时舒展的形态变化，减小扑翼飞行器翅翼上挥时的翼翅面积，能够在不同方向气动力作用下发生不同情况变形，从而显著提高气动效率。
[0004]本专利技术是通过以下技术方案实现的：
[0005]本专利技术涉及一种仿生扑翼飞行器刚度自适应双层膜结构翅翼，包括：位于中部的翼膜折叠线、分别位于翼膜折叠线两侧的上、下层翼膜、位于两侧边沿的翼膜粘贴区域以及位于下层翼膜一侧的翼膜安装孔，其中：翼膜折叠线与翼翅骨架固定连接，翼膜粘贴区域相对粘连，从而形成位于翼翅骨架后侧的双层翼膜。
[0006]所述的双层翼膜采用聚酰亚胺制成。
[0007]本专利技术涉及的一种基于上述可变形刚度自适应双层膜结构翅翼的仿生扑翼飞行器，包括：机身、设置于机身两侧的翼翅骨架及其对应双层翼膜，其中：双层翼膜的翼膜安装孔与机身相连，在飞行器扑动过程中，双层翼膜模仿自然界扑翼生物飞行时翅翼舒展收缩姿态导致的翼型变化。技术效果
[0008]本专利技术通过不对称上、下层翼膜粘连组成的双层膜结构，改变翼翅上挥与下扑时的形态，通过减小上挥时翼翅面积，为扑翼飞行器提供更大的升力。与现有技术手段相比，本专利技术无需附加其他构件，仅通过翼翅本体的双层薄膜结构实现翼翅在气动力作用下的自适应变形，从而为扑翼飞行器提供更大的升力。
附图说明
[0009]图1为本专利技术结构示意图；
[0010]图2为双层翼膜展开平面图；
[0011]图3为双层翼膜处于上挥工作状态的结构示意图；
[0012]图4为双层翼膜处于下扑工作状态的结构示意图；
[0013]图5为翅翼安装在扑翼机机身的实际效果图；
[0014]图6为扑翼测试平台展示图；
[0015]图7为扑翼机在迎面来流作用下翼翅上挥时实际工作状态；
[0016]图8为扑翼机在迎面来流作用下翼翅下扑时实际工作状态；
[0017]图9为实施例在风速为2.0m/s时的升力测试结果图；
[0018]图10为实施例在风速为2.5m/s时的升力测试结果图；
[0019]图11为实施例在风速为3.0m/s时的升力测试结果图；
[0020]图中：1翼翅骨架、2双层翼膜、3翼膜折叠线、4翼膜粘贴区域、5上层翼膜、6下层翼膜、7翼膜安装孔、8机身。
具体实施方式
[0021]如图1
‑
图2所示，为本实施例涉及一种可提高升力与综合飞行性能的仿生扑翼飞行器可变形刚度自适应双层膜结构翅翼，包括：位于中部的翼膜折叠线3、分别位于翼膜折叠线两侧的上、下层翼膜5、6、对称位于两侧边沿的翼膜粘贴区域4以及位于下层翼膜一侧的翼膜安装孔7，其中：翼膜折叠线3与翼翅骨架1固定连接，翼膜粘贴区域4相对粘连，从而形成位于翼翅骨架1后侧的双层翼膜2。
[0022]如图1和图2所示，将翼膜的平面展开结构沿虚线3对折，将阴影部分双层膜连接机构4通过胶粘的方式连接，形成双层翼膜2。双层翼膜2通过胶粘的方式与翅翼骨架1固定。通过翅翼骨架1以及双层翼膜2的固定孔位7，使翅翼与扑翼飞行器机身固定连接。
[0023]所述的上层翼膜5侧边长度大于下层翼膜6侧边长度，面积较大的上层翼膜5朝向向上，面积较小的下层翼膜6朝向向下，粘贴后形成向上层翼膜5向上拱起下层翼膜6保持平直的不对称翅翼结构。
[0024]如图3
‑
图5所示，为本实施例涉及的一种基于上述可变形刚度自适应双层膜结构翅翼的仿生扑翼飞行器，包括：机身8、设置于机身8两侧的翼翅骨架1及其对应双层翼膜2，其中：双层翼膜2上层翼膜侧边长度大于下层翼膜侧边长度，双层翼膜2的翼膜安装孔7与机身8相连，在飞行器扑动过程中，双层翼膜2模仿自然界扑翼生物飞行时翅翼舒展收缩姿态导致的翼型变化。
