一种微小型飞行器低速增升褶皱翼型及设计方法

1.本发明属于飞行器设计领域，具体涉及一种微小型飞行器低速增升褶皱翼型及设计方法。


背景技术：

2.微型飞行器(mav)，通常指手掌大小的飞机，其最大尺寸约10
3.cm，一般飞行弦长雷诺数(以下简称雷诺数)在104～105，在军事和民用领域都有很大的应用价值；近年来，随着mav越来越微型化，其飞行雷诺数范围可达到102～105，w此低雷诺数下，传统的流线型翼型往往会受到粘性因素的影响，过早的出现层流分离，出现严重的非线性效应，导致升力下降、阻力上升、失速迎角变小等现象。
4.无论在民用还是军事领域，微型飞行器的续航能力以及其飞行能力是我们较为关注的问题，同一工况下，拥有较高升力系数的翼型能在相同的能耗情况下飞行更远的距离，拥有较大失速迎角的翼型能够带来更好的飞行稳定性。然而，翼型弦长雷诺数的显著差异，适用于传统“宏观尺度”飞行器的气动设计原则可能不再适用于mav，传统的具体光滑表面的流线型翼型，并不能为mav带来良好的飞行性能。探究拥有更好飞行性能的适用于微型飞行器的翼型结构成为了一种新的趋势。
5.具有光滑表面的翼型和粗糙表面的翼型在不同雷诺数范围下的性能是有所差别的，雷诺数在低于在105时，具有粗糙表面的翼型有着更高的升阻比。这就提示这我们，在mav的飞行雷诺数范围内，或可采用具有粗糙表面的翼型来设计mav，在超出粗糙表面翼型的优势雷诺数范围后又用传统的流线型翼型。国内对mav的翼型的探究还不是十分充分，提出过一些具有波纹状的翼型，但并未提出能够为mav带来气动增益的切实可行的翼型结构，也较少研究从mav的飞行弦长雷诺数范围着手，探究不同雷诺数下飞行的区别。因此，为了提高mav的飞行性能，探究能够提高微型飞行器整个飞行弦长雷诺数下的升力的翼型结构就显得尤为重要。


技术实现要素：

6.本发明为了克服传统用于微型飞行器的翼型存在许多不足之处的这一问题，提出了一种适用于微型飞行器的可变形翼型外形结构，在满足机翼结构基本性能要求的同时，提升微型飞行器在其整个飞行雷诺数范围的飞行能力。
7.为了克服上述现有技术难点，本发明提出了一种基于仿生蜻蜓翅膀，结合形状记忆合金丝驱动的可变形褶皱翼外形结构，通过对蜻蜓翅膀的研究，经过计算流体力学仿真计算，得出一种在较低微型飞行器飞行雷诺数下内拥有相较传统翼型更高升力系数、更大失速迎角的褶皱翼型结构，并结合形状记忆合金丝，提出在较高飞行雷诺数时将褶皱翼型变为平板翼，从而改善褶皱翼在高雷诺数下飞行性能下降的缺点，使得翼型在微型飞行器在整个飞行雷诺数范围都有较好的飞行性能。
8.为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
9.一种微小型飞行器低速增升褶皱翼型，包括主机翼、风速检测传感器、形状记忆合金丝、直流电源、遥控机，所述主机翼为具有增升效果的褶皱翼外形结构，所述风速检测传感器安装在主机翼上并将检测的风速信号传递给遥控机，所述形状记忆合金丝与直流电源电连接，所述形状记忆合金丝和直流电源安装在主机翼上，所述直流电源与遥控机连接并受遥控机控制，通过遥控机控制直流电源与形状记忆合金丝的通断电情况，使主机翼在褶皱翼型和平板翼型之间切换；
10.当风速不超过设定值时，遥控机控制直流电源不通电，形状记忆合金丝处于自然温度下的褶皱的弯曲状态，主机翼处于褶皱翼型的状态；
