可变体的仿生尾翼及其设计方法与流程

本发明涉及飞行器尾翼及其设计技术。

背景技术：

目前，公知的飞行器尾翼包括平尾尾翼、垂尾尾翼，也有少数先进战机采用v型尾翼等，对尾翼的控制采用部分或全部转动，上述控制形式单一且不能大幅度地改变尾翼形状和扭转，对全机俯仰力矩系数、滚转力矩系数和偏航力矩系数改变小，机动能力低。

自然界中的鸟类能够灵活控制尾羽控制深失速状态和低阻力状态的自由切换，实现瞬间减速和高速滑行；亦可以精细控制尾羽以改变滚转力矩和偏航力矩，实现在复杂风况下稳定飞行。尾羽的上述功能依靠的是自身独特的生理结构对尾羽的多自由度控制，实现尾羽的变体飞行将使得机翼具有极高的灵活性和机动性。

与自然界中鸟类相比，现有飞行器尾翼控制形式单一、尾翼形状和扭转角改变幅度小，提供给全机俯仰力矩系数、滚转力矩系数和偏航力矩系数偏低，最终导致对深失速状态控制能力差和机动能力低。

借鉴鸟类的尾羽生理构造和功能，进行变体尾翼的仿生设计将会是提高飞行器机动能力的的有效手段。

技术实现要素：

本发明要克服现有技术的上述缺点，提供一种仿生变体尾翼及其设计方法。

一种可变体的仿生尾翼，其特征在于：由尾翼左旋臂1和尾翼右旋臂2确定尾翼的左右边界，刚性尾翼边条3确定尾翼上边界，柔性尾翼边条4确定尾翼下边界；尾翼左旋臂1通过第三球铰12与机身相连，尾翼右旋臂2通过第七球铰16与机身相连；边界内采用弹性蒙皮5填充；左俯仰作动器6的伸长或缩短运动控制左旋臂1的俯仰运动，右俯仰作动器7的伸长或缩短运动控制右旋臂2的俯仰运动；左偏航作动器8的伸长或缩短运动控制左旋臂1的偏航运动，右偏航作动器9的伸长或缩短运动控制右旋臂2的偏航运动；左俯仰作动器6两端通过第一球铰10和第四球铰13分别与左旋臂和机身相连，右俯仰作动器7两端通过第五球铰14和第八球铰17分别与右旋臂和机身相连；左偏航作动器8两端通过第二球铰11和第九球铰18分别与左旋臂1和刚性边条3相连，右偏航作动器9两端通过第六球铰15和第十球铰19分别与右旋臂2和刚性边条3相连。

本发明对自然界中的飞行生物飞行时尾羽动作的研究，仿生出尾翼左旋臂、尾翼右旋臂、尾翼左作动装置、尾翼右作动装置、可变形蒙皮。其中尾翼左旋臂用于固定尾翼左侧外形，配合尾翼左作动装置可改变左旋臂的俯仰角和偏航角；右旋臂用于固定尾翼右侧外形，配合尾翼右作动装置可改变右旋臂的俯仰角和偏航角；蒙皮连续分布于左旋臂和右旋臂之间，并与左右旋臂协同变形，用以承载空气动力；蒙皮跟随左右旋臂运动，左旋臂运动受左作动装置控制，右旋臂运动受右作动装置控制。

本发明的左右旋臂的协同运动可连续改变尾翼形状，左右旋臂同时向下偏转时尾翼下压，用以改变俯仰力矩；左右旋臂同时向上偏转时尾翼上翘，用以改变俯仰力矩；左右旋臂分别向上和向下运动时尾翼扭转，用以改变滚转力矩；左右旋臂分别向两侧运动时，尾翼张开或收拢，用以改变尾翼平面形状和面积；左右旋臂同时向左(右)运动时，尾翼向左(右)偏转，用以改变偏航力矩。

