一种仿缨甲缨翅结构的微型扑翼飞行器机翼

技术领域

本发明属于扑翼飞行器技术领域，具体涉及一种仿缨甲缨翅结构的微型扑翼飞行器机翼。

背景技术

微型扑翼飞行器是一种翼展不超过150mm、重量为10～100g，通过模仿鸟类和昆虫飞行而制造的新型微型飞行器，具有尺寸小巧、机动性好和飞行效率高等特点，在军用和民用领域都具有广阔的发展前景和应用空间。但随着扑翼飞行器微小化过程雷诺数的减小，飞行姿态难以控制、飞行稳定性差成为了制约微型扑翼飞行器发展的主要问题。缨甲是最小的非寄生昆虫物种之一，体长只有395μm左右，但其在保留了卓越飞行能力的同时，飞行速度能与体型是它3倍的甲虫比肩。这得益于它具有一种特殊的适合低雷诺数下飞行的缨翅结构。若能利用缨甲这种适合低雷诺数下飞行的缨翅结构来设计出一种微型扑翼飞行器机翼，必能促进微型扑翼飞行器的快速发展。

发明内容

为解决微型扑翼飞行器的稳定性问题，本发明提供了一种仿缨甲缨翅结构的微型扑翼飞行器机翼。

本发明包括翼基和翼脉组；所述的翼基整体呈弯曲的扁平状，包括一体成型的翼尖、翼中和翼根；所述的翼脉组分为翼中上翼脉、翼尖上翼脉、翼尖头部翼脉、翼尖下翼脉、X形交叉翼脉、翼中下翼脉一和翼中下翼脉二；翼中上翼脉固定在翼中上方，翼尖上翼脉固定在翼尖上方，翼尖头部翼脉固定在翼尖头部，翼尖下翼脉固定在翼尖下方，翼中下翼脉一和翼中下翼脉二均固定在翼中下方，且翼中下翼脉一比翼中下翼脉二靠近翼尖设置；X形交叉翼脉一端的两个端点分别固定在翼尖和翼中下方；翼中上翼脉、翼尖上翼脉、翼尖下翼脉、翼中下翼脉一和翼中下翼脉二均设有多根，翼尖头部翼脉设有一根或两根，X形交叉翼脉设有一根。

优选地，所述翼尖的中弧线长度为翼基中弧线长度的42％至46％，翼中的中弧线长度为翼基中弧线长度的37％至42％，翼根的中弧线长度为翼基中弧线长度的16％至21％。

优选地，所述翼尖各横截面处的宽度在翼基中弧线长度的4％至5％之间；翼尖头部呈短轴为翼基中弧线长度的4％至5％、长轴为翼基中弧线长度的25％至30％的半椭球形。

优选地，所述翼中靠近翼尖的2/3部分的各横截面处宽度在翼基中弧线长度的5％至7％之间，该部分的各横截面底部曲线均是圆弧，圆弧的圆心角在36°至42°之间，圆弧的半径在翼基中弧线长度的37％至40％之间，且各横截面底部圆弧的圆心角和半径沿翼中至翼根方向均逐渐增大，翼中靠近翼尖的2/3部分的底部曲面光顺；翼中余下的1/3部分的各横截面处宽度在翼基中弧线长度的4％至5％之间，且该部分的各横截面处宽度沿翼中至翼根方向线性减小。