[0025]如图3所示，扑翼机翅翼处于上挥工作状态时，由于翅翼上下两层膜的大小存在差异，上层翼膜5侧边长度大于下层翼膜6，上层翼膜5宽度大于下层翼膜6，自适应翅翼受到惯性与阻力作用，向下翻折，整体形态发生卷曲，上挥工作状态下翅翼与空气间接触面积减小；
[0026]如图4所示，扑翼机翅翼处于下扑工作状态时，自适应翅翼受到自身几何形态限制，保持平直形态，下扑工作状态下翅翼与空气间接触面积相较于静止时不变，大于上挥工作状态下翅翼与空气间的接触面积。
[0027]如图3、图4所示，双层可变形自适应翅翼在上挥与下扑过程中与空气的接触面积不同，故能产生升力差，较无此设计的翅翼可产生更大的升力，提高飞行器的飞行效率。且本设计中双层翼膜的变型不依赖附加控制机构，变型的产生及变型程度仅与飞行状态相关，实现了翅翼的自适应变型。
[0028]为更好地说明双层可变形自适应翼膜能够实现上述效果，设计相关实验进行验证。如图5所示，机身8为法国BionicBird公司生产的MetaFly扑翼机机身，翅翼骨架采用1mm直径的碳纤维杆1a与外形为2mm边长正方形、内孔为1mm直径圆形的碳纤维杆1b连接而成，双层翼膜2采用厚度为0.025mm的聚酰亚胺薄膜激光切割而成，实验中选择的上层翼膜与下层翼膜侧边长度比值为1.1与1.2。MetaFly扑翼机地运动采用外部手柄控制。
[0029]如图6所示，为扑翼测试平台风洞实验，包括风洞(含管道、风机、风机控制器)、三维力和力矩传感器、数据采集设备、安装测量控制软件的笔记本电脑等。实验具体过程为：将翅翼安装在扑翼机上；将扑翼机安装在三维力和力矩传感器上；打开风机，控制风速到一稳定值；通过遥控手柄使扑翼飞行器以一固定频率扑动；通过力传感器测量得到力与力矩随时间的变化数值。将测量得到的力与力矩数值进行离散傅里叶变换，得到扑动频率与该频率下扑翼机所受的三维力和力矩。为消除噪声影响，在开启风洞前，测量无风情况下扑翼机缩手的三维力和力矩，对上述物理量取平均值，得到噪声分量。将有风情况下的三维力和力矩减去相应的噪声，得到该频率下扑翼机所受的实际三维力和力矩。
[0030]如图7、图8所示为实施例中扑翼机正对来流时扑翼机翅翼上挥和下扑时可变形双层膜的实际工作效果。扑翼机上挥的过程中机翼向下卷曲，下扑时机翼保持平直，起到了与空气接触面积变化的效果。且在适当扑动频率下本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种仿生扑翼飞行器刚度自适应双层膜结构翅翼，其特征在于，包括：位于中部的翼膜折叠线、分别位于翼膜折叠线两侧的上、下层翼膜、位于两侧边沿的翼膜粘贴区域以及位于下层翼膜一侧的翼膜安装孔，其中：翼膜折叠线与翼翅骨架固定连接，翼膜粘贴区域相对粘连，从而形成位于翼翅骨架后侧的双层翼膜。2.根据权利要求1所述的仿生扑翼飞行器刚度自适应双层膜结构翅翼，其特征是，所述的双层翼膜，通过以下方式实现：将翼膜的平面展开结构沿虚线对折，将阴影部分双层膜连接机构通过胶粘的方式连接形成双层翼膜。3.根据权利要求1或2所述的仿生扑翼飞行器刚度自适应双层膜结构翅翼，其特征是，所述的上层翼膜侧边长度大于下层翼膜侧边长度。4.根据权利要求1或2所述的仿生扑翼飞行器刚度自适应双层膜...

【专利技术属性】
技术研发人员：王叙宁，李修璇，范钰，魏星宇，周峻峰，陈炜昊，易志然，张文明，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：