一种低噪声无人机旋翼/螺旋桨的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供一种低噪声无人机旋翼/螺旋桨，包括桨叶，所述桨叶的前缘为正弦波状的结节结构，所述桨叶的尾缘为等腰三角形状的锯齿结构，所述桨叶的翼尖吸力面上粘接有微阵列膜片结构，所述微阵列膜片结构由基片以及设置在基片上的均匀分布的若干柔性柱构成。本实用新型提出了一种切实可行又经济环保的桨叶设计结构，在一定程度上降低了无人机旋翼/螺旋桨的噪声，能够满足不同场合对无人机噪声水平的特殊要求，提高了无人机的效率，使无人机的续航能力得到增强，更加节能环保，具有经济意义。
【专利说明】
一种低噪声无人机旋翼/螺旋桨
技术领域
[0001]本实用新型涉及无人机旋翼/螺旋桨降噪技术领域，具体是一种低噪声无人机旋翼/螺旋桨。
【背景技术】
[0002]当今社会，随着无人机的技术越来越进步，愈来愈多的场合可见其身影，如军事侦察、协助反恐等，无人机发挥了很大作用，降低了不必要的损失并提高了成功率。但在某些情况下，其噪声问题给其安全性带来隐患，如军事侦察发生无人机被发现并被击落的事件。无人机被发现的原因很大程度上就是由于其具有比较大的噪声，其低空飞行、体积小，不易被雷达发现，但噪声制约着其安全性。针对此类问题，现在世界各国都掀起一股研究低噪声无人机的热潮。
[0003]—般来说，噪声的降低有两种方法:主动降噪和被动降噪。主动降噪主要是指用相干声波来抵消已有的噪声场，抑制产生噪声的振动源。国内南京大学声学所等单位，利用该方法实现了主动降噪，实验效果非常明显，但都是处于实验室研究阶段，远没达到实用的程度。在面对无人机旋翼/螺旋桨在空间分布的复杂声场时，这种方式更显得无能为力。所谓的被动降噪主要包括用吸声结构来将入射声波的机械能转化为热能等其他形式的能量或修饰其外部结构，使得流体更加吸附其表面，减少流体分离脱落，从而降低噪声的产生。针对无人机旋翼/螺旋桨在空间中快速转动的情况，利用吸声结构来达到降噪的目标也难以实行。最后为之可行的就是研究如何通过修饰无人机旋翼/螺旋桨的空间结构来达到降噪的目的。
【实用新型内容】
[0004]本实用新型的目的在于提供一种低噪声无人机旋翼/螺旋桨，能够取得有效的降噪效果，切实可行，经济环保。
[0005]本实用新型的技术方案为:
[0006]—种低噪声无人机旋翼/螺旋桨，包括桨叶，所述桨叶的前缘为正弦波状的结节结构，所述桨叶的尾缘为等腰三角形状的锯齿结构，所述桨叶的翼尖吸力面上粘接有微阵列膜片结构，所述微阵列膜片结构由基片以及设置在基片上的均匀分布的若干柔性柱构成。
[0007]所述的低噪声无人机旋翼/螺旋桨，所述结节结构由若干个结节构成，所述结节的高度取值为0.005L?0.2L，所述结节的宽度取值为3mm?30mm，所述结节的数目取值为2?20;其中，L表示单个桨叶的平均弦长，其取值为单个桨叶的水平投影面积与翼展的比值，其单位为mm。
[0008]所述的低噪声无人机旋翼/螺旋桨，所述锯齿结构由若干个锯齿构成，所述锯齿的高度取值为0.0lL?0.4L，所述锯齿的宽度取值为0.0lL?0.5L，所述锯齿的数目取值为3?50;其中，L表示单个桨叶的平均弦长，其取值为单个桨叶的水平投影面积与翼展的比值，其单位为mm。
[0009]所述的低噪声无人机旋翼/螺旋桨，所述柔性柱的高度取值为0.01%L?30%L，所述柔性柱的底面直径取值为0.1%qL?30%L，所述柔性柱在基片上的分布密度取值为0.5%?20%;其中，L表示单个桨叶的平均弦长，其取值为单个桨叶的水平投影面积与翼展的比值，其单位为mm。
[0010]本实用新型的有益效果为:
[0011](I)针对无人机旋翼/螺旋桨噪声的复杂性，本实用新型提出了一种切实可行又经济环保的桨叶设计结构，在一定程度上降低了无人机旋翼/螺旋桨的噪声，能够满足不同场合对无人机噪声水平的特殊要求。
