一種提升撲翼飛行升力的翅膀扭轉機構的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種提升撲翼飛行升力的翅膀扭轉設計原理和結構，屬于航空動力，微型撲翼飛行器領域。
【背景技術】
[0002]微型撲翼飛行器在厘米或毫米尺度內擁有比固定翼和旋翼飛行器更好的氣動效率和機動性，在軍事偵查與滲透、民用探測和搜救等方面有著廣泛的應用前景。微型撲翼飛行器要實現離地飛行，首要考慮的是提高翅膀撲動時產生的升力，提高升重比(升力與自身重力之比)，只有升重比超過1，微型撲翼飛行器才有可能實現離地飛行。
[0003]撲翼飛行要想產生有效的升力，不能僅僅依靠翅膀簡單的前后或上下拍動，只有翅膀平面與拍動方向成一定夾角(攻角)時，翅膀才會產生有效的升力，即翅膀在拍打過程中，必須疊加一定的扭轉動作。針對昆蟲高升力機理與翅膀運動軌跡之間的關系，相關研究指出，翅膀在拍動過程中扭轉時刻的選擇，極大地影響了氣動升力的大小。根據拍動和扭轉時間的前后，可將翅膀扭轉分為三種模式:“超前模式”，“對稱模式”和“滯后模式”。“超前模式”指翅膀在每次拍動結束前，扭轉動作已經完成，在下一次拍動開始時，翅膀平面已經形成了正的攻角；“對稱模式”指拍動結束時，扭轉動作完成了一半，在下一次拍動開始時，翅膀平面構成的攻角為O ;“滯后模式”指翅膀在每次拍動結束時，扭轉動作還未開始，在下一次拍動開始時，翅膀平面處于負的攻角狀態。研究指出，“超前模式”產生的氣動升力最大，“對稱模式”次之，“滯后模式”最小。因而，為了追求更好的氣動性能和更高的升重比，翅膀扭轉設計中應該采用“超前模式”。
[0004]基于目前的技術條件，要實現最佳的翅膀拍動與扭轉組合規律，既要考慮到結構簡單，又要考慮到氣動性能好，因而難度較大。現有微型撲翼飛行器在翅膀扭轉設計方面，一般采用“主動控制”和“被動扭轉”兩種方式，而這兩種途徑均存在自身的不足:(1)結構復雜。在微型撲翼飛行器設計時，驅動器的輸出用于驅動翅膀的拍動，為了實現翅膀的扭轉動作，部分微型撲翼飛行器通過增加一個驅動器來控制翅膀的扭轉，即上述的“主動控制”。由于翅膀的拍動和扭轉由兩個不同的驅動器控制，通過調節驅動器參數，可以實現翅膀拍動與扭轉的最佳組合，這種方式雖然可以保證氣動性能，但是增加一個驅動器和傳動機構大大增加了系統的復雜性和自重，不利于微型化和提升升重比，應用較少；(2)氣動性能不佳。除“主動控制外”，現有微型撲翼飛行器扭轉設計中廣泛采用“被動扭轉”方式，將翅膀根部設計為柔性結構，通過拍動過程中的空氣阻力產生扭轉，這種方式雖然結構較為簡單，但拍動和扭轉的規律屬于上述的“對稱模式”，氣動性能不佳，為了避免翅膀的過扭轉(扭轉角度過大)，同樣需要在翅膀根據增設機構，這樣也不利于提高系統的升重比。
【發明內容】
[0005]本發明技術解決問題:針對微型撲翼飛行器領域對高升重比的需求，考慮到現有微型撲翼飛行器翅膀扭轉設計中存在的結構復雜，氣動性能不佳等缺陷，提供一種提升撲翼飛行升力的翅膀扭轉機構，提升了氣動性能，提高系統的升重比，且簡化了結構，使微型撲翼飛行器更具微型化優勢。
[0006]本發明提出的一種提升撲翼飛行升力的翅膀扭轉機構，是由如下技術方案實現的，具體包括一個組合雙梁、兩個翅膀、兩個支座(分布有兩個支撐孔，兩個限位角)、兩個電極。兩個直流電極平行放置，中間形成一定間距，電極兩端與支座連接，組合梁由兩根單梁組合而成，上側梁穿過支座上的支撐孔，下側梁連同翅膀置于限位角，組合梁和翅膀構成一個類似兩側簡支的結構。其中，組合雙梁作為驅動器的振動部件，用于驅動翅膀的拍動；兩個翅膀與組合雙梁的下側梁固連，用于產生氣動升力；兩個直流電極連接直流電壓的正負極，用于激勵組合雙梁的振動；兩個支座用于支撐組合梁和翅膀。
