一种扑翼旋翼耦合构型及相应的微型飞行器设计制造技术

本发明专利技术公开了一种扑翼旋翼耦合构型及相应的微型飞行器设计，两片独立的扑翼反对称布置在一段横梁的两端外侧，利用扑翼在上下扑动过程中，柔性翼膜同时产生升力和推力，两个反方向推力形成力偶驱动横梁及扑翼作自驱旋转而不会产生反扭矩。利用此构型设计的飞行器，两个翼梁反对称安装在一起成为横梁，横梁中部与连接轴一端固接，连接轴另一端与深沟球轴承内圈装配，机身上部与深沟球轴承外圈装配，机身下部与起落架装配。本发明专利技术的扑旋翼构型具有很好的升力特性，能够显著增大飞行器有效载荷，并具备良好的飞行稳定性和安全性，扩展了微型飞行器应用范围。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种扑翼旋翼耦合构型及相应的微型飞行器设计，两片独立的扑翼反对称布置在一段横梁的两端外侧，利用扑翼在上下扑动过程中，柔性翼膜同时产生升力和推力，两个反方向推力形成力偶驱动横梁及扑翼作自驱旋转而不会产生反扭矩。利用此构型设计的飞行器，两个翼梁反对称安装在一起成为横梁，横梁中部与连接轴一端固接，连接轴另一端与深沟球轴承内圈装配，机身上部与深沟球轴承外圈装配，机身下部与起落架装配。本专利技术的扑旋翼构型具有很好的升力特性，能够显著增大飞行器有效载荷，并具备良好的飞行稳定性和安全性，扩展了微型飞行器应用范围。【专利说明】一种扑翼旋翼耦合构型及相应的微型飞行器设计
本专利技术属于微型飞行器设计及制造
，具体地说是涉及扑翼与旋翼相结合的微型飞行器设计方法及制造技术。
技术介绍
微型飞行器是20世纪90年代中期源于军事目的而发展起来的一种新型飞行器。1992 年，美国兰德公司提交美国 DARPA (Defense Advanced Research Project Agency,国防高级研究计划署)的一份关于未来军事技术的研究报告首次提出了微型飞行器的概念。与常规无人飞行器相比，微型飞行器具有体积小、重量轻、成本低的飞行平台优势，操纵方便、机动灵活、噪音小、隐蔽性好，无论是在军事领域还是在民用领域，都有十分广阔的应用前景，因而引起了世界各国的广泛关注。微型飞行器按飞行特点可分为三类:固定翼、旋翼和扑翼。微型固定翼飞行器的特点是结构简单、固定翼技术积累比较成熟，目前研究得较好的微型固定翼飞行器有Sanders公司研制的“Micro Star”，AeroVironment公司研制的“Black Widow”以及美国海军研究实验室开发的“MITE”等，但是由于这类飞行器需要具有一定的飞行速度才能产生升力，并且由于尺寸的限制使得这一飞行速度较大，无法悬停和垂直起降，限制了微型固定翼飞行器的应用范围。微型旋翼飞行器的特点是能够垂直起降和悬停，这一特点大大扩展了此种飞行器在军事和民用领域内的应用，目前比较成功的有Lutronix与Auburn大学合作研制的“Kolibri”、日本东京大学利用MEMS(Micro-Electro-Mechanic System,微机电系统)技术研制的一种翼展仅为4毫米的旋翼飞行装置以及上海交通大学研制的双螺旋桨微型飞行器。然而，由于旋翼系统的结构复杂，尤其在整体尺寸很小时这一缺点更加明显，而且此种情况下旋翼飞行器的气动效率很低，飞行稳定性和抗干扰性能较差，这对微型旋翼飞行器的制造及应用产生了较大影响。微型扑翼飞行器是采用仿自然界飞行生物产生气动力的原理而形成的一种仿生飞行器，它的特点在于可以利用理想的仿生效果通过尾迹气流捕获等升力机制得到较高升力，节省能量，并且在小尺寸情况下的气动效率比固定翼及旋翼飞行器要高，目前研究得较为成熟的有加州理工学院、AeroVironment公司及加州大学共同研制的“MicroBat”,美国佐治亚理工大学研制的仿昆虫微型飞行器“Entomopter”，AeroVironment公司研制的超级蜂鸟以及中国西北工业大学研制的“信鸽”等。但是由于目前的仿生以及MEMS技术成熟度不能达到理想的仿生效果，因此现有的微型扑翼飞行器尽管可以较好地实现飞行(如AeiOViiOnment公司研制的超级蜂鸟)，但有效载荷很低，或者为了达到提升有效载荷的目的不得不采取较大尺寸的构型，比如德国Festo公司研制的“SmartBird”的翼展达到了 1.2米，已经远远脱离了微型飞行器的尺寸范围，这些缺点使得微型扑翼飞行器在需要较大有效载荷的实际应用上受到了很大制约，因此，解决微型飞行器尺寸与有效载荷之间要求的矛盾是非常必要的。