扑翼推力调整机构及方法与流程

本公开涉及一种扑翼推力调整机构及方法。

背景技术：

当前人造扑翼飞行器研究领域逐渐演进为较大型高飞行效率的仿鸟扑翼飞行器与较小型具备灵活控制特征的仿昆虫扑翼飞行器。

仿昆虫扑翼飞行器由于翼面较小、扑打频率较高，较易通过上下扑打行程占空比控制、抬升角或平均迎角控制、或频率差动控制等手段实现自主起降、悬停与空间高速移动。然而当前仿昆虫扑翼飞行器载荷能力极为有限，相当一部分仿昆虫扑翼飞行器仍需要采用地面电源和系留方式飞行。

仿鸟扑翼飞行器多采用高升阻比构型，续航与载荷能力较好。然而由于其多采用刚性杆件支撑翼面结构，使得翼面惯量较大，且扑打频率较低，而上下扑打占空比、抬升角/迎角、频率差动等控制方式还需要消耗巨大能量，周期气动力对控制结构、作动器的冲击对作动器功率与结构刚度均提出较大挑战，低频导致的控制力周期非定常特性难以克服。

由此，当前较大型扑翼飞行器几乎全部采用置于扑翼诱导流场区域的常规尾舵进行控制。由于扑翼尾流中诱导速度较低，存在较大非轴向分量，尾舵效远低于常规飞行器。在过失速机动状态下为了在周期脉动流场中提高有限的舵效，尾舵必须具备高刚性与较大的翼面积，而如果采用较大功率作动器，又将会额外增加飞行器尾部重量。因此当前大型扑翼飞行器仍然难以实现自主垂直起降、悬停等机动，同时载重与续航能力也远低于理论值。

人们所熟知的昆虫翅痣的作用为提高其高速滑翔的极限颤振速度，因此一些高速飞机在设计过程中模仿昆虫翅痣在机翼前缘增设配重，避免相对柔性的翼面在俯冲等高速状态下出现颤振现象。然而除此以外，翅痣对于扑翼的作用还包括以下两点：

1)作为被动扭转调节器：由于昆虫翼与绝大多数扑翼气动焦点处于扭转轴后方，在扑打过程中气动力会使翼面扭转，扑翼扑打幅度越大，频率越高，其气动力越大，扭转幅度越大，而由于昆虫的翅痣的位置处于翼面扭转轴前方，这将会提供与气动力相反的扭转趋势，减小扭转幅值；

2)提高主动扑打速度：扑翼的扭转运动与螺旋桨的几何桨距具有共性。螺旋桨在静止状态下具有最大推力，随着飞行速度增加，推力逐渐下降至零，当速度继续增加时，螺旋桨将产生阻力。同样的，当扑翼扭转幅度较小，飞行速度较低时，其将产生正周期平均推力，即所谓主动扑打；当扑翼扭转幅度较大，飞行速度较高时，将产生负推力，即所谓被动扑打。具体扭转幅度与推力极性关系可由推进波速度与来流速度的关系确定，借鉴第1)点可知，翅痣对扭转幅值的减小将提高主动扑打的临界速度。

技术实现要素：

为了解决至少一个上述技术问题，本公开提供一种扑翼推力调整机构及扑翼推力调整方法。扑翼推力调整机构的设置是受启发于蜻蜓目、脉翅目、啮虫目等类别昆虫的翅痣的微小布局差异对于扑翼扑打、扭转幅度的影响而导致的推进效能发生巨大改变的现象，主要针对机动性能需求较高的大型扑翼翼面主动控制难题，提出了一种翅痣位置可变的系统，即扑翼前缘微动推力调整机构。

根据本公开的一个方面，扑翼推力调整机构包括：配重装置，配置在扑翼前缘，配重装置一端与扑翼翼尖区域连接，另一端与扑翼翼根区域连接；以及作动器，驱动配重装置沿着扑翼前缘运动。

根据本公开的至少一个实施方式，配重装置沿着扑翼前缘运动时，与前缘主梁接触；配重装置一端与前缘主梁上靠近翼尖区域的一端连接，另一端与配置在扑翼翼根区域的作动器连接。

根据本公开的至少一个实施方式，配重装置沿着扑翼前缘运动时，与前缘主梁接触；配重装置一端通过第一连接件与前缘主梁上靠近翼尖区域的一端连接，配重装置另一端通过第二连接件与配置在扑翼翼根区域的作动器连接。