11.当风速超过设定值时，遥控机控制直流电源通电，形状记忆合金丝处于通电加热下的直线状态，主机翼处于平板翼型的状态。
12.进一步，主机翼采用橡胶材料制成，既保证机翼的刚度与稳定性，也能通过形状记忆合金丝驱动使其变形。
13.进一步，该褶皱翼平板翼型弦长为c，翼型厚度为3％c，褶皱数量为2，褶皱顶点角度为120
°
，后缘平缓褶皱顶点角度为160
°
。
14.进一步，主机翼沿展向等距预留与形状记忆合金丝根数对应的从翼型前缘到后缘的孔，孔径略小于形状记忆合金丝的直径，采用过盈配合方式安装形状记忆合金丝到孔中，机翼弦向在有褶皱处在机翼下表面开小三角口，便于变形时候翼型的弯折。
15.进一步，形状记忆合金丝为9根，主机翼沿展向等距预留9个从翼型前缘到后缘的孔。
16.一种微小型飞行器低速增升褶皱翼型的设计方法，包括如下步骤：
17.(1)、根据仿生学褶皱翼型特征，不同数量褶皱的翼型拥有不一样的升力系数，在翼型前缘至半弦长处加入不同数量的大小相同的褶皱，来获取不同褶皱数量中最高升力系数的外形结构一；
18.(2)、在第一步获取到外形结构一之后，改变褶皱顶点角度，从而改变褶皱幅值及跨度，获取拥有最高升力系数的褶皱角度外形结构二；
19.(3)、在获取外形结构二之后，根据蜻蜓翅膀外形结构特点，在翼型后缘处加入较为平缓的褶皱，得到最终翼型结构；
20.其中，上述、两步可以交换先后顺序。
21.一种微小型飞行器低速增升褶皱翼型的变形方法，包括如下步骤：
22.(1)、在低温下，将形状记忆合金丝弯折为褶皱翼的形状，高温下将其舒展为直线；在不通电的自然温度下，形状记忆合金丝处于褶皱的弯曲状态，通电加热后，变为平板的直线状态；
23.(2)、主机翼采用橡胶材料制成，既保证机翼的刚度与稳定性，也能通过形状记忆合金丝驱动使其变形；在主机翼为平板翼型状态下将高温的直线状形状记忆合金丝放置到预留的孔中，冷却后机翼随着合金丝变为褶皱状；
24.(3)、安装基于形状记忆合金丝驱动的微小型飞行器低速增升褶皱翼型的微型飞行器的飞行过程中，由风速检测传感器感应外界风速，当风速大于设定值时，将信号传递给遥控机，从而人为的给直流电源遥控通电，使褶皱翼型变为平板翼型；风速低于设定速度时，人为断开电源，平板翼型又变为褶皱翼型。
25.工作方法：褶皱翼型在低速时有着较平板翼型有更好的飞行性能，但随着飞行速度增加，平板翼型则表现出更稳定的飞行性能。安装有可变形褶皱翼的主机翼在飞行的过程中，以褶皱形态在较低速度飞行的过程中，拥有比传统平板翼型更高的升力系数，更大的失速迎角。机翼上的由风速检测传感器感应外界风速，当风速(飞行速度)大于设定值时(该设定值为褶皱翼比平板翼飞行性能更好的最大飞行速度)，将信号传递给遥控机，从而人为的给电流器遥控通电，9根串联的大小长度相同形状记忆合金丝通电发热后同时迅速变为直线状态，带动褶皱翼变为平板翼，来改善褶皱翼在高弦长雷诺数下飞行不稳定的缺陷。风速低于设定速度时，人为断开电源，形状记忆合金丝恢复为褶皱状态，带动平板翼又变为褶皱翼。
26.与现有技术相比，本发明的优点是：
27.1、本发明提出的褶皱翼翼型相较于传统用于微型飞行器的平板翼升力系数提升较大，在计算的雷诺数范围内，最高可以提高50％；
28.2、本发明出的褶皱翼翼型相较于传统用于微型飞行器的平板翼在较低飞行弦长雷诺数下有更大的失速迎角，能提高微型飞行器飞行能力；