目前，在现有技术条件下，能够实现悬停、垂直起降并且具有较大有效载荷是微型飞行器的发展方向。根据国内外研究结果，微型飞行器的技术难点主要有低雷诺数下的升阻比剧烈下降和升力曲线非线性变化(主要针对固定翼)，动力和能源密度偏低，有效飞行控制难度大，飞行稳定性差等。而根据三种微型飞行器的特点，不难看出三种形式均存在各自的技术缺点，难以解决对飞行器尺寸和有效载荷要求之间的矛盾。近些年国内外研究人员提出了扑旋翼飞行器的概念，这是一种结合扑翼和旋翼的技术，利用扑翼的柔性变形，拍动时同时产生升力和推力，反对称推力形成力偶，带动扑翼做自驱旋转，这样就不需要尾桨等装置来平衡扭矩，而通过旋转产生的周向运动速度又能增加升力，从而达到整体增升的目的。但是目前的扑旋翼结构在靠近旋转轴的部分气动效率很低，实验结果表明，目前这样的装置不能产生足够的升力，尚未达到可以正常起飞的能力。
技术实现思路
为了克服目前的扑旋翼结构在靠近旋转轴的部分气动效率低的缺点，解决对现有微型飞行器的尺寸和有效载荷要求的矛盾，并满足飞行器同时具备悬停、垂直起降和平飞的能力，拥有较好的飞行稳定性和安全性，本专利技术提出了一种扑翼旋翼耦合构型及相应的微型飞行器设计。本专利技术为了解决其技术问题所采取的技术方案是利用了一种扑翼旋翼耦合构型，所述的扑翼旋翼耦合构型为:两片独立的扑翼反对称布置在一段横梁的两端外侧，扑翼前缘骨架扑动平面与横梁旋转平面无干扰。预先将两片扑翼设定合适的初始迎角，扑翼在上下扑动过程中，由于柔性翼膜的作用能够同时产生升力和推力，两片扑翼产生的升力方向相同；横梁是反对称、有一定迎角并具有翼型的结构，扑翼产生的两个反方向推力形成力偶驱动横梁及扑翼作自驱旋转，且不会产生反扭矩，在旋转时横梁类似于直升机的旋翼可以提供升力；扑翼的旋转周向速度可以增大扑翼本身产生的升力，由于横梁的旋转，两片扑翼还可以进行尾迹的有利干扰和相互利用，进一步获得升力提升，从而在整体上起到增升作用；扑翼与旋翼相结合的技术能够很好地提高飞行稳定性和安全性。利用所述的扑翼旋翼耦合构型设计的微型飞行器可以通过以下技术方案实现。本专利技术提供一种微型飞行器，包括扑翼1、驱动机构及电源2、起落架3、机身4、深沟球轴承5、连接轴6和翼梁7。其中，两片独立的扑翼I分别与两套驱动机构及电源2装配成为整体，称为装配体，并能够进行单独控制实现扑动；将两段翼梁7相对于连接轴的轴线反对称组装在一起成为横梁，再将扑翼1、驱动机构及电源2组成的两个装配体分别安装在横梁的两端，扑翼在横梁外侧；调整好装配体安装的角度，使得扑翼拍动时具有一个合适的初始迎角。通过两个翼梁中段7d端部的半圆孔7e组装后形成的横梁中间圆孔，将连接轴6一端与横梁固接在一起，连接轴6的另一端与深沟球轴承5内圈装配在一起，深沟球轴承5的外圈与机身4上部装配，机身内部可以按照需要放置有效载荷，连接轴6、翼梁7、扑翼1、驱动机构及电源2组成的整体能够相对于机身4自由转动，在电源接通扑翼扑动时，两片反对称安装的扑翼I产生的力偶能够实现横梁和扑翼的自驱旋转。机身下部布置起落架3，能够起到支撑整个扑旋翼微型飞行器的作用，并且在存在垂直冲击载荷时进行缓冲以保证微型飞行器的安全。本专利技术的有益效果有:⑴本专利技术的扑翼旋翼耦合构型提高了扑翼气动效率，翼梁可以起到旋翼作用，产生较大升力，可以增加微型飞行器载荷；⑵本专利技术的扑翼旋翼耦合构型理论上是一种自驱旋转，不需要多余的装置平衡扭矩，有利于精简本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种扑翼旋翼耦合构型，其特征在于：两片独立的扑翼反对称布置在一段横梁的两端外侧，预先设定两片扑翼的初始迎角，横梁由两个翼梁连接组成，两个翼梁反对称连接并且预设迎角，具有翼型结构；扑翼在上下扑动过程中，同时产生升力和推力，两片扑翼产生的升力方向相同；扑翼产生的两个反方向推力形成力偶驱动横梁及扑翼作自驱旋转。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李道春，向锦武，甄冲，孙毅，范新，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
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