[發明專利]一種撲翼旋翼耦合構型及相應的微型飛行器設計

有效

• 申請號: 201310556510.2
• 申請日: 2013-11-11
• 公開（公告）號: CN103552688A
• 公開（公告）日: 2014-02-05
• 發明（設計）人: 李道春;向錦武;甄沖;孫毅;范新
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: B64C33/00
• 分類號: B64C33/00;B64C33/02
• 代理公司: 北京永創新實專利事務所 11121
• 代理人: 姜榮麗

技術領域

本發明屬于微型飛行器設計及制造技術領域，具體地說是涉及撲翼與旋翼相結合的微型飛行器設計方法及制造技術。

背景技術

微型飛行器是20世紀90年代中期源于軍事目的而發展起來的一種新型飛行器。1992年，美國蘭德公司提交美國DARPA（Defense?Advanced?Research?Project?Agency，國防高級研究計劃署）的一份關于未來軍事技術的研究報告首次提出了微型飛行器的概念。與常規無人飛行器相比，微型飛行器具有體積小、重量輕、成本低的飛行平臺優勢，操縱方便、機動靈活、噪音小、隱蔽性好，無論是在軍事領域還是在民用領域，都有十分廣闊的應用前景，因而引起了世界各國的廣泛關注。

微型飛行器按飛行特點可分為三類：固定翼、旋翼和撲翼。

微型固定翼飛行器的特點是結構簡單、固定翼技術積累比較成熟，目前研究得較好的微型固定翼飛行器有Sanders公司研制的“Micro?Star”，AeroVironment公司研制的“Black?Widow”以及美國海軍研究實驗室開發的“MITE”等，但是由于這類飛行器需要具有一定的飛行速度才能產生升力，并且由于尺寸的限制使得這一飛行速度較大，無法懸停和垂直起降，限制了微型固定翼飛行器的應用范圍。

微型旋翼飛行器的特點是能夠垂直起降和懸停，這一特點大大擴展了此種飛行器在軍事和民用領域內的應用，目前比較成功的有Lutronix與Auburn大學合作研制的“Kolibri”、日本東京大學利用MEMS(Micro-Electro-Mechanic?System，微機電系統)技術研制的一種翼展僅為4毫米的旋翼飛行裝置以及上海交通大學研制的雙螺旋槳微型飛行器。然而，由于旋翼系統的結構復雜，尤其在整體尺寸很小時這一缺點更加明顯，而且此種情況下旋翼飛行器的氣動效率很低，飛行穩定性和抗干擾性能較差，這對微型旋翼飛行器的制造及應用產生了較大影響。

微型撲翼飛行器是采用仿自然界飛行生物產生氣動力的原理而形成的一種仿生飛行器，它的特點在于可以利用理想的仿生效果通過尾跡氣流捕獲等升力機制得到較高升力，節省能量，并且在小尺寸情況下的氣動效率比固定翼及旋翼飛行器要高，目前研究得較為成熟的有加州理工學院、AeroVironment公司及加州大學共同研制的“MicroBat”，美國佐治亞理工大學研制的仿昆蟲微型飛行器“Entomopter”，AeroVironment公司研制的超級蜂鳥以及中國西北工業大學研制的“信鴿”等。但是由于目前的仿生以及MEMS技術成熟度不能達到理想的仿生效果，因此現有的微型撲翼飛行器盡管可以較好地實現飛行（如AeroVironment公司研制的超級蜂鳥），但有效載荷很低，或者為了達到提升有效載荷的目的不得不采取較大尺寸的構型，比如德國Festo公司研制的“SmartBird”的翼展達到了1.2米，已經遠遠脫離了微型飛行器的尺寸范圍，這些缺點使得微型撲翼飛行器在需要較大有效載荷的實際應用上受到了很大制約，因此，解決微型飛行器尺寸與有效載荷之間要求的矛盾是非常必要的。

目前，在現有技術條件下，能夠實現懸停、垂直起降并且具有較大有效載荷是微型飛行器的發展方向。根據國內外研究結果，微型飛行器的技術難點主要有低雷諾數下的升阻比劇烈下降和升力曲線非線性變化（主要針對固定翼），動力和能源密度偏低，有效飛行控制難度大，飛行穩定性差等。而根據三種微型飛行器的特點，不難看出三種形式均存在各自的技術缺點，難以解決對飛行器尺寸和有效載荷要求之間的矛盾。

近些年國內外研究人員提出了撲旋翼飛行器的概念，這是一種結合撲翼和旋翼的技術，利用撲翼的柔性變形，拍動時同時產生升力和推力，反對稱推力形成力偶，帶動撲翼做自驅旋轉，這樣就不需要尾槳等裝置來平衡扭矩，而通過旋轉產生的周向運動速度又能增加升力，從而達到整體增升的目的。但是目前的撲旋翼結構在靠近旋轉軸的部分氣動效率很低，實驗結果表明，目前這樣的裝置不能產生足夠的升力，尚未達到可以正常起飛的能力。

發明內容

為了克服目前的撲旋翼結構在靠近旋轉軸的部分氣動效率低的缺點，解決對現有微型飛行器的尺寸和有效載荷要求的矛盾，并滿足飛行器同時具備懸停、垂直起降和平飛的能力，擁有較好的飛行穩定性和安全性，本發明提出了一種撲翼旋翼耦合構型及相應的微型飛行器設計。