根据本公开的至少一个实施方式，配重装置的底部与前缘主梁的上侧接触；配重装置沿着前缘主梁的上侧运动。

根据本公开的至少一个实施方式，配重装置的顶部与前缘主梁的下侧接触；配重装置沿着前缘主梁的下侧运动。

根据本公开的至少一个实施方式，配重装置配置在前缘主梁的内部，配重装置的外侧与前缘主梁的内侧接触；配重装置沿着前缘主梁的内侧运动。

根据本公开的至少一个实施方式，配重装置包括滑动件，滑动件配置在配重装置的外侧，滑动件用于减小配重装置运动时产生的摩擦力。

根据本公开的至少一个实施方式，配重装置沿着扑翼前缘运动时，与前缘主梁不接触。

根据本公开的至少一个实施方式，作动器包括摇臂，摇臂的一端通过第二连接件与配重装置连接。

根据本公开的另一方面，采用上述的扑翼推力调整机构进行扑翼推力调整的方法包括以下步骤：基于扑翼扑打幅度和扑打频率，通过作动器调节配重装置在扑翼前缘的展向位置，从而调整翼面的扭转幅度以及扑翼推力。

附图说明

附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

图1是根据本公开的至少一个实施方式的扑翼推力调整机构的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。

通过观察发现，具有翅痣特性的不同种类昆虫的翅痣位置差异较大，这样有助于适应昆虫不同的飞行任务包线。本公开的扑翼推力调整机构正是借鉴了昆虫翼扭转和推力特性对翅痣位置敏感的特点，抽象出其原理，通过对置于多片扑翼前缘的微型配重装置的展向位置进行差动调节以产生控制力。在扑翼高速扑打过程中，配重装置移动所产生的翼面微小质量分布变化即可产生可观控制力，但是对于驱动配重装置的伺服作动器的功率要求却极低，因此具有四两拨千斤之效。

在本公开的一个可选实施方式中，扑翼推力调整机构包括配重装置和作动器。具体地，配重装置优选为微型配重装置，以防止过多增加调整机构的额外重量，影响翼面扑打幅度或频率。配重装置的形状可以是圆柱体、长方体或根据实际需要设置的任何合适的形状。配重装置可以配置在扑翼前缘，配重装置的一端可以与扑翼翼尖区域连接，另一端可以与扑翼翼根区域连接。作动器可以为伺服作动器，用于驱动配重装置沿着扑翼前缘运动，即作动器可用于调整配重装置在扑翼前缘的展向位置。作动器可以配置在扑翼翼根区域、扑翼翼尖区域或者任何有利于驱动配重装置运动的合适位置。

在本公开的一个可选实施方式中，配重装置沿着扑翼前缘运动时，可以与前缘主梁接触，即沿着前缘主梁运动。当配重装置沿着前缘主梁运动时，配重装置的一端可以与前缘主梁上靠近翼尖或翼根区域的一端连接，另一端可以与配置在扑翼翼根或翼尖区域的作动器连接。优选的，配重装置的一端与扑翼前缘主梁上靠近翼尖区域的一端连接，另一端与配置在扑翼翼根区域的作动器连接。

在本公开的一个可选实施方式中，配重装置还可以通过连接件与前缘主梁和作动器连接。优选的，当配重装置沿着前缘主梁运动时，配重装置的一端可以通过第一连接件，例如弹簧，与扑翼前缘主梁上靠近翼尖区域的一端连接；配重装置另一端可以通过第二连接件，例如拉索，与配置在扑翼翼根区域的作动器连接。

优选的，作动器包括摇臂，摇臂的一端配置在作动器上，另一端通过拉索与配重装置连接。

在本公开的一个可选实施方式中，当配重装置沿着前缘主梁运动时，可以仅与前缘主梁的上侧接触，即配重装置仅底部与前缘主梁接触，并沿着前缘主梁的上侧运动。

在本公开的一个可选实施方式中，当配重装置沿着前缘主梁运动时，可以仅与前缘主梁的下侧接触，即配重装置仅顶部与前缘主梁接触，并沿着前缘主梁的下侧运动。

在本公开的一个可选实施方式中，配重装置还可以配置在前缘主梁的内部，也就是说，此时前缘主梁可以是管状结构，而配重装置的外侧与该管状结构的内侧接触。当然，还可以仅配重装置外侧的一部分与该管状结构的内侧接触。当配重装置沿着前缘主梁运动时，配重装置的外侧沿着前缘主梁的内侧运动。

在本公开的一个可选实施方式中，配重装置还可以包括滑动件，例如滑鞘。滑鞘可以配置在配重装置的外侧，将配重装置包裹。滑鞘可以用来减小配重装置在扑翼前缘运动时，例如沿着前缘主梁运动时产生的摩擦力。