优选地，所述翼根的各横截面处宽度在翼基中弧线长度的3％至4％之间，翼根根部呈短轴为翼基中弧线长度的3％至4％、长轴为翼基中弧线长度的7％至9％的半椭球形。

优选地，所述翼尖和翼中的交界面与竖直面的夹角在33°至38°中取值。

优选地，所有翼中上翼脉朝向翼尖倾斜，且沿翼中至翼尖方向，各翼中上翼脉与翼基上各自固定位置处的切线之间的夹角逐渐减小；所有翼尖上翼脉朝向翼尖头部倾斜，且沿翼中至翼尖方向，各翼尖上翼脉与翼基上各自固定位置处的切线之间的夹角逐渐减小；翼尖头部翼脉与翼基上其固定位置处的切线之间的夹角为90°；沿翼尖至翼中方向，前面一部分翼尖下翼脉均朝向翼尖头部倾斜，且该部分翼尖下翼脉与翼基上各自固定位置处的切线之间的夹角逐渐增大，其余部分各翼尖下翼脉与翼基上各自固定位置处的切线之间的夹角均为90°；X形交叉翼脉中固定在翼尖上的分叉朝向翼中倾斜，另一个分叉朝向翼尖倾斜；各翼中下翼脉一与翼基上各自固定位置处的切线之间的夹角均为90°；沿翼尖至翼中方向，前面一部分翼中下翼脉二与翼基上各自固定位置处的切线之间的夹角逐渐减小，其余部分各翼中下翼脉二与翼基上各自固定位置处的切线之间的夹角均为90°。

更优选地，沿翼中至翼尖方向，第一根翼中上翼脉与翼基上其固定位置处的切线之间的夹角为54°至58°，且各翼中上翼脉与翼基上各自固定位置处的切线之间的夹角按10°依次递减；沿翼中至翼尖方向，第一根翼尖上翼脉与翼基上其固定位置处的切线之间的夹角为90°，且各翼尖上翼脉与翼基上各自固定位置处的切线之间的夹角按7.5°依次递减；沿翼尖至翼中方向，第一根翼尖下翼脉与翼基上其固定位置处的切线之间的夹角为25°至30°，且前面一部分翼尖下翼脉与翼基上各自固定位置处的切线之间的夹角先按10°依次递增，直至达到65°后按5°依次递增，该部分翼尖下翼脉与翼基上各自固定位置处的切线之间的夹角中最大值为83°至85°；沿翼尖至翼中方向，第一根翼中下翼脉二与翼基上其固定位置处的切线之间的夹角为85°至88°，且前面一部分翼中下翼脉二与翼基上各自固定位置处的切线之间的夹角最小值为83°至85°。

优选地，所述X形交叉翼脉的两个分叉等长，所夹锐角为12°至15°；X形交叉翼脉的两个分叉交点与翼基的距离为分叉长度的80％至85％；X形交叉翼脉与翼尖和翼中固定的两个端点到翼尖和翼中交界面的距离相等，且X形交叉翼脉与翼尖和翼中固定的两个端点间距为翼基中弧线长度的11％至13％。

优选地，沿翼中至翼尖方向，第一根翼中上翼脉的长度为翼基中弧线长度的35％至37％，且各翼中上翼脉的长度按翼基中弧线长度的5.5％至6％依次递减，第一根翼尖上翼脉的长度与最后一根翼中上翼脉的长度相等，第二根翼尖上翼脉的长度为翼基中弧线长度的41％至43％，且从第二根翼尖上翼脉开始各翼尖上翼脉的长度先逐渐增大为翼基中弧线长度的45％至47％，后逐渐减小为翼基中弧线长度的41％至43％；翼尖头部翼脉的长度为翼基中弧线长度的37％至39％；沿翼尖至翼中方向，前两根翼尖下翼脉的长度均为翼基中弧线长度的37％至39％，第三根翼尖下翼脉的长度为翼基中弧线长度的40％至42％，且从第三根翼尖下翼脉开始各翼尖下翼脉的长度按翼基中弧线长度的1.2％至1.5％递增，最后一根翼尖下翼脉、X形交叉翼脉中两个分叉和第一根翼中下翼脉一的长度均为翼基中弧线长度的54％至56％，倒数第二根翼中下翼脉一的长度为翼基中弧线长度的54％至56％，最后一根翼中下翼脉一的长度为翼基中弧线长度的42％至44％，其余各翼中下翼脉一的长度均为翼基中弧线长度的61％至63％；各翼中下翼脉二的长度均为翼基中弧线长度的5％至7％。

本发明具有的有益效果：

1.本发明结构简单，避免了复杂传动导致机翼重量过大，减小了因惯性导致的能量损耗。

2.本发明在深入研究缨甲适合低雷诺数下飞行的缨翅结构基础上，提出具有仿缨甲缨翅结构的微型扑翼飞行器机翼，充分利用了惯性小、周围空气的高粘性阻尼以及机翼的自适应性动态变化，扩大化上升和下降过程之间的气动不对称性，使机翼上升所受的阻力远小于机翼下降时所受的阻力，大大提高了飞行稳定性。

