[发明专利]一种共轴同向旋转的双扑旋翼飞行器

说明书

为了解决现有扑旋翼飞行器单平面构型翼载荷变化剧烈、飞行器气动效率低，多平面构型下方翼气动性能受尾迹影响性能损失的问题，本发明提出了一种共轴同向旋转的双扑旋翼飞行器。该飞行器上下两对翼同轴布置，同频率反向竖直拍动并同向同速旋转，通过在两翼打开合拢的过程中增加水平方向的推力矩，实现翼旋转力矩平衡状态下获得更快的被动旋转速度，实现了升力增加和气动效率提升。

技术领域

本发明涉及微型飞行器领域，具体但不排他地，涉及一种共轴同向旋转的双扑旋翼飞行器。

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，人们提出了微型飞行器的概念并推动了它的快速发展。微型飞行器体积小、重量轻、机动性强，在国家安全和国民经济建设方面具有广泛的应用前景，可用于复杂环境下的侦查、勘探、协助救援等工作。当前微型飞行器研究的重点多集中在仿生微型飞行器领域。

当前人们对生物飞行原理认识的逐渐深入，仿造生物飞行构建了诸多仿生微型飞行器。随着技术的提高，人们还积极突破生物飞行运动生理结构的限制，为设计更高性能的飞行器，将生物飞行原理与传统飞行器气动原理结合设计复合式微型飞行器布局，其中一种是扑旋翼。扑旋翼布局融合了扑翼和旋翼两种运动，在运动时翼主动竖直拍动并被动旋转，因此该类布局同时具备扑翼布局在低雷诺数下运动的高升力优势以及旋翼布局高气动效率的特点。

过去人们针对扑旋翼飞行器提出了单平面构型，如专利“一种基于压电驱动的扑旋翼飞行器及驱动方法”(专利号为ZL 201711019042.X)和专利“一种微型机械滑轨式可控扑旋翼飞行器”(专利号为ZL 201511021309.X)。扑旋翼主要依靠下拍过程产生升力，而上拍过程对升力贡献较小，因此在高载荷产生情况下飞行器翼的载荷较高，翼上下拍过程的瞬态力峰值差别大，气动力变化剧烈，耗功较多，效率较低。为解决这一问题，也有部分设计提出了多翼的概念，如专利“一种共轴反向双扑旋翼机构”(专利号为ZL 201910332059.3)提出了多对翼的方案，以期通过翼数量的增加来降低翼载荷和气动力波动。该方案中多翼共轴反向旋转，此时下方的翼完全处于上方的翼的尾迹中，下方的翼受到上方的翼下洗流动干扰非常强烈，下方翼的气动效率较低。

过去针对低雷诺数下多翼之间流动干扰的研究揭示了多翼可以通过翼翼干扰获得气动优势，其中一种效应是打开合拢效应。打开合拢效应可在翼打开合拢的过程中增强垂直于打开合拢方向上的气动力。因此，为了解决先前多平面扑旋翼构型下方翼多不能从上方翼干扰中受益的问题，有必要探索其他扑旋翼设计方案以期通过多翼干扰效应的应用来获得性能更优的飞行器。

发明内容

为了解决现有扑旋翼飞行器单平面构型翼载荷变化剧烈、飞行器气动效率低，多平面构型下方翼气动性能受上方翼尾迹影响性能损失的问题，本发明提出了一种共轴同向旋转的双扑旋翼飞行器。该飞行器上下两对翼同频率反向拍动并同向同速旋转，通过在两翼打开合拢的过程中增加水平方向的推力矩，实现翼旋转力矩平衡状态下获得更快的被动旋转速度，实现升力增加和气动效率提升。

本发明中应用的打开合拢机制是扑翼高升力机制的一种，其作用原理为：两扑翼在上拍过程结束时两翼靠近贴合，并在下拍开始时快速打开。两翼合拢后快速打开时，在两翼上各自产生了一个环量；由于两翼打开时没有启动涡的脱落，从而避免了启动涡脱落对最大升力的延迟效应，使翼在拍动之初就立刻产生了较大的气动力。打开合拢机制主要增加垂直于打开合拢运动方向上的力，昆虫主要应用该机制增加升力，研究表明，借助打开合拢机制能够使平均升力增加约8％-19％。本发明中，扑旋翼竖直拍动，因此将上下两翼设计为反向拍动，即上方翼下拍时下方翼进行上拍运动，打开合拢运动设计在竖直方向，因此该效应主要用于增强水平方向的推力和推力矩，以提高扑旋翼的旋转速度。扑旋翼旋转速度的提高会进一步增强升力产生并提高气动效率。