变体机构设计以具有优秀机动飞行能力的鸽子翅膀为母本，采用三维扫描方法获得尾羽结构，依据主要尾羽功能和主要尺寸设计了尾翼变体机构，结构示意图如图3所示。

可变体的仿生尾翼的设计方法，包括如下步骤：

(1)视频拍摄鸽子尾羽姿态。在机动飞行中鸟类尾翼由左尾羽和右尾羽确定了尾翼的左右边界，尾羽可绕旋转点进行偏转。采用高清高速摄像机跟踪拍摄空中减速过程中尾羽变化规律。确定空中减速过程中尾羽姿态。一般情况下鸽子尾羽呈合拢状，为了能够展现尾羽全貌，将尾羽展开，使其外形与视频拍摄中尾羽展开外形相一致，然后将调整过的鸽子尾羽固定。图1给出了鸟类尾羽运动示意图。

(2)三维扫描获得尾翼点云。采用绝对臂三维扫描仪进行整个尾翼的三维扫描，获得尾翼点云。鸽子的尾翼是由众多羽毛叠加而成，所以尾羽样本难免存在奇异点、尾羽炸毛、羽枝翘起等，初始的扫描点云因而存在很多不光滑表面。对初始点云采取光滑处理，通过删除误差过大点、抠出炸毛部分、调整和旋转翘起部分等措施获得光滑鸽子尾翼点云，如图2所示。

(3)建立尾翼局部坐标系，测量尾翼点云下边界。建立尾翼局部坐标系，其中x轴置于水平方向，y轴置于尾翼对称剖面轴线，原点置于尾翼中间尾羽的羽轴末端点m。

实际扫描中，扫描样本难免存在不对称性，可选择制作较为完整的一半模型作为基准点云模型，本发明中实际选择了右半侧扫描较为完整尾翼点云作为仿生点云模型。

(4)选取右半侧所有羽毛羽轴端点，在尾翼局部坐标系下采用三次函数拟合尾翼翼梢外形。

其中yb(max)为最右侧羽毛端点的y坐标值；b为右半侧尾羽展长；η＝x/b为展长的相对坐标；sn通过羽轴端点坐标拟合而来。

(5)确定尾翼前缘位置，选择尾翼对称轴位置的尾羽根部点为尾翼前缘点n，尾羽根部点通过尾羽与尾部覆羽交汇点来判断。

(6)确定尾翼右侧的后缘点p和前缘点q。选择尾翼最右侧尾羽的羽轴的梢部端点为尾翼右侧的后缘点p，尾羽前缘点q通过尾羽与尾部覆羽交汇点来判断。

(7)确定尾翼右侧边界，选择右侧尾羽前缘点q，梢部顶点p，点p和点q之间的线段即为右侧边界。

(8)确定尾翼对称轴，选择对称处羽毛的羽轴前缘点n、梢部点m，点m和点n之间的线段即为对称轴。

本发明的优点是：本发明的变体尾翼具有类似鸟类大幅度改变尾翼平面形状、迎角、扭转角等能力，变体尾翼通过变体尾翼可大幅度地改变飞行器俯仰力矩、滚转力矩和偏航力矩使得飞行器具有高机动能力。

附图说明

图1鸟类飞行时尾羽运动示意图。

图2鸽子尾翼的三维扫描点云。

图3本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。

如图3所示，一种可变体的仿生尾翼，由尾翼左旋臂1和尾翼右旋臂2确定尾翼的左右边界，刚性尾翼边条3确定尾翼上边界，柔性尾翼边条4确定尾翼下边界；尾翼左旋臂1通过第三球铰12与机身相连，尾翼右旋臂2通过第七球铰16与机身相连；边界内采用弹性蒙皮5填充；左俯仰作动器6的伸长或缩短运动控制左旋臂1的俯仰运动，右俯仰作动器7的伸长或缩短运动控制右旋臂2的俯仰运动；左偏航作动器8的伸长或缩短运动控制左旋臂1的偏航运动，右偏航作动器9的伸长或缩短运动控制右旋臂2的偏航运动；左俯仰作动器6两端通过第一球铰10和第四球铰13分别与左旋臂和机身相连，右俯仰作动器7两端通过第五球铰14和第八球铰17分别与右旋臂和机身相连；左偏航作动器8两端通过第二球铰11和第九球铰18分别与左旋臂1和刚性边条3相连，右偏航作动器9两端通过第六球铰15和第十球铰19分别与右旋臂2和刚性边条3相连。

