面向单兵智能战场的仿蒲公英种子微型飞行器

1.本发明涉及一种面向单兵智能战场的仿蒲公英种子微型飞行器，属于飞行器技术领域。


背景技术：

2.在现代战争中，由于地形与环境的复杂性，士兵往往难以直观感知周围的作战环境，对于战前的侦查以及战后的清扫工作仍然是较大的难点。然而，现有的侦查手段，诸如大型无线电侦查技术或用传统的无人机航拍，大多存在隐蔽性较差、侦查范围小、续航时间短、造价昂贵的缺陷。微型飞行器存在体积小、隐蔽性好等特点。
3.蒲公英是一种轻质草本结构，其质量轻、体积小，可以随风扩散到较远的范围，且飞行过程极其平缓，滞空时间很长。通过研究表明，蒲公英的冠毛具有多孔隙特征，当风吹过时，会在蒲公英种子周围流动的空气间形成压差，使得它在飞行过程中会产生独特的分离涡环现象，帮助其维持良好的飞行性能。蒲公英的种种优势都能很好的运用于面向现代战争的微型飞行器设计中。
4.因此，需要一种新的面向单兵智能战场的仿蒲公英种子微型飞行器以解决上述问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种面向单兵智能战场的仿蒲公英种子微型飞行器，以解决上述背景技术中提出的问题。
6.一种面向单兵智能战场的仿蒲公英种子微型飞行器，包括至少一个单体飞行器，所述单体飞行器包括中心圆盘、盘缝翼和载荷舱，所述中心圆盘的下方设置有所述载荷舱，所述中心圆盘的四周设置有所述盘缝翼，所述中心圆盘两侧的所述盘缝翼向上弯曲，所述盘缝翼包括多根固定轴和一个固定环，所述固定轴的一端连接所述中心圆盘，所述固定轴均匀分布在所述中心圆盘的四周，相邻所述固定轴之间设置有空隙，所述固定轴的另一端连接所述固定环，所述固定轴靠近所述固定环的一端宽度大于所述固定轴靠近所述中心圆盘的一端宽度。
7.更进一步的，所述固定轴的数量为52根。
8.更进一步的，所述中心圆盘的直径为28mm，所述固定轴的长度为10mm，所述固定轴靠近所述中心圆盘的一端弧长为0.08mm，另一端弧长为0.732mm。
9.更进一步的，所述盘缝翼的曲率为0.0563。
10.更进一步的，所述盘缝翼的孔隙率为31.6%。
11.更进一步的，还包括太阳能电板，所述太阳能电板设置在所述中心圆盘的上方。
12.更进一步的，还包括无人机和飞行器投放匣，所述飞行器投放匣设置在所述无人机的下方，所述飞行器投放匣设置有至少一个所述单体飞行器。
13.更进一步的，所述飞行器投放匣包括存储舱、舱盖和连接杆，所述存储舱的下方设
置有开口，所述开口处设置有所述舱盖，所述舱盖的一侧与所述存储舱一侧通过所述连接杆连接。
14.更进一步的，所述存储舱分隔为多个存储区，每个存储区的下方均设置有开口，每个开口均设置有所述舱盖，每个所述舱盖均通过所述连接杆连接所述存储舱，所述连接杆通过电磁阀控制。每个存储区通过连接杆连接电磁阀，单独控制舱盖的开启，便于多地多次投放飞行器。
15.更进一步的，所述盘缝翼利用聚酰亚胺薄膜制备得到。聚酰亚胺薄膜具有可降解性，使得单体飞行器对环境友好。
16.发明原理：本发明利用了蒲公英种子飞行平稳、扩散范围广和滞空时间长的优势，仿真得到本发明的单体飞行器，飞行器单体包括中心圆盘和多孔隙的盘缝翼，中心圆盘下方搭载有效载荷。被动飞行时盘缝翼能够在其周围产生分离涡环提供升力，使其飞行性能稳定，滞空时间长，扩散范围广。
17.有益效果：本发明的面向单兵智能战场的仿蒲公英种子微型飞行器的单体飞行器借鉴蒲公英种子诱导产生分离涡环原理设计得到，其结构简单，设计合理，飞行性能稳定，滞空时间长，扩散范围广。
附图说明