[0012](2)本实用新型基于耦合仿生的降噪结构是仿照自然界中具有“静音”飞行特性的猫头鹰结构得来的，能够提高无人机的效率，使无人机的续航能力得到增强，更加节能环保，具有经济意义。虽然本实用新型研究对象是针对无人机旋翼/螺旋桨，但是像风扇、轴流风机、涡轮机等旋转机械都可以使用前缘结节结构、尾缘锯齿结构和翼尖吸力面微阵列膜片结构这三种结构中的一种或几种，可以单独使用抑或组合使用，还可以用来解决飞行器的气动噪声问题。
[0013](3)本实用新型给出了上述三种结构参数的取值范围，这对实际应用中具体结构的尺寸选择具有指导意义。
[0014](4)本实用新型提出的上述三种结构除了与桨叶固定一体化以外，还可以做成能拆能装的活动式，以便根据实际情况加以利用，甚至与控制系统加以组合形成主动降噪系统。
【附图说明】
[0015]图1是本实用新型的结构不意图；
[0016]图2是图1的A部放大图；
[0017]图3是图1的B部放大图；
[0018]图4是图1的C部放大图。
【具体实施方式】
[0019]下面结合附图和具体实施例进一步说明本实用新型。
[0020]如图1?图4所示，一种低噪声无人机旋翼/螺旋桨，包括桨叶I，桨叶I的前缘11采用正弦波状的结节结构，桨叶I的尾缘12采用等腰三角形状的锯齿结构，桨叶I的翼尖吸力面上粘接有微阵列膜片结构2，其中，微阵列膜片结构2由基片以及设置在基片上的均匀分布的若干柔性柱21构成。
[0021]结节结构的主要参数包括结节高度a、结节宽度b、结节数目M，这三个参数优化后的取值范围如下:
[0022]结节高度a取值在0.005L?0.2L;
[0023]结节宽度b取值在3mm?30mm;
[0024]结节数目M取值在2?20。
[0025]锯齿结构的主要参数包括锯齿高度C、锯齿宽度d、锯齿数目N，这三个参数优化后的取值范围如下:
[0026]锯齿高度c取值在0.0IL?0.4L;
[0027]锯齿宽度d取值在0.0lL?0.5L;
[0028]锯齿数目N取值在3?50。
[0029]翼尖吸力面上粘贴的微阵列膜片结构2是采用MEMS技术加工出圆形硅柱孔阵列或者镍柱孔阵列模板，再通过浇筑并旋涂PDMS柔性材料，固化后脱模得到的。其中，娃柱孔或镍柱孔的高度或直径即为微阵列膜片结构2的单个柔性柱21的高度和直径。
[0030]下面以硅柱孔阵列模板的制作为例，介绍下工艺过程，选取3英寸硅片用来制作硅柱孔阵列模板，利用L-Edit软件制作掩膜版图形，具体制备流程如下:
[0031 ] (I)选用直径3英寸、晶向为(100)的单面抛光硅片，厚度为500微米，然后对单晶抛光硅片进行化学清洗，后干燥处理；
[0032](2)在单晶抛光硅片的抛光面上依次生长沉积600纳米厚的二氧化硅薄膜和200纳米厚的金属铝薄膜；
[0033](3)在金属铝薄膜上涂上一层厚度为2微米的光刻胶(正胶)；
[0034](4)正面光刻板掩膜曝光；
[0035](5)显影、定影；
[0036](6)正面铝的腐蚀窗口打开；
[0037](7)正面二氧化硅的腐蚀窗口打开；
[0038](8)腐蚀去除正面光刻胶；
[0039](9)采用感应耦合等离子体(ICP)深刻蚀工艺来刻蚀腐蚀窗口处的硅至设计的深度，刻蚀没有金属铝掩膜图形和二氧化硅掩膜图形保护区域的单晶硅，直至所需的深度以得到符合设计的硅柱孔阵列；
[0040](10)去除正面金属铝掩膜层；
[0041 ] (11)去除正面二氧化硅掩膜层；
[0042](12)采用喷涂法在硅柱孔阵列表面制作一层含氟基的化合物，以降低其粘附性。
[0043]由于硅柱孔阵列孔径较小，孔深较大，且阵列的密度高，硅柱孔阵列与PDMS之间因接触面积大而导致的粘附力很大，如果不对硅柱孔阵列模板进行预处理，极易造成PDMS脱模后破损，甚至难以脱模。因此，可以采用喷涂法在硅柱孔阵列表面喷涂一层超薄的氟类化合物，降低其粘附性，以便于PDMS从硅柱孔阵列模板上脱模。
