專利名稱：一種具有水平前翼和垂直前翼的微型撲翼飛行器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及撲翼飛行器，尤其是一種微型撲翼飛行器。
背景技術(shù)：
1992年，美國(guó)首次提出微型飛行器的概念，由于其尺寸小、重量輕、效率高、用途廣泛而迅速成為了研究熱點(diǎn)。微型飛行器主要有微型固定翼飛行器、微型旋翼飛行器和微型撲翼飛行器三大類，空氣動(dòng)力學(xué)相關(guān)研究表明，在微型飛行器的雷諾數(shù)范圍內(nèi)，撲翼飛行器比其他兩類飛行器具有更高的氣動(dòng)效率，以微型撲翼飛行器為平臺(tái)的無人機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)成為未來微型無人飛行器發(fā)展的主要方向。圍繞這一課題，各國(guó)已研制出可控飛行的撲翼飛行器，最近公開的具有代表性的是荷蘭Delft大學(xué)的“Delf Iy III”和美國(guó)Aero Environment 公司的“Hummingbird”，這些飛行器的飛行性能與之前相比有了較大提高，但仍然沒有成為具備完善系統(tǒng)功能的微型撲翼無人機(jī)系統(tǒng)。綜合來看，由于微型撲翼飛行器載荷能力相對(duì)較差、內(nèi)部空間有限，導(dǎo)致難以安裝無人機(jī)系統(tǒng)所必須的飛控/導(dǎo)航系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈以及任務(wù)載荷等機(jī)載設(shè)備，這個(gè)矛盾是微型撲翼無人機(jī)平臺(tái)設(shè)計(jì)的核心問題之一。另一方面，目前的微型撲翼飛行器大多采用常規(guī)布局，即撲翼位于尾翼之前，重心位于撲翼和尾翼之間的布局形式。這種布局的不足有兩個(gè)方面一是微型撲翼飛行器全機(jī)焦點(diǎn)位置比較靠前，通常位于撲翼的四分之一至四分之三弦長(zhǎng)位置，為了滿足靜穩(wěn)定性要求，全機(jī)重心位置需要相應(yīng)地向前調(diào)整，難以充分利用機(jī)身空間安裝機(jī)載設(shè)備；而是為了滿足配平飛行要求，水平尾翼通常產(chǎn)生負(fù)的升力，影響了氣動(dòng)效率，降低了微型撲翼飛行器的載荷能力。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種具有水平前翼和垂直前翼的微型撲翼飛行器，通過改變飛行器布局，提高微型撲翼飛行器的氣動(dòng)效率，充分利用微型飛行器的機(jī)身空間安裝機(jī)載設(shè)備。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是包括機(jī)身、撲翼、撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、撲翼支撐桿、水平前翼和垂直前翼。所述機(jī)身為左右對(duì)稱的平板，撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝于機(jī)身，能通過齒輪減速器和四連桿機(jī)構(gòu)將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)樗倪B桿一對(duì)左右對(duì)稱搖臂的上下擺動(dòng)。撲翼支撐桿位于撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的后方，垂直于機(jī)身對(duì)稱平面，向左右兩側(cè)對(duì)稱的伸出。所述撲翼為左右對(duì)稱的一對(duì)，包括位于前緣的前梁和位于后方的輔助梁，它們與若干翼肋共同構(gòu)成撲翼框架，框架上粘貼薄膜蒙皮。撲翼前梁與撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)搖臂上的盲孔插接，撲翼輔助梁與撲翼支撐桿外端樞接。這種連接方式使撲翼能在撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)搖臂的帶動(dòng)下進(jìn)行上下?lián)鋭?dòng)產(chǎn)生升力和推力。所述水平前翼安裝于機(jī)身上，位于撲翼前方，左右對(duì)稱，分為前后兩部分，前部為固定的水平安定面，后部為升降舵，可繞水平安定面和升降舵的連接線轉(zhuǎn)動(dòng)。水平安定面具有正的安裝角，使得全機(jī)迎角一定時(shí)，水平前翼產(chǎn)生的升力增加，在無需增加水平前翼與撲翼距離的前提下就能有效的配平飛行器。又因?yàn)樗角耙砗蛽湟淼木嚯x是限制機(jī)身長(zhǎng)度的主要因素，因此水平前翼采用正安裝角能夠減小機(jī)身長(zhǎng)度，從而減小微型撲翼飛行器的尺寸。升降舵能由舵機(jī)驅(qū)動(dòng)上下偏轉(zhuǎn)，提供飛行中的俯仰操縱力矩。所述垂直前翼安裝于機(jī)身上，位于撲翼前方，其參考翼面位于機(jī)身對(duì)稱平面內(nèi)，分為前后兩部分，前部為固定的垂直安定面，后部為方向舵，可在舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)下繞垂直安定面和方向舵的連接線轉(zhuǎn)動(dòng)，提供橫航向控制力矩。