18.图1为面向单兵智能战场的仿蒲公英种子微型飞行器及其投放系统示意图；图2为面向单兵智能战场的仿蒲公英种子微型飞行器的结构示意图；图3为面向单兵智能战场的仿蒲公英种子微型飞行器的正视图；图4为面向单兵智能战场的仿蒲公英种子微型飞行器的俯视图；图5为微型飞行器投放匣结构示意图图6为真实蒲公英种子尾流显示实验;图7为面向单兵智能战场的仿蒲公英种子微型飞行器的气动仿真流线图；图8为不同雷诺数下的阻力系数曲线图；图9为不同有效载荷下的阻力系数曲线图。
19.附图标记：1-单体飞行器、2-无人机、3-飞行器投放匣、4-存储舱、5-舱盖、6-连接杆、7-中心圆盘、8-盘缝翼、9-太阳能电板、10-载荷舱。
实施方式
20.下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本技术所附权利要求所限定的范围。
21.请参阅图1-4所示，本发明的面向单兵智能战场的仿蒲公英种子微型飞行器，包括至少一个单体飞行器1，单体飞行器包括中心圆盘7、盘缝翼8和载荷舱10，中心圆盘7的下方设置有载荷舱10，中心圆盘7的四周设置有盘缝翼8，中心圆盘7两侧的盘缝翼8向上弯曲，盘缝翼8包括多根固定轴和一个固定环，固定轴的一端连接中心圆盘7，固定轴均匀分布在中心圆盘7的四周，相邻固定轴之间设置有空隙，固定轴的另一端连接固定环，固定轴靠近固定环的一端宽度大于固定轴靠近中心圆盘7的一端的宽度。其中，固定轴的宽度从一端到另
一端逐渐均匀变化。使得盘缝翼8的空隙从中心圆盘到固定环逐渐增加，使得该结构与蒲公英种子的结构更为相近。具体的，固定轴的数量为52根。中心圆盘7的直径为28mm，固定轴的长度为10mm，固定轴靠近中心圆盘7的一端弧长为0.08mm，另一端弧长为0.732mm。盘缝翼8的曲率为0.0563。盘缝翼8的孔隙率为31.6%。
22.优选的，还包括太阳能电板9，太阳能电板9设置在中心圆盘7的上方。必要时为下方载荷舱内的有效载荷提供一定能源，延长其作用时间。
23.优选的，还包括无人机2和飞行器投放匣3，飞行器投放匣3设置在无人机2的下方，飞行器投放匣3设置有至少一个单体飞行器1。具体的，飞行器投放匣3包括存储舱4、舱盖5和连接杆6，存储舱4的下方设置有开口，开口处设置有舱盖5，舱盖5的一侧与存储舱4一侧通过连接杆6连接。优选的，存储舱4分隔为多个存储区，每个存储区的下方均设置有开口，每个开口均设置有舱盖5，每个舱盖5均通过连接杆6连接存储舱4，连接杆6通过电磁阀控制。每个存储区通过连接杆连接电磁阀，单独控制舱盖的开启，便于多地多次投放飞行器。
24.优选的，盘缝翼8利用聚酰亚胺薄膜制备得到。聚酰亚胺薄膜具有可降解和耐高温的特点，使得单体飞行器对环境友好。
25.发明原理：本发明利用了蒲公英种子飞行平稳、扩散范围广和滞空时间长的优势，仿真得到本发明的单体飞行器，飞行器单体包括中心圆盘和多孔隙的盘缝翼，中心圆盘下方搭载有效载荷。被动飞行时盘缝翼能够在其周围产生分离涡环提供升力，使其飞行性能稳定，滞空时间长，扩散范围广。
26.本发明的面向单兵智能战场的仿蒲公英种子微型飞行器的单体飞行器借鉴蒲公英种子诱导产生分离涡环原理设计得到，其结构简单，设计合理，飞行性能稳定，滞空时间长，扩散范围广。
27.本发明的面向单兵智能战场的仿蒲公英种子微型飞行器的设计方法，包括以下步骤：（1）通过显微镜观察蒲公英种子结构特征，初步确定仿生结构为多孔隙结构，通过精密天平确定蒲公英种子瘦果质量，初步确定有效载荷；（2）针对仿生结构构建多种不同结构参数的模型，进行流体力学仿真，确定飞行器结构参数；（3）将设计完成的飞行器进行气动特性流固耦合，确保其稳定的飞行性能；（4）制作出飞行器实物，进行垂直风洞实验，验证其飞行性能。
28.即先观察蒲公英种子的结构特征，构建若干符合蒲公英种子结构特征的模型进行流体力学气动仿真；根据仿真结果选定仿生结构及其结构参数，初步设计飞行器。运用激光切割技术制造出实物后再结合垂直风洞实验进一步验证飞行器的飞行性能，并对其结构参数进一步完善。
