[发明专利]基于变形翼实现扑旋翼和扑翼飞行模式转换的仿生飞行器

摘要

本发明公开了一种基于变形翼实现扑旋翼和扑翼飞行模式转换的仿生飞行器，属于仿生飞行器设计技术领域。当其进行垂直起降与悬停时，为扑旋翼飞行模式，结构特征为两侧扑翼以旋翼轴对称方式安装，即两侧翼型呈反对称；当进行前飞或滑翔时，为扑翼或固定翼飞行模式，结构特征为两侧扑翼以固定翼对称方式安装，即两侧翼型呈对称状。同时，采用一种弹性弓梁、弦、多杆机构组成的变形翼翼肋结构设计，在进行变形翼型状变化时，通过转动安装在翼根部的拉杆和连接各翼肋的拉索，拉动多杆机构迫使相连接的弓梁产生所需弹性变形，即保持翼型整体结构不变，但变形翼前缘与后缘互换。本发明简化了飞行器的驱动机构和整体构型，显著提高了气动效率和升力系数。

主权项

1.基于变形翼实现扑旋翼和扑翼飞行模式转换的仿生飞行器，包括机翼、尾翼(3)、发动机(4)、驱动杆(7)、机身(9)、尾翼控制系统(12)、飞行控制系统(13)，其特征在于，还包括离合器(6)、轴承(8)、变形翼翼根连杆(10)、拍动放大机构杆(11)；所述机翼包括前行变形翼(1)和后行变形翼(2)，后行变形翼(2)的结构与前行变形翼(1)相同；所述前行变形翼(1)包括弓形梁(101)、弓弦(102)、底杆(103)、支撑杆(104)、连接铰(105)、滑轮(106)、梁翼(107)、拉索(108)、拉杆(109)、机翼变形作动器(110)、蒙皮(111)和梁翼连杆(112)；所述翼梁(107)包括前翼梁(10701)和后梁翼(10702)，所述拉索(108)包括前拉索(10801)和后拉索(10802)；其中，弓形梁(101)、弓弦(102)、底杆(103)、支撑杆(104)、连接铰(105)、滑轮(106)构成一个翼肋截面；所述后行变形翼(2)的结构与前行变形翼(1)相同；弓弦(102)的两端与弓形梁(101)两端固定连接；底杆(103)的两端分别安装有一个连接铰(105)，弓弦(102)穿过底杆(103)两端的连接铰(105)；在连接铰(105)上连接有多个支撑杆(104)，支撑杆(104)的另一端与弓形梁(101)相连，其中，弓形梁(101)中间部位与支撑杆(104)采取固定连接方式，其他连接点采取铰接方式；前翼梁(10701)、后梁翼(10702)的一端与弓弦(102)固定连接，在连接处分别固定有一个滑轮(106)；前拉索(10801)、后拉索(10802)的一端与拉杆(109)固定连接，另一端绕过滑轮(106)，分别与前翼梁(10701)、后梁翼(10702)固定连接；前翼梁(10701)、后梁翼(10702)的另一端与梁翼连杆(112)固定连接；拉杆(109)与变形翼翼根连杆(10)相连，机翼变形作动器(110)固定安装在二者连接处的变形翼翼根连杆(10)上；机翼变形作动器(110)采用伺服电机，能够根据飞行控制系统(13)的控制指令，驱动拉杆(109)转动；机翼变形作动器(110)、离合器(6)与飞行控制系统(13)之间能够进行信号传输；机翼变形作动器(110)能够根据飞行控制系统(13)的指令，驱动前行变形翼(1)和后行变形翼(2)产生机翼变形；离合器(6)能够根据飞行控制系统(13)的指令，锁住扑翼旋转运动或解锁；拉杆(109)能够在机翼变形作动器(110)的控制下发生转动；所述机身(9)与上轴承(801)的距离长度不小于半个翼展；所述蒙皮(111)尺寸与弓形梁(101)相匹配，其弹性模量和强度需根据机翼气动载荷的大小进行选择；在变形翼变形过程中，蒙皮(111)随翼型弯度变化而弯曲变形，但其长度和表面积保持不变；所述轴承(8)包括上轴承(801)和下轴承(802)；上述组成部件之间的连接关系为：发动机(4)、飞行控制系统(13)均固定安装在机身(9)的重心位置处；变形翼翼根连杆(10)的一端与上轴承(801)铰接，另一端与前行变形