[发明专利]一种采用开孔实现增升的扑旋翼

说明书

技术领域

本发明涉及微型飞行器领域，具体来说是一种采用开孔实现增升的扑旋翼。

背景技术

自二十世纪九十年代以来，随着传统飞行器设计技术的不断成熟和微电子技术的大幅进步，微型飞行器被提出并快速发展。由于微型飞行器体积小、重量轻、机动性强等特征，在国家安全和国民经济建设方面具有广泛的应用前景，适用于复杂环境下的侦查、勘探、协助救援等工作。

同时，随着人们对自然生物飞行和游动机理的不断探索，仿生学设计被越来越多的应用于微型飞行器领域。公开号为CN 101492093的专利申请：“扑旋翼设计方法及利用此方法设计的微小型扑旋翼飞行器”，公开了微小型扑旋翼飞行器，该专利微小型扑旋翼飞行器的升力靠一对上下拍动并可旋转的机翼提供。

现有技术中，扑旋翼设计都采用固定机翼面积的方案，在一定攻角下，尽管扑翼向下拍动时能够产生可观的正升力，但当扑翼向上拍动时也同样产生了较大的负升力。上拍过程产生的机翼负升力，一方面减小了微型扑旋翼飞行器的平均升力，使飞行器有效负载较小，另一方面使得飞行器的部分输出功率用于克服负升力，因而系统能量利用率低。

发明内容

本发明针对扑旋翼上拍产生的负升力使得扑旋翼平均升力较小、能量利用率低的问题，提出了一种采用开孔实现增升的扑旋翼。

一种采用开孔实现增升的扑旋翼包括扑旋翼，透气孔和合页。

扑旋翼包括主梁、短梁、斜梁和翼膜；主梁、短梁和斜梁各一个且共面，长度比例为9：4：7.5；其中短梁与主梁垂直，且垂直点位于主梁长度的10％处；垂直点的外侧是主梁的外伸端；斜梁交于主梁和短梁的垂直点，与主梁夹角为30°。

翼膜粘在主梁、短梁及斜梁所构成的平面上；初始安装时，梁结构在下，翼膜在上。

透气孔为在翼膜上剪裁出的矩形孔，且一条长边与翼膜前缘重合，透气孔中心与翼根的展向距离r_p在0.25r～0.75r的范围内；透气孔长度l_p的取值范围为0.19r～0.44r，r为扑旋翼的展长；透气孔宽度b_p的取值范围为0.25c～0.5c，c为扑旋翼的弦长。

合页为矩形树脂薄膜片，中心与透气孔中心重合，且一条长边与翼前缘重合并粘结在主梁上，其余边自然贴合在翼膜上；合页长度l_h≈1.25l_p，合页宽度b_h≈1.40b_p；合页位于翼膜下方、梁结构上方，通过改变合页的厚度或者材料调节合页的最大打开角度和响应时间；合页3最大打开角度α_max在10°至20°之间，响应时间t_s为一个拍动周期的1/16至1/8。

一种采用开孔实现增升的扑旋翼，工作原理为：

当扑旋翼运动时，合页受到周围气体的作用力与本身运动形成的惯性力，两者合力的方向是周期性变化的。扑旋翼连续两次到达拍动最高点之间为一个周期；当机翼向上运动时，合页受向下的合力作用向下打开，机翼上表面的高压气流通过透气孔流至下表面，进而降低机翼上下表面的压力差，实现了负升力的卸载；

当机翼向下运动时，合页受向上的合力作用贴合在机翼下表面，使得气流无法通过透气孔，因此保持拍动产生的正升力，进而提高平均升力和能量利用率。

本发明的优点在于：

(1)本发明一种采用开孔实现增升的扑旋翼，扑旋翼拍动时，合页在方向周期性变化的合力驱动下被动响应，不断交替的打开和闭合，在保持扑旋翼下拍产生正升力的基础上，有效减小扑旋翼上拍时产生的负升力，使微型扑旋翼飞行器的平均升力得到提升，飞行器能量利用率提高。

(2)本发明中一种采用开孔实现增升的扑旋翼，通过控制透气孔与合页的几何关系，利用翼膜限制合页向上的运动，原理简单。

(3)本发明中一种采用开孔实现增升的扑旋翼，不需要附加控制装置，通过改变合页的材料或厚度，实现对合页最大打开角度和响应时间等变量的调节，在保持扑旋翼重量和重心基本不变的基础上，对合页的响应状态进行有效控制。

(4)本发明中一种采用开孔实现增升的扑旋翼，结构设计简洁，材料易得，加工方便。

附图说明

图1是本发明一种采用开孔实现增升的扑旋翼的简化运动示意图；

图2是本发明一种采用开孔实现增升的扑旋翼下拍时的示意图；

图3是本发明一种采用开孔实现增升的扑旋翼上拍时的示意图；

图4是本发明三种不同厚度的合页对最大打开角度和响应时间的影响比较图。

图中：