具体地，当配重装置沿着前缘主梁的上侧运动时，配重装置的底部将产生一个摩擦力，而在配重装置外侧设置滑鞘，将有助于减小该摩擦力，并可以进一步提高配重装置移动过程中翼面质量分布变化的灵敏度。同样的，当配重装置沿着前缘主梁的下侧运动时，配重装置的顶部将产生一个摩擦力，在配重装置外侧设置滑鞘，将有助于减小该摩擦力。当配重装置在前缘主梁内部移动时，配重装置外侧将产生一个摩擦力，因此，在配重装置外侧设置滑鞘，可有助于减小该摩擦力，并可以进一步提高配重装置移动过程中翼面质量分布变化的灵敏度。

可选的，滑动件可以根据需要仅设置在配重装置的底部、顶部或整个外侧。例如，当配重装置沿着前缘主梁的上侧运动时，仅配重装置的底部产生摩擦力，此时则可以仅在配重装置的底部设置滑鞘。

在本公开的一个可选实施方式中，配重装置沿着扑翼前缘运动时，还可以不与前缘主梁接触。此时，配重装置可以选择在外侧配置滑动件或不配置。与驱动配重装置运动的作动器仍可以配置在扑翼翼根区域、翼尖区域或者任何有利于驱动配重装置运动的合适位置。而配重装置仍可以选择适合的连接件，一端与扑翼翼尖区域连接，另一端与扑翼翼根区域连接。例如，配重装置的一端通过连接件与前缘主梁上靠近翼尖区域的一端连接，另一端通过连接件与配置在翼根区域的作动器连接。当然，还可以根据实际需要选择其他合适的配置方式固定配重装置，使其沿着扑翼前缘平稳运动。

在本公开的一个可选实施方式中，可以采用上述的扑翼推力调整机构对扑翼推力进行控制。

具体地，如图1所示，将扑翼推力调整机构安装在扑翼的前缘。为了展现机构细节，前缘主梁的直径被夸张的增加了。翼面结构主要由前缘主梁、后梁与柔性支撑结构组成。扑翼推力调整机构的伺服作动器安装在翼根区域；配重装置安装在前缘主梁的内部，为减小移动时的摩擦力，在配重装置外侧还配置有滑鞘；配重装置的一端通过配重复位弹簧与前缘主梁靠近翼尖区域的一端连接，配重装置的另一端通过拉索与伺服作动器的摇臂连接。

实际操作时，飞行器的每一片扑翼的前缘均可以安装扑翼推力调整机构，通过对置于多片扑翼前缘的配重装置的展向位置进行差动调节以产生控制力。通常人造扑翼由刚度较高的主梁、连接主梁的柔性骨架和蒙皮组成，由扑打机构带动高刚度主梁产生扑打运动。由于翼面气动焦点位于主梁后方，在扑打过程中的气动力将使翼面产生绕主梁扭转的力矩。连接主梁的柔性骨架起到支撑蒙皮的作用。在受到扭转力矩时，柔性骨架与蒙皮产生弹性变形而绕主梁扭转。如果在扑翼前缘配置了扑翼推力调整机构，那么在扑翼扑打时，配重装置的惯性力所产生的扭转趋势与气动力相反，一定程度上就可以削弱扭转幅度。容易想象，当配重装置在扑翼前缘移动时，对应于不同的展向位置，扑打幅度不同，所对应的惯性力也会有所差异，相应地，对翼面扭转幅度的影响也会不同。例如越靠近翼尖或翼根，由扑打造成的配重装置的往复位移幅度越大，其惯性力也越大，那么对翼面扭转效应的削弱也越显著。因此，在使用扑翼推力调整机构进行扑翼推力调整时，可以基于扑翼的扑打幅度和扑打频率，通过伺服作动器调节配重装置在扑翼前缘的展向位置，进一步使得翼面的扭转幅度以及扑翼推力得到控制。

需要说明的是，在某一前进比下，通常存在某一扭转幅度使扑翼推力达到极大值点。而扭转幅度朝向更大或更小的方向变化均会使推力单调下降。据此在分析微配重(配重装置)对翼面扭转影响的基础上，容易设计使扑翼推力单调变化的微配重控制策略。因此，任何基于微配重对翼面运动规律的改变而进行的扑翼推力控制方法都属于本公开的保护范围。

本公开的扑翼推力调整机构结构简单，安装方便，效果显著，在扑翼高速扑打过程中，通过配重装置移动所产生的翼面微小质量分布变化即可导致扑翼扑打、扭转规律的改变，进而产生可观的控制力。扑翼推力调整机构及调整方法，还避免了传统的改变频率、迎角/抬升角、占空比方法对作动器功率需求高的问题，并且整个调整机构的重量极小，适用于各类扑翼结构，有望解决大型扑翼飞行器的高机动控制问题。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。