3.本发明上升时所需要的气动法向力不全由压力引起，约有56％是由粘性剪应力引起的，因此可以有效防止压力过大导致材料失效。

附图说明

图1为本发明微型扑翼飞行器机翼的翼基示意图。

图2为本发明微型扑翼飞行器机翼的整体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1和2所示，一种仿缨甲缨翅结构的微型扑翼飞行器机翼，包括翼基48和翼脉组；翼基整体呈弯曲的棒状，包括一体成型的翼尖、翼中和翼根；翼脉组分为翼中上翼脉、翼尖上翼脉、翼尖头部翼脉、翼尖下翼脉、X形交叉翼脉、翼中下翼脉一和翼中下翼脉二；翼中上翼脉固定在翼中上方，翼尖上翼脉固定在翼尖上方，翼尖头部翼脉固定在翼尖头部，翼尖下翼脉固定在翼尖下方，翼中下翼脉一和翼中下翼脉二均固定在翼中下方，且翼中下翼脉一比翼中下翼脉二靠近翼尖设置；X形交叉翼脉一端的两个端点分别固定在翼尖和翼中下方；翼中上翼脉、翼尖上翼脉、翼尖下翼脉、翼中下翼脉一和翼中下翼脉二均设有多根，翼尖头部翼脉设有一根或两根，X形交叉翼脉设有一根。

作为一个优选实施例，翼中上翼脉设有三根(标号1、2和3)，翼尖上翼脉设有十根(标号4～13)，翼尖头部翼脉标号设有一根(标号为14)，翼尖下翼脉设有十七根(标号15～31)，X形交叉翼脉设有一根(标号为32)，翼中下翼脉一设有九根(标号33～41)，翼中下翼脉二设有六根(标号42～47)。

作为一个优选实施例，翼基的厚度为微米级别，翼基采用的材料可以是形状记忆聚合物、镍钛合金、石墨烯环氧树脂复合材料、聚酰亚胺复合材料或碳纳米管复合材料。

作为一个优选实施例，翼尖的中弧线(各横截面几何中心的连线)长度在翼基中弧线长度的42％至46％中取值，翼中的中弧线长度在翼基中弧线长度的37％至42％中取值，翼根的中弧线长度在翼基中弧线长度的16％至21％中取值。

作为一个优选实施例，翼尖各横截面处的宽度(横截面与纵向对剖面的交线长度)在翼基中弧线长度的4％至5％之间取值；翼尖头部呈短轴为翼基中弧线长度的4％至5％中一个值、长轴为翼基中弧线长度的25％至30％中一个值的半椭球形。

作为一个优选实施例，翼中靠近翼尖的2/3部分的各横截面处宽度在翼基中弧线长度的5％至7％之间取值，该部分的各横截面底部曲线均是圆弧，圆弧的圆心角在36°至42°之间取值，圆弧的半径在翼基中弧线长度的37％至40％之间取值，且各横截面底部圆弧的圆心角和半径沿翼中至翼根方向均逐渐增大，翼中靠近翼尖的2/3部分的底部曲面光顺；翼中余下的1/3部分的各横截面处宽度在翼基中弧线长度的4％至5％之间取值，且该部分的各横截面处宽度沿翼中至翼根方向线性减小。

作为一个优选实施例，翼根的各横截面处宽度在翼基中弧线长度的3％至4％之间取值，翼根根部呈短轴为翼基中弧线长度的3％至4％中一个值、长轴为翼基中弧线长度的7％至9％中一个值的半椭球形。