29.3、本发明采用了形状记忆合金进行驱动的方式，驱动原理简单，利用其形状记忆效应，可以保证变形高效、稳定地进行。
30.4.低雷诺数下褶皱翼具有更高的升力系数、失速迎角，较高雷诺数下平板翼有着更稳定的飞行性能，拥有两种形态的机翼能够保证微型飞行器在其整个飞行雷诺数范围都有着良好的飞行性能。
附图说明
31.图1为一种微小型飞行器低速增升褶皱翼型设计和变形驱动方案中平板翼型；
32.图2为一种微小型飞行器低速增升褶皱翼型设计和变形驱动方案中变形后的褶皱翼型；
33.图3为本发明提出的平板翼翼型结构示意图；
34.图4为本发明提出的褶皱翼翼型结构示意图；
35.图5为图4加上尺寸标记图；
36.图6为本发明提出的褶皱翼与传统平板翼型在不同雷诺数下升力线示意图；
37.图7为采用变形褶皱翼和不具备变形能力的褶皱翼、平板翼在两组相同飞行攻角下，升力系数随雷诺数变化而变化示意图。
38.图中：1、主机翼，2、风速检测传感器，3、形状记忆合金丝，4、直流电源。
具体实施方式
39.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
40.一种微小型飞行器低速增升褶皱翼型，包括主机翼1、风速检测传感器2、形状记忆合金丝3、直流电源4、遥控机(图中未示出)，所述主机翼1为具有增升效果的褶皱翼外形结构，所述风速检测传感器2安装在主机翼1上并将检测的风速信号传递给遥控机，所述形状记忆合金丝3与直流电源4电连接，所述形状记忆合金丝3和直流电源4安装在主机翼1上，所述直流电源4与遥控机连接并受遥控机控制，通过遥控机控制直流电源4与形状记忆合金丝
3的通断电情况，使主机翼1在褶皱翼型和平板翼型之间切换；
41.当风速不超过设定值时，遥控机控制直流电源4不通电，形状记忆合金丝3处于自然温度下的褶皱的弯曲状态，主机翼1处于褶皱翼型的状态；
42.当风速超过设定值时，遥控机控制直流电源4通电，形状记忆合金丝3处于通电加热下的直线状态，主机翼1处于平板翼型的状态。
43.进一步，主机翼1采用橡胶材料(硬度90a)制成，既保证机翼的刚度与稳定性，也能通过形状记忆合金丝3驱动使其变形。
44.进一步，该褶皱翼平板翼型弦长为c，翼型厚度为3％c，褶皱数量为2，褶皱顶点角度为120
°
，后缘平缓褶皱顶点角度为160
°
。
45.进一步，主机翼1沿展向等距预留与形状记忆合金丝3根数对应的从翼型前缘到后缘的孔，孔径略小于形状记忆合金丝3的直径，采用过盈配合方式安装形状记忆合金丝3到孔中，机翼弦向在有褶皱处在机翼下表面开小三角口，便于变形时候翼型的弯折。
46.进一步，形状记忆合金丝3为9根，主机翼1沿展向等距预留9个从翼型前缘到后缘的孔。
47.一种微小型飞行器低速增升褶皱翼型的设计方法，包括如下步骤：
48.(1)、根据仿生学褶皱翼型特征，不同数量褶皱的翼型拥有不一样的升力系数，在翼型前缘至半弦长处加入不同数量的大小相同的褶皱，来获取不同褶皱数量中最高升力系数的外形结构一；
49.(2)、在第一步获取到外形结构一之后，改变褶皱顶点角度，从而改变褶皱幅值及跨度，获取拥有最高升力系数的褶皱角度外形结构二；
50.(3)、在获取外形结构二之后，根据蜻蜓翅膀外形结构特点，在翼型后缘处加入较为平缓的褶皱，得到最终翼型结构；
51.其中，上述1、2两步可以交换先后顺序。
