[發(fā)明專利]一種多體主動(dòng)變構(gòu)型分布式螺旋槳飛行器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110038252.3
• 申請(qǐng)日: 2021-01-12
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112678149B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-09-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 周洲;薛臣;童心雨;王科雷;邵壯;孫俊磊
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學(xué)太倉(cāng)長(zhǎng)三角研究院;西北工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): B64C3/48
• 分類號(hào): B64C3/48;B64C9/20;B64C27/22
• 代理公司: 西安凱多思知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 61290
• 代理人: 云燕春

本發(fā)明一種多體主動(dòng)變構(gòu)型分布式螺旋槳飛行器，屬于航空飛行器技術(shù)領(lǐng)域；包括多個(gè)等弦矩形機(jī)翼段，相鄰矩形機(jī)翼段之間通過(guò)鉸接結(jié)構(gòu)連接；每個(gè)矩形機(jī)翼段前緣中心處均安裝有螺旋槳作為動(dòng)力，所述螺旋槳半徑為R，矩形機(jī)翼段展長(zhǎng)為2.5R，矩形機(jī)翼段展弦比為1.67。本發(fā)明提出的多體變構(gòu)型分布式螺旋槳構(gòu)型，實(shí)際上是將傳統(tǒng)的直機(jī)翼離散成了多段剛體，剛體之間的鉸接，使得翼段之間的局部變形成為可能。本發(fā)明中通過(guò)分布式螺旋槳和機(jī)翼的氣動(dòng)相互作用，在起飛階段，機(jī)翼獲得的升力得到明顯提高，升力增量達(dá)到54.78N，即可以多帶5.58kg的載荷，起飛重量提升了40％。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于航空飛行器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種多體主動(dòng)變構(gòu)型分布式螺旋槳飛行器。

背景技術(shù)

飛行器在飛行過(guò)程中不可避免的會(huì)遇到各種風(fēng)場(chǎng)，自飛行器誕生以來(lái)，人類一直夢(mèng)想能夠像鳥(niǎo)類一樣御風(fēng)飛行，但是目前的固定翼飛行器由于結(jié)構(gòu)材料的限制，無(wú)法像鳥(niǎo)類一樣控制外形變化。目前實(shí)際應(yīng)用中的主要有類似F-14，米格-23這種變后掠的飛行器，可以在不同的飛行速度下獲得較好的氣動(dòng)性能，但是需要付出很大的結(jié)構(gòu)重量代價(jià)，而且遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到御風(fēng)飛行的目的。針對(duì)這一問(wèn)題，目前主要有兩種思路：

一是仿生飛行技術(shù)：采用類似鳥(niǎo)類一樣的撲翼飛行技術(shù)，采用撲翼飛行原理設(shè)計(jì)的撲翼無(wú)人機(jī)主要有的仿鷹、仿鴿子、仿蜂鳥(niǎo)、仿蜻蜓、仿蝴蝶、仿蝗蟲(chóng)、仿蒼蠅和仿蚊子等飛行器。2011年，世界著名的氣動(dòng)元器件生產(chǎn)公司Festo推出了一款仿海鷗的機(jī)器鳥(niǎo)“SmartBird”。Smart Bird^[1]的設(shè)計(jì)靈感來(lái)源于海鷗，機(jī)翼由兩部分組成，如圖1，內(nèi)翼梁通過(guò)一根軸懸掛在機(jī)身內(nèi)翼根處，而外翼梁通過(guò)梯形鉸鏈連接在內(nèi)翼梁上，實(shí)現(xiàn)了1:3的傳動(dòng)比。不僅實(shí)現(xiàn)了翅膀大幅度的上下?lián)鋭?dòng)，還同時(shí)實(shí)現(xiàn)了翅膀的同步扭轉(zhuǎn)。仿生撲翼目前普遍存在尺寸小，飛行雷諾數(shù)低，載荷小的問(wèn)題，目前研制的樣機(jī)大多數(shù)功能比較簡(jiǎn)單，能實(shí)現(xiàn)基本飛行，但存在飛行時(shí)間短、飛行距離有限、只能遙控飛行而不能自主飛行且不能完成比較復(fù)雜的任務(wù)等不足，離實(shí)用化程度還有較大距離。