作为一个优选实施例，翼尖和翼中交界面与竖直面的夹角在33°至38°中取值。

作为一个优选实施例，翼脉直径为微米级别。

作为一个优选实施例，所有翼中上翼脉朝向翼尖倾斜，且沿翼中至翼尖方向，各翼中上翼脉与翼基上各自固定位置处的切线之间的夹角(设为α)逐渐减小；所有翼尖上翼脉朝向翼尖头部倾斜，且沿翼中至翼尖方向，各翼尖上翼脉与翼基上各自固定位置处的切线之间的夹角逐渐减小；翼尖头部翼脉与翼基上其固定位置处的切线之间的夹角为90°；沿翼尖至翼中方向，前面一部分翼尖下翼脉均朝向翼尖头部倾斜，且该部分翼尖下翼脉与翼基上各自固定位置处的切线之间的夹角逐渐增大，其余部分各翼尖下翼脉与翼基上各自固定位置处的切线之间的夹角均为90°；X形交叉翼脉中固定在翼尖上的分叉朝向翼中倾斜，另一个分叉朝向翼尖倾斜；各翼中下翼脉一与翼基上各自固定位置处的切线之间的夹角均为90°；沿翼尖至翼中方向，前面一部分翼中下翼脉二与翼基上各自固定位置处的切线之间的夹角逐渐减小，其余部分各翼中下翼脉二与翼基上各自固定位置处的切线之间的夹角均为90°。

作为一个更优选实施例，沿翼中至翼尖方向，第一根翼中上翼脉与翼基上其固定位置处的切线之间的夹角在54°至58°中取值，且各翼中上翼脉与翼基上各自固定位置处的切线之间的夹角按10°依次递减；沿翼中至翼尖方向，第一根翼尖上翼脉与翼基上其固定位置处的切线之间的夹角为90°，且各翼尖上翼脉与翼基上各自固定位置处的切线之间的夹角按7.5°依次递减；沿翼尖至翼中方向，第一根翼尖下翼脉与翼基上其固定位置处的切线之间的夹角在25°至30°中取值，且前面一部分翼尖下翼脉与翼基上各自固定位置处的切线之间的夹角先按10°依次递增，直至达到65°后按5°依次递增，该部分翼尖下翼脉与翼基上各自固定位置处的切线之间的夹角中最大值在83°至85°中取值；沿翼尖至翼中方向，第一根翼中下翼脉二与翼基上其固定位置处的切线之间的夹角在85°至88°中取值，且前面一部分翼中下翼脉二与翼基上各自固定位置处的切线之间的夹角最小值在83°至85°中取值。

作为一个优选实施例，X形交叉翼脉的两个分叉等长，所夹锐角在12°至15°中取值；X形交叉翼脉的两个分叉交点与翼基的距离在分叉长度的80％至85％中取值；X形交叉翼脉与翼尖和翼中固定的两个端点到翼尖和翼中交界面的距离相等，且X形交叉翼脉与翼尖和翼中固定的两个端点间距在翼基中弧线长度的11％至13％中取值。

作为一个更优选实施例，如图2所示，第一根翼中上翼脉(标号1)中心轴线与翼基中弧线的交点将翼基中弧线长度分为a

作为一个优选实施例，沿翼中至翼尖方向，第一根翼中上翼脉的长度在翼基中弧线长度的35％至37％中取值，且各翼中上翼脉的长度按翼基中弧线长度的5.5％至6％中一个值依次递减，第一根翼尖上翼脉的长度与最后一根翼中上翼脉的长度相等，第二根翼尖上翼脉的长度在翼基中弧线长度的41％至43％中取值，且从第二根翼尖上翼脉开始各翼尖上翼脉的长度先逐渐增大为翼基中弧线长度的45％至47％中一个值，后逐渐减小为翼基中弧线长度的41％至43％中一个值；翼尖头部翼脉的长度在翼基中弧线长度的37％至39％中取值；沿翼尖至翼中方向，前两根翼尖下翼脉的长度均在翼基中弧线长度的37％至39％中取值，第三根翼尖下翼脉的长度在翼基中弧线长度的40％至42％中取值，且从第三根翼尖下翼脉开始各翼尖下翼脉的长度按翼基中弧线长度的1.2％至1.5％中一个值递增，最后一根翼尖下翼脉、X形交叉翼脉中两个分叉和第一根翼中下翼脉一的长度均在翼基中弧线长度的54％至56％中取值，倒数第二根翼中下翼脉一的长度在翼基中弧线长度的54％至56％中取值，最后一根翼中下翼脉一的长度在翼基中弧线长度的42％至44％中取值，其余各翼中下翼脉一的长度均为翼基中弧线长度的61％至63％中一个值；各翼中下翼脉二的长度均在翼基中弧线长度的5％至7％中取值。