仿生变体尾翼左1旋转臂、右旋转臂2材料的选择非常重要，不仅要具有高承载能力，还要满足重量轻。查阅机械设计手册，旋转臂优先选择低密度、高弹性模量的碳纤维复合材料，其次可选铝合金、不锈钢的金属材料。

上边条3需要有足够的刚度以支持作动装置8和9的高频大载荷，上边条3优选铝合金、不锈钢的金属材料的金属杆。下边条4在承受一定空气动力学载荷基础上还需要有一定的变形能力，其材料优选低密度、高弹性模量的碳条。

弹性蒙皮5要求材料厚度薄、柔软、密度小，能够在尾羽变体过程中光滑地覆盖于整个漏空方格，能够承担蒙皮表面空气动力载荷，且能够在尾翼变体过程中变形。弹性蒙皮材料优选可变形的智能材料，亦可选择聚乙烯、聚脂薄膜的带弹性的材料。

第一球铰10-第十球铰19可绕各自的球铰中心顶点转动，完成上下俯仰和左右偏航动作。

本发明的变体尾翼具有类似鸟类大幅度改变尾翼平面形状、迎角、扭转角等能力，变体尾翼通过变体尾翼可大幅度地改变飞行器俯仰力矩、滚转力矩和偏航力矩使得飞行器具有高机动能力。

本发明的可变体的仿生尾翼的设计方法，包括如下步骤：

(1)视频拍摄鸽子尾羽姿态。在机动飞行中鸟类尾翼由左尾羽和右尾羽确定了尾翼的左右边界，尾羽可绕旋转点进行偏转。采用高清高速摄像机跟踪拍摄空中减速过程中尾羽变化规律。确定空中减速过程中尾羽姿态。一般情况下鸽子尾羽呈合拢状，为了能够展现尾羽全貌，将尾羽展开，使其外形与视频拍摄中尾羽展开外形相一致，然后将调整过的鸽子尾羽固定。图1给出了鸟类尾羽运动示意图。

(2)三维扫描获得尾翼点云。采用绝对臂三维扫描仪进行整个尾翼的三维扫描，获得尾翼点云。鸽子的尾翼是由众多羽毛叠加而成，所以尾羽样本难免存在奇异点、尾羽炸毛、羽枝翘起等，初始的扫描点云因而存在很多不光滑表面。对初始点云采取光滑处理，通过删除误差过大点、抠出炸毛部分、调整和旋转翘起部分等措施获得光滑鸽子尾翼点云，如图2所示。

(3)建立尾翼局部坐标系，测量尾翼点云下边界。建立尾翼局部坐标系，其中x轴置于水平方向，y轴置于尾翼对称剖面轴线，原点置于尾翼中间尾羽的羽轴末端点m。

实际扫描中，扫描样本难免存在不对称性，可选择制作较为完整的一半模型作为基准点云模型，本发明中实际选择了右半侧扫描较为完整尾翼点云作为仿生点云模型。

(4)选取右半侧所有羽毛羽轴端点，在尾翼局部坐标系下采用三次函数拟合尾翼翼梢外形。

其中yb(max)为最右侧羽毛端点的y坐标值；b为右半侧尾羽展长；η＝x/b为展长的相对坐标；sn通过羽轴端点坐标拟合而来。

(5)确定尾翼前缘位置，选择尾翼对称轴位置的尾羽根部点为尾翼前缘点n，尾羽根部点通过尾羽与尾部覆羽交汇点来判断。

(6)确定尾翼右侧的后缘点p和前缘点q。选择尾翼最右侧尾羽的羽轴的梢部端点为尾翼右侧的后缘点p，尾羽前缘点q通过尾羽与尾部覆羽交汇点来判断。

(7)确定尾翼右侧边界，选择右侧尾羽前缘点q，梢部顶点p，点p和点q之间的线段即为右侧边界。

(8)确定尾翼对称轴，选择对称处羽毛的羽轴前缘点n、梢部点m，点m和点n之间的线段即为对称轴。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。