52.一种微小型飞行器低速增升褶皱翼型的变形方法，包括如下步骤：
53.(1)、在低温下，将形状记忆合金丝3弯折为褶皱翼的形状，高温下将其舒展为直线；在不通电的自然温度下，形状记忆合金丝3处于褶皱的弯曲状态，通电加热后，变为平板的直线状态；
54.(2)、主机翼1采用橡胶材料制成，既保证机翼的刚度与稳定性，也能通过形状记忆合金丝驱动使其变形；在主机翼1为平板翼型状态下将高温的直线状形状记忆合金丝3放置到预留的孔中，冷却后机翼随着合金丝变为褶皱状；
55.(3)、安装基于形状记忆合金丝3驱动的微小型飞行器低速增升褶皱翼型的微型飞行器的飞行过程中，由风速检测传感器2感应外界风速，当风速大于设定值时，将信号传递给遥控机，从而人为的给直流电源4遥控通电，使褶皱翼型变为平板翼型；风速低于设定速度时，人为断开电源，平板翼型又变为褶皱翼型。
56.工作方法：褶皱翼型在低速时有着较平板翼型有更好的飞行性能，但随着飞行速度增加，平板翼型则表现出更稳定的飞行性能。安装有可变形褶皱翼的主机翼在飞行的过程中，以褶皱形态在较低速度飞行的过程中，拥有比传统平板翼型更高的升力系数，更大的失速迎角。机翼上的由风速检测传感器感应外界风速，当风速(飞行速度)大于设定值时(该设定值为褶皱翼比平板翼飞行性能更好的最大飞行速度)，将信号传递给遥控机，从而人为
的给电流器遥控通电，9根串联的大小长度相同形状记忆合金丝通电发热后同时迅速变为直线状态，带动褶皱翼变为平板翼，来改善褶皱翼在高弦长雷诺数下飞行不稳定的缺陷。风速低于设定速度时，人为断开电源，形状记忆合金丝恢复为褶皱状态，带动平板翼又变为褶皱翼。
57.遵从上述技术方案，如图1至图5所示，本实施例给出一种微小型飞行器低速增升褶皱翼型设计和变形驱动方案，为微型飞行器在其整个飞行弦长雷诺数范围内带来更高的升力以及更大的失速迎角。
58.本发明一种形状记忆合金丝驱动的可变形仿生褶皱翼翼型结构，包括可变形褶皱翼外形结构，风速检测传感器，9根形状记忆合金丝。翼型有平板和褶皱两种模式，在平板模式下，主机翼沿展向等距预留9个从翼型前缘到后缘的孔，孔径略小于形状记忆合金丝直径，采用过盈配合方式安装形状记忆合金丝到孔中，机翼弦向在有褶皱处在机翼下表面开小三角口，便于变形时候翼型的弯折。在低温下，将9根形状记忆合金丝弯折为褶皱翼的形状，高温下将其舒展为直线；在不通电的自然温度下，合金丝处于褶皱的弯曲状态，通电加热后，变为平板的直线状态。为了方便将形状记忆合金丝安装入机翼中，在平板状态下将高温的直线状形状记忆合金丝放置到预留的口中，冷却后机翼随着合金丝变为褶皱状。9根合金丝选择串联形式相连，接入到安装在机身上的电源。机翼采用橡胶(硬度90a)材料，既保证机翼的刚度与飞行的稳定性，也能通过形状记忆合金丝驱动使其变形。如图1所示为安装好合金丝后的平板翼型，接通电源可转换为图2所示的褶皱翼型。
59.图3为本发明中变形机翼中的平板翼型结构示意图，平板翼型弦长为50mm，翼型厚度为3％倍弦长。
60.图四为本发明提出的褶皱翼翼型结构示意图；经过计算，褶皱数量为2，褶皱顶点角度为120
°
，后缘平缓褶皱顶点角度为160
°
时候的翼型有最大的升力系数，该示意图中由50mm弦长的平板翼型变形后的褶皱弦长为47.02mm。图5显示了该褶皱翼的尺寸数据。