翼(1)的梁翼连杆(112)中间部位固定连接；上轴承(801)套接在驱动杆(7)的上端部，能够围绕驱动杆(7)上下滑动，同时能够围绕驱动杆(7)旋转；下轴承(802)套接在驱动杆(7)的底端部，驱动杆(7)在下轴承(802)内能够上下滑动；同时，下轴承(802)的内部装有套管或线性轴承，通过其能够将下轴承(802)与发动机(4)连接；下轴承(802)不做上下滑动，但能够围绕驱动杆7旋转；离合器(6)固定安装在发动机(4)上部机身与下轴承(802)之间，根据飞行控制系统(13)的指令，完成其与下轴承(802)接触或者脱离；拍动机构放大杆(11)的上端分别与前行变形翼(1)和后行变形翼(2)的梁翼连杆(112)铰接，下端与下轴承(802)的两侧铰接；驱动杆(7)的底端与发动机(4)相连，在发动机(4)的作用下做垂直方向的往复运动，此时，上轴承(801)相对下轴承(802)做上下运动，并带动了变形翼翼根连杆(10)做上下运动，同时，在拍动机构放大杆(11)的支撑下，驱动前行变形翼(1)和后行变形翼(2)实现拍动运动；所述尾翼(3)固定安装在机身(9)的尾部；所述尾翼控制系统(12)固定安装在机身(9)后部靠近尾翼(3)的位置处；所述仿生飞行器的工作方式如下：在垂直起降/悬停时，前行变形翼(1)和后行变形翼(2)处于轴对称扑旋翼运动状态，此时，前行变形翼1的前缘向前，为翼型A状态，后行变形翼(2)的前缘向后，为翼型B状态；在发动机(4)的驱动下，驱动杆(7)连同上轴承(801)做上下往复运动，并通过变形翼翼根连杆(10)、拍动机构放大杆(11)，带动前行变形翼(1)和后行变形翼(2)产生拍动运动；此时，前行变形翼(1)和后行变形翼(2)产生升力和推力；由于前行变形翼(1)和后行变形翼(2)的推力方向相反，形成了绕驱动杆(7)的力矩，推动前行变形翼(1)、后行变形翼(2)围绕驱动杆(7)旋转，形成扑旋翼拍动模式和运动轨迹；当飞行器从垂直起降/悬停状态向前飞状态转换时，首先通过尾翼控制系统(12)操纵尾翼(3)使飞行器向前倾斜，导致扑旋翼产生向前的气动力分量，使飞行器开始前飞运动，此时，尾翼(3)在前行气流产生的绕飞行器重心的力矩作用下带动机身(9)自动转到顺气流方向和飞行器的尾部；然后，当前行变形翼(1)开始上拍时，操纵机翼变形作动器(110)，由其带动拉杆(109)，使前行变形翼(1)的翼型从A状态向B状态变换，即，翼型前缘开始与后缘互换；在前行变形翼(1)转变翼型过程中，当前行变形翼(1)旋转了1/4周期，旋转至机身(9)前方并与之平行的位置时，形成对称翼型，导致前行变形翼(1)产生的气动力减小，而后行变形翼(2)的气动力因转速减小而减小；当前行变形翼(1)完成前后缘互换时，前行变形翼(1)与后行变形翼(2)转换为相同翼型的对称状态，两个变形翼拍动产生的升力、推力大小和方向均相同，导致两翼推力产生的力矩相互抵消；同时，在空气阻力作用下，扑旋翼的转速迅速减小；当前行变形翼(1)旋转至与后行变形翼(2)互换位置时，两翼对称分布于驱动杆(7)和机身(9)的两侧，且翼前缘都向前方；此时，飞行控制系统(13)通过指令操纵离合器(6)锁定下轴承(802)，从而迫使两个变形翼停止旋转，此时，飞行器转换成扑翼飞行模式，两个变形翼在发动机(4)的驱动下保持拍动运动产生同向升力和推力，使飞行器以扑翼飞行模式加速前飞并产生所需升力；当飞行器需从前飞状态逆转换回到垂直起飞和悬停状态时，飞行控制系统(13)操纵离合器(6)脱离下轴承(802)，使前行变形翼(1)围绕驱动杆(7)旋转，同时完成前行变形翼(1)的从B状态向A状态的反向变形，使处于前飞状态的扑翼拍动模式转换为扑旋翼模式，从而完成飞行模式转换；在飞行过程中，通过尾翼控制系统(12)操纵尾翼(3)，能够对飞行器的俯仰和航向姿态进行调控，通过控制任何一侧变形翼的翼型变化，可以实现飞行器的滚转机动飞行。