[0044]微阵列膜片结构2的主要参数包括柔性柱21的高度h、底面直径Φ以及柔性柱21在基片上的分布密度P，其中，柔性柱21在基片上的分布密度P指的是基片上所有柔性柱21的底面积之和与基片面积的比值，这三个参数优化后的取值范围如下:
[0045]柔性柱21的高度h取值在0.01%L?30%L;
[0046]柔性柱21的底面直径Φ取值在0.1%qL?30%L;
[0047]柔性柱21在基片上的分布密度P取值在0.5%?20%。
[0048]上述L代表单个桨叶I的平均弦长，其取值为单个桨叶I的水平投影面积与翼展的比值，单位:mm0
[0049]自然界中一些生物经过亿万年的进化，形成了具有环境适应性的躯体特征，如猫头鹰的静音飞行特性就是其中的典型代表。本实用新型受猫头鹰的“静音”飞行启发，结合耦合仿生学的理论依据，设计并制作了前缘结节结构、尾缘锯齿结构与翼尖吸力面微阵列膜片结构耦合的桨叶，并通过实验研究得到效果较佳的参数组合。
[0050]这三种结构在无人机旋翼/螺旋桨降噪中所起的作用是不相同的，前缘结节结构主要是提高顺气流方向涡流的动量，增加其附着力，延缓分离，提高升力的同时对抑制噪声有一定的作用;尾缘锯齿结构使得无人机旋翼/螺旋桨尾缘的辐射噪声得到进一步降低;翼尖吸力面微阵列膜片结构是根据吸力面上的流体的流动特性设置的，使得修饰过的流体能够平缓流向尾缘，某种程度上降低了涡流脱落引起的噪声。
[0051]这三种结构可以根据实际需求不同单独使用于不同对象，抑或两两组合(前缘结节结构与尾缘锯齿结构耦合、前缘结节结构与翼尖吸力面微阵列膜片结构耦合、尾缘锯齿结构与翼尖吸力面微阵列膜片结构耦合)，皆可有效降低气动噪声。
[0052]实验结果证明，采用耦合仿生结构的无人机旋翼/螺旋桨，其降噪效果更加明显，这极大提高了无人机的“静音”性能，一定程度上保障了无人机的安全性能。
[0053]本实用新型的耦合仿生结构具有可移植性，除了无人机之外，还可以用于其他需要降噪的旋转机械，如轴流风机、风扇、涡轮机械等，能够有效降低气动噪声。
[0054]以上所述实施方式仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本实用新型的权利要求书确定的保护范围内。
【主权项】
1.一种低噪声无人机旋翼/螺旋桨，包括桨叶，其特征在于:所述桨叶的前缘为正弦波状的结节结构，所述桨叶的尾缘为等腰三角形状的锯齿结构，所述桨叶的翼尖吸力面上粘接有微阵列膜片结构，所述微阵列膜片结构由基片以及设置在基片上的均匀分布的若干柔性柱构成。2.根据权利要求1所述的低噪声无人机旋翼/螺旋桨，其特征在于:所述结节结构由若干个结节构成，所述结节的高度取值为0.005L?0.2L，所述结节的宽度取值为3mm?30mm，所述结节的数目取值为2?20;其中，L表示单个桨叶的平均弦长，其取值为单个桨叶的水平投影面积与翼展的比值，其单位为_。3.根据权利要求1所述的低噪声无人机旋翼/螺旋桨，其特征在于:所述锯齿结构由若干个锯齿构成，所述锯齿的高度取值为0.0lL?0.4L，所述锯齿的宽度取值为0.0lL?0.5L，所述锯齿的数目取值为3?50;其中，L表示单个桨叶的平均弦长，其取值为单个桨叶的水平投影面积与翼展的比值，其单位为_。4.根据权利要求1所述的低噪声无人机旋翼/螺旋桨，其特征在于:所述柔性柱的高度取值为0.01%L?30%L，所述柔性柱的底面直径取值为0.1%oL?30%L，所述柔性柱在基片上的分布密度取值为0.5%?20%;其中，L表示单个桨叶的平均弦长，其取值为单个桨叶的水平投影面积与翼展的比值，其单位为_。
【文档编号】B64C27/473GK205418069SQ201620092258
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年1月30日
【发明人】王山山, 孔德义, 王兵, 张晓晓
【申请人】中国科学院合肥物质科学研究院