[發明專利]一種共軸同向旋轉的雙撲旋翼飛行器

有效

• 申請號: 202110973388.3
• 申請日: 2021-08-24
• 公開（公告）號: CN113682473B
• 公開（公告）日: 2023-04-18
• 發明（設計）人: 周超;李港;褚松濤;吳江浩
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: B64C33/02
• 分類號: B64C33/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

為了解決現有撲旋翼飛行器單平面構型翼載荷變化劇烈、飛行器氣動效率低，多平面構型下方翼氣動性能受尾跡影響性能損失的問題，本發明提出了一種共軸同向旋轉的雙撲旋翼飛行器。該飛行器上下兩對翼同軸布置，同頻率反向豎直拍動并同向同速旋轉，通過在兩翼打開合攏的過程中增加水平方向的推力矩，實現翼旋轉力矩平衡狀態下獲得更快的被動旋轉速度，實現了升力增加和氣動效率提升。

技術領域

本發明涉及微型飛行器領域，具體但不排他地，涉及一種共軸同向旋轉的雙撲旋翼飛行器。

背景技術

自二十世紀九十年代以來，隨著傳統飛行器設計技術的不斷成熟和微電子技術的大幅進步，人們提出了微型飛行器的概念并推動了它的快速發展。微型飛行器體積小、重量輕、機動性強，在國家安全和國民經濟建設方面具有廣泛的應用前景，可用于復雜環境下的偵查、勘探、協助救援等工作。當前微型飛行器研究的重點多集中在仿生微型飛行器領域。

當前人們對生物飛行原理認識的逐漸深入，仿造生物飛行構建了諸多仿生微型飛行器。隨著技術的提高，人們還積極突破生物飛行運動生理結構的限制，為設計更高性能的飛行器，將生物飛行原理與傳統飛行器氣動原理結合設計復合式微型飛行器布局，其中一種是撲旋翼。撲旋翼布局融合了撲翼和旋翼兩種運動，在運動時翼主動豎直拍動并被動旋轉，因此該類布局同時具備撲翼布局在低雷諾數下運動的高升力優勢以及旋翼布局高氣動效率的特點。

過去人們針對撲旋翼飛行器提出了單平面構型，如專利“一種基于壓電驅動的撲旋翼飛行器及驅動方法”(專利號為ZL?201711019042.X)和專利“一種微型機械滑軌式可控撲旋翼飛行器”(專利號為ZL?201511021309.X)。撲旋翼主要依靠下拍過程產生升力，而上拍過程對升力貢獻較小，因此在高載荷產生情況下飛行器翼的載荷較高，翼上下拍過程的瞬態力峰值差別大，氣動力變化劇烈，耗功較多，效率較低。為解決這一問題，也有部分設計提出了多翼的概念，如專利“一種共軸反向雙撲旋翼機構”(專利號為ZL?201910332059.3)提出了多對翼的方案，以期通過翼數量的增加來降低翼載荷和氣動力波動。該方案中多翼共軸反向旋轉，此時下方的翼完全處于上方的翼的尾跡中，下方的翼受到上方的翼下洗流動干擾非常強烈，下方翼的氣動效率較低。

過去針對低雷諾數下多翼之間流動干擾的研究揭示了多翼可以通過翼翼干擾獲得氣動優勢，其中一種效應是打開合攏效應。打開合攏效應可在翼打開合攏的過程中增強垂直于打開合攏方向上的氣動力。因此，為了解決先前多平面撲旋翼構型下方翼多不能從上方翼干擾中受益的問題，有必要探索其他撲旋翼設計方案以期通過多翼干擾效應的應用來獲得性能更優的飛行器。

發明內容

為了解決現有撲旋翼飛行器單平面構型翼載荷變化劇烈、飛行器氣動效率低，多平面構型下方翼氣動性能受上方翼尾跡影響性能損失的問題，本發明提出了一種共軸同向旋轉的雙撲旋翼飛行器。該飛行器上下兩對翼同頻率反向拍動并同向同速旋轉，通過在兩翼打開合攏的過程中增加水平方向的推力矩，實現翼旋轉力矩平衡狀態下獲得更快的被動旋轉速度，實現升力增加和氣動效率提升。

本發明中應用的打開合攏機制是撲翼高升力機制的一種，其作用原理為：兩撲翼在上拍過程結束時兩翼靠近貼合，并在下拍開始時快速打開。兩翼合攏后快速打開時，在兩翼上各自產生了一個環量；由于兩翼打開時沒有啟動渦的脫落，從而避免了啟動渦脫落對最大升力的延遲效應，使翼在拍動之初就立刻產生了較大的氣動力。打開合攏機制主要增加垂直于打開合攏運動方向上的力，昆蟲主要應用該機制增加升力，研究表明，借助打開合攏機制能夠使平均升力增加約8％-19％。本發明中，撲旋翼豎直拍動，因此將上下兩翼設計為反向拍動，即上方翼下拍時下方翼進行上拍運動，打開合攏運動設計在豎直方向，因此該效應主要用于增強水平方向的推力和推力矩，以提高撲旋翼的旋轉速度。撲旋翼旋轉速度的提高會進一步增強升力產生并提高氣動效率。