[0007]所述組合雙梁由上側梁和下側梁組成，當梁截面為圓形且直徑為50-70 μπι時，上側梁長度為30-50mm，下側梁包括翅膀的長度為40_65mm，上側梁和下側梁之間的距離為0.8-1.5mm,上側梁和下側梁通過金屬短梁連接和定型。組合雙梁的梁截面為多種形狀，多種形狀包括圓形，矩形或橢圓形。翅膀厚度為1.5-8 μm，由直徑為20-40 μπι的記憶合金絲段作為加強翼肋，翅膀長10-12_，最大弦長5-7_，翅膀與組合雙梁的下側梁固連在一起，組成梁-翅結構。電極為平板式，長度為20-30mm，寬度10-12mm，兩側電極間距為4_8mm，電極表面為導電材料。兩個電極分別連接直流電壓的正負極，兩電極之間的電勢差為2-4kV。支撐孔為圓形，直徑稍大于組合雙梁的直徑，圓形直徑范圍為80-100 μπι。限位角的角度為30° -50°，限位角頂點與支撐孔圓心的距離為0.2-0.5mm。
[0008]所述組合梁的制備材料可以為多種導電結構，如金、銅、鋁和記憶合金，形狀不限于兩根梁組成的排梁結構；所述支座的制備材料可以為多種輕質非導電材料，如PVC板，支座可通過激光切割制備；所述翅膀的制備材料可以為各種塑料薄膜，如PET薄膜，加強翼肋可以為各種輕質材料，翅膀可通過激光切割或MEMS微加工制備；所述電極可以由表面鍍金屬的薄片經切割制備，也可由MEMS微加工制備。
[0009]通過理論計算和試驗測試，當電極長度為25mm，組合梁上側梁長度為40mm，下側梁(帶翅膀)長度為54mm，電極間距為4_8mm，支撐孔徑為80-100 μ m，限位角度為30° -50°，限位角頂點與支撐孔圓心距離為0.2-0.5mm，直流電壓為2-4kV時，所述組合梁能在直流電壓激勵下產生穩定的一階振動并帶動翅膀大幅值的拍動，在支撐孔和限位角的共同作用下，翅膀在拍動過程中會疊加穩定有規律的扭轉動作，翅膀拍動扭轉組合規律符合上述的“超前模式”，從流體力學的角度來說，所實現的拍動扭轉規律具有良好的氣動性會K。
[0010]本發明與現有技術相比的優點在于:
[0011](I)結構簡單。本發明提出的一種提升撲翼飛行升力的翅膀扭轉機構，通過在支座上設計支撐孔和限位角，即可實現翅膀的扭轉，無需增加驅動器單獨控制扭轉，此外，支座不僅作為扭轉設計的部件，同時也作為承力構件，且翅膀與驅動器振動部件固連，舍棄了傳動機構，這樣大大地簡化了結構。
[0012](2)氣動性能好。本發明提出的一種提升撲翼飛行升力的翅膀扭轉機構，通過支撐孔提供翅膀扭轉所需的支點，通過限位角提供翅膀扭轉的空間同時對翅膀最大扭轉角進行限制，翅膀拍動扭轉的組合規律符合上述的“超前模式”，相比于現有扭轉設計所對應的“對稱模式”，具有更好的氣動性能。
【附圖說明】
[0013]圖1為本發明實施例子的整體結構軸側示意圖；
[0014]圖2為本發明實施例子的組合梁與翅膀的連接示意圖；
[0015]圖3為本發明實施例子的支座結構軸側示意圖；
[0016]圖4為本發明實施例子的組合梁與翅膀支撐示意圖；
[0017]圖5為本發明實施例子的翅膀扭轉過程分解圖。
【具體實施方式】
[0018]如圖1所示，本