[发明专利]一种提升扑翼飞行升力的翅膀扭转机构

说明书

技术领域

本发明涉及一种提升扑翼飞行升力的翅膀扭转设计原理和结构，属于航空动力，微型扑翼飞行器领域。

背景技术

微型扑翼飞行器在厘米或毫米尺度内拥有比固定翼和旋翼飞行器更好的气动效率和机动性，在军事侦查与渗透、民用探测和搜救等方面有着广泛的应用前景。微型扑翼飞行器要实现离地飞行，首要考虑的是提高翅膀扑动时产生的升力，提高升重比(升力与自身重力之比)，只有升重比超过1，微型扑翼飞行器才有可能实现离地飞行。

扑翼飞行要想产生有效的升力，不能仅仅依靠翅膀简单的前后或上下拍动，只有翅膀平面与拍动方向成一定夹角(攻角)时，翅膀才会产生有效的升力，即翅膀在拍打过程中，必须叠加一定的扭转动作。针对昆虫高升力机理与翅膀运动轨迹之间的关系，相关研究指出，翅膀在拍动过程中扭转时刻的选择，极大地影响了气动升力的大小。根据拍动和扭转时间的前后，可将翅膀扭转分为三种模式：“超前模式”，“对称模式”和“滞后模式”。“超前模式”指翅膀在每次拍动结束前，扭转动作已经完成，在下一次拍动开始时，翅膀平面已经形成了正的攻角；“对称模式”指拍动结束时，扭转动作完成了一半，在下一次拍动开始时，翅膀平面构成的攻角为0；“滞后模式”指翅膀在每次拍动结束时，扭转动作还未开始，在下一次拍动开始时，翅膀平面处于负的攻角状态。研究指出，“超前模式”产生的气动升力最大，“对称模式”次之，“滞后模式”最小。因而，为了追求更好的气动性能和更高的升重比，翅膀扭转设计中应该采用“超前模式”。

基于目前的技术条件，要实现最佳的翅膀拍动与扭转组合规律，既要考虑到结构简单，又要考虑到气动性能好，因而难度较大。现有微型扑翼飞行器在翅膀扭转设计方面，一般采用“主动控制”和“被动扭转”两种方式，而这两种途径均存在自身的不足：(1)结构复杂。在微型扑翼飞行器设计时，驱动器的输出用于驱动翅膀的拍动，为了实现翅膀的扭转动作，部分微型扑翼飞行器通过增加一个驱动器来控制翅膀的扭转，即上述的“主动控制”。由于翅膀的拍动和扭转由两个不同的驱动器控制，通过调节驱动器参数，可以实现翅膀拍动与扭转的最佳组合，这种方式虽然可以保证气动性能，但是增加一个驱动器和传动机构大大增加了系统的复杂性和自重，不利于微型化和提升升重比，应用较少；(2)气动性能不佳。除“主动控制外”，现有微型扑翼飞行器扭转设计中广泛采用“被动扭转”方式，将翅膀根部设计为柔性结构，通过拍动过程中的空气阻力产生扭转，这种方式虽然结构较为简单，但拍动和扭转的规律属于上述的“对称模式”，气动性能不佳，为了避免翅膀的过扭转(扭转角度过大)，同样需要在翅膀根据增设机构，这样也不利于提高系统的升重比。

发明内容

本发明技术解决问题：针对微型扑翼飞行器领域对高升重比的需求，考虑到现有微型扑翼飞行器翅膀扭转设计中存在的结构复杂，气动性能不佳等缺陷，提供一种提升扑翼飞行升力的翅膀扭转机构，提升了气动性能，提高系统的升重比，且简化了结构，使微型扑翼飞行器更具微型化优势。

本发明提出的一种提升扑翼飞行升力的翅膀扭转机构，是由如下技术方案实现的，具体包括一个组合双梁、两个翅膀、两个支座(分布有两个支撑孔，两个限位角)、两个电极。两个直流电极平行放置，中间形成一定间距，电极两端与支座连接，组合梁由两根单梁组合而成，上侧梁穿过支座上的支撑孔，下侧梁连同翅膀置于限位角，组合梁和翅膀构成一个类似两侧简支的结构。其中，组合双梁作为驱动器的振动部件，用于驱动翅膀的拍动；两个翅膀与组合双梁的下侧梁固连，用于产生气动升力；两个直流电极连接直流电压的正负极，用于激励组合双梁的振动；两个支座用于支撑组合梁和翅膀。

所述组合双梁由上侧梁和下侧梁组成，当梁截面为圆形且直径为50-70μm时，上侧梁长度为30-50mm，下侧梁包括翅膀的长度为40-65mm，上侧梁和下侧梁之间的距离为0.8-1.5mm，上侧梁和下侧梁通过金属短梁连接和定型。组合双梁的梁截面为多种形状，多种形状包括圆形，矩形或椭圆形。翅膀厚度为1.5-8μm，由直径为20-40μm的记忆合金丝段作为加强翼肋，翅膀长10-12mm，最大弦长5-7mm，翅膀与组合双梁的下侧梁固连在一起，组成梁-翅结构。电极为平板式，长度为20-30mm，宽度10-12mm，两侧电极间距为4-8mm，电极表面为导电材料。两个电极分别连接直流电压的正负极，两电极之间的电势差为2-4kV。支撑孔为圆形，直径稍大于组合双梁的直径，圆形直径范围为80-100μm。限位角的角度为30°-50°，限位角顶点与支撑孔圆心的距离为0.2-0.5mm。