由于撲翼?yè)鋭?dòng)的作用會(huì)在撲動(dòng)區(qū)域內(nèi)形成渦流，如果垂直安定面和方向舵按照傳統(tǒng)垂直尾翼的形式安裝，則會(huì)完全置于撲翼渦流內(nèi)， 喪失操縱效能。又由于撲翼?yè)鋭?dòng)作用導(dǎo)致?lián)湟盹w行器橫向阻尼相對(duì)較大，距離滾轉(zhuǎn)軸線較近的升降舵無法通過左右差動(dòng)提供足夠的滾轉(zhuǎn)操縱力矩。綜上所述，本發(fā)明技術(shù)方案提出的垂直前翼布置方案是對(duì)此種布局撲翼飛行器進(jìn)行有效橫航向操縱的必要手段。所述撲翼和水平前翼之間的機(jī)身可用于安裝數(shù)據(jù)鏈、飛控/導(dǎo)航系統(tǒng)等機(jī)載設(shè)備。本發(fā)明的有益效果是由于上述布置方案，滿足靜穩(wěn)定性要求的重心位置處在水平前翼與撲翼之間，這段空間是機(jī)身主體部分所在位置，也就是數(shù)據(jù)鏈、飛控/導(dǎo)航系統(tǒng)、 任務(wù)載荷等無人機(jī)系統(tǒng)需要的機(jī)載設(shè)備安裝的位置，只需縱向的小幅度位置調(diào)整就能滿足重心要求。因此，本發(fā)明提供的技術(shù)方案取得了機(jī)載設(shè)備靜穩(wěn)定性要求和空間位置要求的統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)了機(jī)身空間的充分利用。本發(fā)明的技術(shù)方案采用了位于撲翼前方的水平前翼，并采用了正的安裝角，配平飛行狀態(tài)下水平前翼產(chǎn)生正的升力，使全機(jī)升力大于撲翼產(chǎn)生的升力，提高了微型撲翼飛行器的氣動(dòng)效率。下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。


圖1為本發(fā)明軸測(cè)圖；圖2為本發(fā)明俯視圖；圖3為本發(fā)明側(cè)視圖；圖4為本發(fā)明安裝機(jī)載設(shè)備示意圖。圖中，1-機(jī)身，2-撲翼，3-撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，4-撲翼支撐桿，5A-水平安定面，5B-升降舵，6A-垂直安定面，6B-方向舵，7A-1號(hào)舵機(jī)，7B-2號(hào)舵機(jī)，8-電池，9-飛控/導(dǎo)航系統(tǒng)。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明是一種包括機(jī)身1、撲翼2、撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)3、撲翼支撐桿4、水平前翼和垂直前翼的微型撲翼飛行器。如圖1 3所示，所述機(jī)身1為左右對(duì)稱的平板，其形狀為上邊平直，下邊為前窄后寬的弧線，由輕木板表面包覆玻璃鋼復(fù)合材料制成，輕木板上開有減輕孔。撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 3通過其機(jī)架上方平行于撲翼弦線方向的安裝孔和機(jī)架底部垂直于撲翼弦線方向的安裝孔用螺釘安裝于機(jī)身，使用兩級(jí)平行齒輪減速器和四連桿機(jī)構(gòu)將微型外轉(zhuǎn)子無刷電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)樗倪B桿一對(duì)左右對(duì)稱搖臂的上下擺動(dòng)，搖臂中心開有盲孔，用于連接撲翼。撲翼支撐桿4為樹脂基碳纖維復(fù)合材料桿，位于撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的后方，垂直于機(jī)身對(duì)稱平面穿過機(jī)身，與機(jī)身膠接，向左右兩側(cè)對(duì)稱的伸出一定距離，外端開有沿?fù)湟硐揖€方向的孔，用于連接撲翼3。所述撲翼3為左右對(duì)稱的一對(duì)，包括位于前緣的前梁和位于后方的輔助梁，它們與5根翼肋膠接共同構(gòu)成撲翼框架，框架均為樹脂基碳纖維復(fù)合材料，框架上粘貼聚氨酯薄膜蒙皮。撲翼前梁與撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)搖臂上的盲孔插接，撲翼輔助梁上固定帶彎折的金屬絲，金屬絲穿過撲翼支撐桿外端的孔，完成輔助梁與撲翼支撐桿的樞接。所述水平前翼安裝于機(jī)身上邊，與機(jī)身膠接，位于撲翼前方，其前緣與撲翼前緣的距離為撲翼弦長(zhǎng)的2倍，此距離加上撲翼弦長(zhǎng)即為機(jī)身長(zhǎng)度。水平前翼展弦比為6，根梢比為0.5，翼面積與撲翼幾何翼面積之比為1 3，前緣后掠角8°。水平前翼左右對(duì)稱，分為前后兩部分，前部為固定的水平安定面5A，后部為升降舵5B，升降舵5B占根弦長(zhǎng)的40%，升降舵5B與水平安定面5A用纖維膠帶粘接，可繞水平安定面5A和升降舵5B的連接線轉(zhuǎn)動(dòng)。 