[发明专利]一种新式扑旋翼构型及相应的微小型扑旋翼装置

说明书

技术领域

本发明属于微小型飞行器设计及制造技术领域，更具体地说是涉及扑翼与旋翼相结合的微小型扑旋翼装置设计方法及制造技术。

背景技术

微型飞行器是20世纪90年代中期源于军事目的而发展起来的一种新型飞行器。1992年，美国兰德公司提交美国DARPA（Defense Advanced Research Project Agency，国防高级研究计划署）的一份关于未来军事技术的研究报告首次提出了微型飞行器的概念。与常规无人飞行器相比，微小型飞行器具有体积小、重量轻、成本低的飞行平台优势，操纵方便、机动灵活、噪音小、隐蔽性好，无论是在军事领域还是在民用领域，都有十分广阔的应用前景，因而引起了世界各国的广泛关注。

微小型飞行器按飞行特点可分为三类：固定翼、旋翼和扑翼。

微小型固定翼飞行器的特点是结构简单、固定翼技术积累比较成熟，目前研究得较好的微小型固定翼飞行器有Sanders公司研制的“Micro Star”，AeroVironment公司研制的“Black Widow”以及美国海军研究实验室开发的“MITE”等，但是由于这类飞行器需要一定的飞行速度产生升力才能停留在空中，并且由于尺寸的限制导致最小平飞速度较大，难以实现悬停，限制了微小型固定翼飞行器的应用范围。

微小型旋翼飞行器的特点是能够垂直起降和悬停，这一特点在很大程度上扩展了此种飞行器在军事和民用领域内的应用，比较成功的有Lutronix与Auburn大学合作研制的“Kolibri”、日本东京大学利用MEMS(Micro-Electro-Mechanic System，微机电系统)技术研制的一种翼展仅为4毫米的旋翼飞行装置以及上海交通大学研制的双螺旋桨微型飞行器。然而，由于旋翼系统的结构复杂，当整体尺寸减小时这一缺点更加明显，而且在尺寸较小时，旋翼飞行器的气动效率非常低，飞行稳定性和抗干扰性能较差，使得微小型旋翼飞行器的制造及应用受到了较大影响。

微小型扑翼飞行器是采用仿鸟或昆虫等自然界的飞行生物产生气动力的原理而形成的一种仿生飞行器，它的特点在于可以利用较好的仿生效果通过尾迹气流捕获等升力机制得到较高升力，节省能量，并且在小尺寸情况下的气动效率比固定翼及旋翼飞行器要高，目前研究得较为成熟的有加州理工学院、AeroVironment公司及加州大学共同研制的“MicroBat”，美国佐治亚理工大学研制的仿昆虫微型飞行器“Entomopter”，AeroVironment公司研制的超级蜂鸟以及中国西北工业大学研制的“信鸽”等。但是由于目前的仿生以及MEMS技术发展得还不能达到理想的仿生效果，因此现有的微小型扑翼飞行器尽管可以很好地实现飞行（如AeroVironment公司研制的超级蜂鸟），但有效载荷很低，或者为了达到提升有效载荷的目的不得不采取较大尺寸的构型，比如德国Festo公司研制的“SmartBird”的翼展达到了1.2米，重量达到500克，这些缺点使得微小型扑翼飞行器在需要较大有效载荷的应用方面受到了很大制约，因此，为了使微小型扑翼飞行器在实际中得到更加广泛地应用，解决微小型飞行器尺寸与有效载荷之间要求的矛盾是非常必要的。

目前，在现有技术条件下，能够实现悬停并且具有较大有效载荷是微小型飞行器的发展方向，而根据国内外研究结果，微小型飞行器的技术难点主要有低雷诺数下的升阻比剧烈下降和升力曲线非线性变化，动力和能源密度偏低，有效飞行控制难度大，飞行稳定性差等。而根据三种微小型飞行器的特点，可以发现三种形式均存在各自的技术缺点，难以解决对飞行器尺寸和有效载荷要求之间的矛盾。

近些年国内外研究人员提出了扑旋翼飞行器的概念，这是一种结合扑翼和旋翼的技术，利用扑翼的柔性变形，拍动时同时产生升力和推力，反对称推力形成力偶，带动扑翼做自驱旋转，这样就不需要额外的装置（如单旋翼飞行器中的尾桨等）来平衡扭矩，而通过旋转产生的周向运动速度又能增加升力，从而达到整体增升的目的。但是目前的扑旋翼结构在靠近旋转轴的部分气动效率很低，实验结果表明，这样的装置目前不能产生足够的升力，升力与结构重量之比很低，未达到可以正常起飞的能力。

发明内容