[发明专利]一种多体主动变构型分布式螺旋桨飞行器

说明书

本发明一种多体主动变构型分布式螺旋桨飞行器，属于航空飞行器技术领域；包括多个等弦矩形机翼段，相邻矩形机翼段之间通过铰接结构连接；每个矩形机翼段前缘中心处均安装有螺旋桨作为动力，所述螺旋桨半径为R，矩形机翼段展长为2.5R，矩形机翼段展弦比为1.67。本发明提出的多体变构型分布式螺旋桨构型，实际上是将传统的直机翼离散成了多段刚体，刚体之间的铰接，使得翼段之间的局部变形成为可能。本发明中通过分布式螺旋桨和机翼的气动相互作用，在起飞阶段，机翼获得的升力得到明显提高，升力增量达到54.78N，即可以多带5.58kg的载荷，起飞重量提升了40％。

技术领域

本发明属于航空飞行器技术领域，具体涉及一种多体主动变构型分布式螺旋桨飞行器。

背景技术

飞行器在飞行过程中不可避免的会遇到各种风场，自飞行器诞生以来，人类一直梦想能够像鸟类一样御风飞行，但是目前的固定翼飞行器由于结构材料的限制，无法像鸟类一样控制外形变化。目前实际应用中的主要有类似F-14，米格-23这种变后掠的飞行器，可以在不同的飞行速度下获得较好的气动性能，但是需要付出很大的结构重量代价，而且远远达不到御风飞行的目的。针对这一问题，目前主要有两种思路：

一是仿生飞行技术：采用类似鸟类一样的扑翼飞行技术，采用扑翼飞行原理设计的扑翼无人机主要有的仿鹰、仿鸽子、仿蜂鸟、仿蜻蜓、仿蝴蝶、仿蝗虫、仿苍蝇和仿蚊子等飞行器。2011年，世界著名的气动元器件生产公司Festo推出了一款仿海鸥的机器鸟“SmartBird”。Smart Bird^[1]的设计灵感来源于海鸥，机翼由两部分组成，如图1，内翼梁通过一根轴悬挂在机身内翼根处，而外翼梁通过梯形铰链连接在内翼梁上，实现了1:3的传动比。不仅实现了翅膀大幅度的上下扑动，还同时实现了翅膀的同步扭转。仿生扑翼目前普遍存在尺寸小，飞行雷诺数低，载荷小的问题，目前研制的样机大多数功能比较简单，能实现基本飞行，但存在飞行时间短、飞行距离有限、只能遥控飞行而不能自主飞行且不能完成比较复杂的任务等不足，离实用化程度还有较大距离。

二是变体柔性无人机，NASA设想采用非常规布局设计一种高空飞行器，它的外形、推进、能源的产生和储存采用一体化无缝设计，整架飞行器上没有传统机械传动部件，可以随时调整飞机形态，像鸟儿一样应对不同飞行状态。MIT与NASA的科学家们合作研发了一款由增强碳纤维塑料组成的能够弯曲的可变形机翼⁰，如图2所示，这种新的变形机翼由许多像鳞片或羽毛一样的细小的、轻量化的结构片搭接而成。这种被称为“数字化材料”的结构片采用碳纤维增强聚合物之类高比模量材料制成，可以像乐高积木一样组合成各种形状，结构片间也可像鳞片或羽毛一样相互运动，通过小型驱动电机在翼尖施加一个扭转压力即可使机翼沿翼展方向产生一致的变形。它可以极大地提高飞机飞行的效率，并且减轻机械机构的重量，使之符合空气动力学原理,风洞试验表明这种新的机翼在气动性能上至少与常规机翼相当，但重量只相当于常规机翼的1/10。但是这一研究太依赖于结构和材料技术的发展，目前只能停留在实验室阶段，无法做到实际飞行。

目前的飞行器，特别是大展弦比飞行器，如太阳能无人机，由于其大展弦比结构面密度轻的特点，使其在面对低空复杂风场时，流固耦合极易导致结构发散的问题，因此设计能够面对复杂风场环境的飞行器是很有必要的。目前在这一方面的主要研究方向就是，扑翼和变形机翼，扑翼机是完全借助翅膀向后向下扇动空气来获得动力的，所以和直升机一样，存在着速度、高度、起飞重量限制，而且扑翼机的机翼是上下扇动而不是和直升机那样旋转，所以还存在着一个力臂长度限制的问题，这些限制是短时间内无法突破的，扑翼机目前只能局限于尺寸较小的微型飞行器，尺寸较小，无法加载有效载荷；变形机翼更是处于概念研究阶段，对材料和结构设计要求极高，目前无法应用到实际飞行中。

从载荷和飞行范围上方面来说，传统的固定翼飞行器无疑拥有较大优势，但是由于结构和材料技术的限制，固定翼无人机又无法有效改变自身构型，如果能够利用现有的结构和气动技术的相互作用，设计一款能够综合固定翼无人机巡航优势，又可以较大范围变形应对复杂风场的飞行器无疑具有较大意义，拓宽飞行器飞行范围。