二是變體柔性無(wú)人機(jī)，NASA設(shè)想采用非常規(guī)布局設(shè)計(jì)一種高空飛行器，它的外形、推進(jìn)、能源的產(chǎn)生和儲(chǔ)存采用一體化無(wú)縫設(shè)計(jì)，整架飛行器上沒(méi)有傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)部件，可以隨時(shí)調(diào)整飛機(jī)形態(tài)，像鳥(niǎo)兒一樣應(yīng)對(duì)不同飛行狀態(tài)。MIT與NASA的科學(xué)家們合作研發(fā)了一款由增強(qiáng)碳纖維塑料組成的能夠彎曲的可變形機(jī)翼⁰，如圖2所示，這種新的變形機(jī)翼由許多像鱗片或羽毛一樣的細(xì)小的、輕量化的結(jié)構(gòu)片搭接而成。這種被稱為“數(shù)字化材料”的結(jié)構(gòu)片采用碳纖維增強(qiáng)聚合物之類高比模量材料制成，可以像樂(lè)高積木一樣組合成各種形狀，結(jié)構(gòu)片間也可像鱗片或羽毛一樣相互運(yùn)動(dòng)，通過(guò)小型驅(qū)動(dòng)電機(jī)在翼尖施加一個(gè)扭轉(zhuǎn)壓力即可使機(jī)翼沿翼展方向產(chǎn)生一致的變形。它可以極大地提高飛機(jī)飛行的效率，并且減輕機(jī)械機(jī)構(gòu)的重量，使之符合空氣動(dòng)力學(xué)原理,風(fēng)洞試驗(yàn)表明這種新的機(jī)翼在氣動(dòng)性能上至少與常規(guī)機(jī)翼相當(dāng)，但重量只相當(dāng)于常規(guī)機(jī)翼的1/10。但是這一研究太依賴于結(jié)構(gòu)和材料技術(shù)的發(fā)展，目前只能停留在實(shí)驗(yàn)室階段，無(wú)法做到實(shí)際飛行。

目前的飛行器，特別是大展弦比飛行器，如太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)，由于其大展弦比結(jié)構(gòu)面密度輕的特點(diǎn)，使其在面對(duì)低空復(fù)雜風(fēng)場(chǎng)時(shí)，流固耦合極易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)散的問(wèn)題，因此設(shè)計(jì)能夠面對(duì)復(fù)雜風(fēng)場(chǎng)環(huán)境的飛行器是很有必要的。目前在這一方面的主要研究方向就是，撲翼和變形機(jī)翼，撲翼機(jī)是完全借助翅膀向后向下扇動(dòng)空氣來(lái)獲得動(dòng)力的，所以和直升機(jī)一樣，存在著速度、高度、起飛重量限制，而且撲翼機(jī)的機(jī)翼是上下扇動(dòng)而不是和直升機(jī)那樣旋轉(zhuǎn)，所以還存在著一個(gè)力臂長(zhǎng)度限制的問(wèn)題，這些限制是短時(shí)間內(nèi)無(wú)法突破的，撲翼機(jī)目前只能局限于尺寸較小的微型飛行器，尺寸較小，無(wú)法加載有效載荷；變形機(jī)翼更是處于概念研究階段，對(duì)材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求極高，目前無(wú)法應(yīng)用到實(shí)際飛行中。

從載荷和飛行范圍上方面來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)的固定翼飛行器無(wú)疑擁有較大優(yōu)勢(shì)，但是由于結(jié)構(gòu)和材料技術(shù)的限制，固定翼無(wú)人機(jī)又無(wú)法有效改變自身構(gòu)型，如果能夠利用現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)和氣動(dòng)技術(shù)的相互作用，設(shè)計(jì)一款能夠綜合固定翼無(wú)人機(jī)巡航優(yōu)勢(shì)，又可以較大范圍變形應(yīng)對(duì)復(fù)雜風(fēng)場(chǎng)的飛行器無(wú)疑具有較大意義，拓寬飛行器飛行范圍。