升降舵5A與機(jī)身交叉的部分向內(nèi)凹，而機(jī)身的對(duì)應(yīng)部分有半月形開口，這種設(shè)置的目的是升降舵上下轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)不與機(jī)身發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉。水平安定面安裝角為5°。水平前翼的后部機(jī)身上裝有1號(hào)舵機(jī)7A，通過連桿帶動(dòng)升降舵上下偏轉(zhuǎn)提供俯仰操縱力矩。所述垂直前翼安裝于機(jī)身上，位于撲翼前方，其參考翼面位于機(jī)身對(duì)稱平面內(nèi)，垂直前翼與水平前翼的面積比為1 2，垂直前翼展弦比為3，跟梢比為0.8，前緣后掠角為 8°。分為前后兩部分，前部為固定的垂直安定面6A，后部為方向舵6B，方向舵占根弦長(zhǎng)的 50%，方向舵6B與垂直安定面6A用纖維膠帶粘接。方向舵6B可在垂直前翼后方機(jī)身上安裝的2號(hào)舵機(jī)7B的驅(qū)動(dòng)下繞垂直安定面和方向舵的連接線轉(zhuǎn)動(dòng)，提供橫航向控制力矩。如圖4所示，本發(fā)明要求飛行器的重心位于撲翼前緣與水平前翼后緣之間的位置，為了安裝機(jī)載設(shè)備并配平重心，可將飛控/導(dǎo)航系統(tǒng)9和其他機(jī)載設(shè)備用海綿膠帶固定于撲翼前緣和水平尾翼后緣之間的機(jī)身上，而將電池8用海綿膠帶固定于撲翼下方的機(jī)身上。
權(quán)利要求
1.一種具有水平前翼和垂直前翼的微型撲翼飛行器，包括機(jī)身、撲翼、撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、 撲翼支撐桿、水平前翼和垂直前翼，其特征在于所述機(jī)身為左右對(duì)稱的平板，撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝于機(jī)身，通過齒輪減速器和四連桿機(jī)構(gòu)將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)樗倪B桿一對(duì)左右對(duì)稱搖臂的上下擺動(dòng)；撲翼支撐桿位于撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的后方，垂直于機(jī)身對(duì)稱平面，向左右兩側(cè)對(duì)稱的伸出；所述撲翼為左右對(duì)稱的一對(duì)，包括位于前緣的前梁和位于后方的輔助梁，它們與若干翼肋共同構(gòu)成撲翼框架，框架上粘貼薄膜蒙皮；撲翼前梁與撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)搖臂上的盲孔插接，撲翼輔助梁與撲翼支撐桿外端樞接；所述水平前翼安裝于機(jī)身上，位于撲翼前方，左右對(duì)稱，分為前后兩部分，前部為固定的水平安定面，后部為升降舵，可繞水平安定面和升降舵的連接線轉(zhuǎn)動(dòng)；所述垂直前翼安裝于機(jī)身上，位于撲翼前方，其參考翼面位于機(jī)身對(duì)稱平面內(nèi)，分為前后兩部分，前部為固定的垂直安定面，后部為方向舵，可在舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)下繞垂直安定面和方向舵的連接線轉(zhuǎn)動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有水平前翼和垂直前翼的微型撲翼飛行器，其特征在于 所述水平前翼的水平安定面具有正的安裝角。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有水平前翼和垂直前翼的微型撲翼飛行器，其特征在于 所述撲翼和水平前翼之間的機(jī)身用于安裝機(jī)載設(shè)備。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有水平前翼和垂直前翼的微型撲翼飛行器，包括機(jī)身、撲翼、撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、撲翼支撐桿、水平前翼和垂直前翼。撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和撲翼支撐桿連接一對(duì)撲翼上下?lián)鋭?dòng)產(chǎn)生升力和推力，采用位于撲翼前方的水平前翼和垂直前翼，使?jié)M足靜穩(wěn)定性要求的重心位置位于撲翼和水平前翼之間，機(jī)載設(shè)備布置能夠兼顧利用機(jī)身空間和滿足飛行要求。同時(shí)，水平前翼具有正的安裝角，在配平飛行時(shí)產(chǎn)生升力，提高全機(jī)氣動(dòng)效率。垂直前翼能夠提供適合撲翼飛行方式的橫航向操縱。本發(fā)明適合用作微型撲翼無人飛行器系統(tǒng)的平臺(tái)。
文檔編號(hào)B64C33/00GK102501971SQ20111036987
公開日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月20日
發(fā)明者付鵬, 宋筆鋒, 李洋, 楊文青, 王利光, 王進(jìn) 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)