61.图6本发明提出的褶皱翼与传统平板翼型在不同雷诺数下升力线示意图，这里把雷诺数分了两组，一组是雷诺数分别为1000/5000/10000，一组是50000/100000。在第一组较低雷诺数算例中，能明显看到褶皱翼的失速迎角比平板翼的大2～3
°
，而在较大雷诺数算例中，则是平板翼有着更大的失速迎角。特别值得注意的是，弦长雷诺数为100000时候，褶皱翼的升阻力计算只标出了0～9
°
，随着攻角继续增大，计算开始不收敛，稳态下不能计算出结果，褶皱翼的非定常气动力计算结果显示，此时由于不断产生涡并脱落，它升阻力波动很大，升力呈非周期性变化，此时褶皱翼很难产生稳定的流场。然而，在所有计算雷诺数、攻角范围内，褶皱翼的升力系数始终大于平板翼。在雷诺数10000、攻角10
°
时褶皱翼的升力系数比平板翼大50％。但在雷诺数100000时，从升力系数大小和升力线两个角度综合来看，褶皱的优势已经并不是太明显了。因而，本发明提出了在雷诺数增大后将褶皱翼变为平板翼的想法。
62.图7采用变形褶皱翼和不具备变形能力的褶皱翼、平板翼在相同飞行攻角下，升力系数随雷诺数变化而变化示意图。可以看出，在攻角为13
°
时候，飞行雷诺数大于50000之后，平板翼型的升力系数开始大于褶皱翼，然而更关键的是，随着雷诺数的增大，褶皱翼不再能产生稳定的流场，飞行开始变得不稳定。也就是说，较低雷诺数下，褶皱翼有更好的性能，较高雷诺数下，平板翼则拥有更好的性能。
63.本发明的工作过程如下所示：
64.安装有上述基于形状记忆合金丝驱动的可变形仿生褶皱翼翼型结构的微型飞行器主机翼以褶皱形态在较低速度飞行的过程中，拥有比传统平板翼型更高的升力系数，更大的失速迎角。机翼上的由风速检测传感器感应外界风速，当风速(飞行速度)大于设定值时，将信号传递给遥控机，从而人为的给电流器遥控通电，9跟串联的大小长度相同形状记忆合金丝通电发热后同时迅速变为直线状态，带动褶皱翼变为平板翼，来改善褶皱翼在高弦长雷诺数下飞行不稳定的缺陷。风速低于设定速度时，人为断开电源，合金丝变为褶皱状态，带动平板翼又变为褶皱翼。注；该设定速度在本计算中为雷诺数＝50000时候的14.6m/s，不同工况、翼型下，该速度有所不同。
65.以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种微小型飞行器低速增升褶皱翼型，其特征在于，包括主机翼(1)、风速检测传感器(2)、形状记忆合金丝(3)、直流电源(4)、遥控机，所述主机翼(1)为具有增升效果的褶皱翼外形结构，所述风速检测传感器(2)安装在主机翼(1)上并将检测的风速信号传递给遥控机，所述形状记忆合金丝(3)与直流电源(4)电连接，所述形状记忆合金丝(3)和直流电源(4)安装在主机翼(1)上，所述直流电源(4)与遥控机连接并受遥控机控制，通过遥控机控制直流电源(4)与形状记忆合金丝(3)的通断电情况，使主机翼(1)在褶皱翼型和平板翼型之间切换；当风速不超过设定值时，遥控机控制直流电源(4)不通电，形状记忆合金丝(3)处于自然温度下的褶皱的弯曲状态，主机翼(1)处于褶皱翼型的状态；当风速超过设定值时，遥控机控制直流电源(4)通电，形状记忆合金丝(3)处于通电加热下的直线状态，主机翼(1)处于平板翼型的状态。2.根据权利要求1所述的微小型飞行器低速增升褶皱翼型，其特征在于，主机翼(1)采用橡胶材料制成，既保证机翼的刚度与稳定性，也能通过形状记忆合金丝(3)驱动使其变形。3.根据权利要求1所述的微小型飞行器低速增升褶皱翼型，其特征在于，该褶皱翼平板翼型弦长为c，翼型厚度为3％c，褶皱数量为2，褶皱顶点角度为120
°
，后缘平缓褶皱顶点角度为160
°
。4.根据权利要求1所述的微小型飞行器低速增升褶皱翼型，其特征在于，主机翼(1)沿展向等距预留与形状记忆合金丝(3)根数对应的从翼型前缘到后缘的孔，孔径略小于形状记忆合金丝(3)的直径，采用过盈配合方式安装形状记忆合金丝(3)到孔中，机翼弦向在有褶皱处在机翼下表面开小三角口，便于变形时候翼型的弯折。5.根据权利要求4所述的微小型飞行器低速增升褶皱翼型，其特征在于，形状记忆合金丝(3)为9根，主机翼(1)沿展向等距预留9个从翼型前缘到后缘的孔。6.一种微小型飞行器低速增升褶皱翼型的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)、根据仿生学褶皱翼型特征，不同数量褶皱的翼型拥有不一样的升力系数，在翼型前缘至半弦长处加入不同数量的大小相同的褶皱，来获取不同褶皱数量中最高升力系数的外形结构一；(2)、在第一步获取到外形结构一之后，改变褶皱顶点角度，从而改变褶皱幅值及跨度，获取拥有最高升力系数的褶皱角度外形结构二；(3)、在获取外形结构二之后，根据蜻蜓翅膀外形结构特点，在翼型后缘处加入较为平缓的褶皱，得到最终翼型结构；其中，上述(1)、(2)两步可以交换先后顺序。7.一种微小型飞行器低速增升褶皱翼型的变形方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)、在低温下，将形状记忆合金丝(3)弯折为褶皱翼的形状，高温下将其舒展为直线；在不通电的自然温度下，形状记忆合金丝(3)处于褶皱的弯曲状态，通电加热后，变为平板的直线状态；(2)、主机翼(1)采用橡胶材料制成，既保证机翼的刚度与稳定性，也能通过形状记忆合金丝驱动使其变形；在主机翼(1)为平板翼型状态下将高温的直线状形状记忆合金丝(3)放置到预留的孔中，冷却后机翼随着合金丝变为褶皱状；
(3)、安装基于形状记忆合金丝(3)驱动的微小型飞行器低速增升褶皱翼型的微型飞行器的飞行过程中，由风速检测传感器(2)感应外界风速，当风速大于设定值时，将信号传递给遥控机，从而人为的给直流电源(4)遥控通电，使褶皱翼型变为平板翼型；风速低于设定速度时，人为断开电源，平板翼型又变为褶皱翼型。

技术总结
本发明涉及一种微小型飞行器低速增升褶皱翼型，包括主机翼、风速检测传感器、形状记忆合金丝、直流电源、遥控机，所述主机翼为具有增升效果的褶皱翼外形结构，所述风速检测传感器安装在主机翼上并将检测的风速信号传递给遥控机，所述形状记忆合金丝与直流电源电连接，所述形状记忆合金丝和直流电源安装在主机翼上，所述直流电源与遥控机连接并受遥控机控制，通过遥控机控制直流电源与形状记忆合金丝的通断电情况，使主机翼在褶皱翼型和平板翼型之间切换。本发明能够显著提升微小型飞行器机翼的升力，具有变形可控、结构可靠、驱动稳定且低能耗等优点。低能耗等优点。低能耗等优点。


技术研发人员：罗建遥 夏巍 胡淑玲 余炜玮
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2023.03.11
技术公布日：2023/6/3