29.其中，单体飞行器的仿真方法，包括以下步骤：1）分别构建直径为14、21、28mm,孔隙率为10%~100%的若干圆盘结构；2）利用icem软件对构建的圆盘模型划分网格，网格数量为2000万；3）利用comsol软件进行不可压缩navier-stokes流体动力学方程的求解，公式如下：
式中，cd为阻力系数，f为有效载荷重量，u为终端速度，a为飞行器截面的面积（不包含孔隙），其中， ，r为飞行器半径，μ为空气的动态粘度，ρ为空气的密度，和依赖于飞行器的孔隙率；4）根据仿真结果初步选定飞行器直径和孔隙率，构建单体飞行器的模型；5）将构建的单体飞行器的模型再次进行流体力学仿真，得到不同雷诺数和不同有效载荷下的阻力系数曲线，确定飞行器能承载的有效载荷。
30.仿真结果如图8和图9所示。
31.本发明利用了蒲公英种子滞空时间长、扩散范围广和飞行姿态稳定的优势，借助其多孔隙结构及均匀的瘦果质量的仿生特性，设计出一款面向单兵智能战场的仿蒲公英种子微型飞行器，该飞行器是一款无动力消耗的被动型飞行器。飞行器系统包括投放结构和单体飞行器，单体飞行器仿照蒲公英种子设计成具有结构简单、价格低廉、滞空时间长、散播范围广等特点的微小型飞行器，多个单体飞行器可通过连接缆串连在固定于无人机夹持器下方的拉杆上，进行大规模集群投放，极大地提升了其效能。
32.单体飞行器可通过携带不同的功能载荷完成多种任务，即可以实现单体探测任务，也可协同集群作战，进行战场侦查，大大提高了作战效能。除此之外，该飞行器还可用于空气污染物监测、城市传染病病原体分布监、生物种群观测、气候环境观测等民用领域。
33.本发明的面向单兵智能战场的仿蒲公英种子微型飞行器的投放方法，包括以下步骤：首先，使用风速计测量当前风速以及风向，根据测得的风速与风向，进行计算仿真，分析单体飞行器可能的飞行路线，综合选择投放地点，使用无人机高空投放，飞行器投放匣固定在无人机下方，若干仿蒲公英的单体飞行器分别装载于飞行器投放匣3的不同存储区中。
34.其次，到达一定高度时，投放结构给定指令，远程遥控电磁阀控制连接杆6转动，开启舱盖5，释放单体飞行器1。八个存储区分别对应八个舱盖5和八个连接杆6，每个连接杆6与舱盖5独立控制，可实现多次多地投放。
实施例
35.如图1所示，本发明的面向单兵智能战场的仿蒲公英种子微型飞行器中若干单体飞行器1存放在微型飞行器投放匣中，微型飞行器投放匣固定在无人机下方固定卡槽中。在实际应用时，首先使用风速计测量当前风速以及风向，根据测得的风速与风向，进行计算仿真，分析单体飞行器1可能的飞行路线，综合选择投放地点，到达一定高度时，投放结构给定指令，远程遥控电磁阀控制连接杆6转动，开启存储舱4，释放单体飞行器1。其中，飞行器投放匣3的存储舱4被等分为八个存储区，每个存储区配有可独立控制的连接杆和舱盖，实现多次多地投放飞行器。
36.该单体飞行器1的结构如图2-4所示，单体飞行器1包括中心圆盘7、盘缝翼8、太阳
能电板9和载荷舱10，其中，中心圆盘7直径为28mm,厚度为0.1mm。盘缝翼8孔隙率为31.6%，由52根固定轴组成，轴大端的圆弧长为0.732mm,小端的圆弧长为0.08mm,轴长为10mm。盘缝翼8的外围设置宽为1mm的圆环，使飞行器具有一定刚度。中心圆盘7两侧的盘缝翼8向上弯曲，保证下降姿态稳定。
37.中心圆盘7的底部连接有载荷舱10，载荷舱10内装载有任务载荷。本发明的载荷舱10的有效载荷质量为30-50mg。中心圆盘7和载荷舱10之间为可拆卸连接，能共同构成用于承装作用载荷的舱室。中心圆盘7上方安装可拆卸式太阳能电板9，必要时为下方载荷舱内的有效载荷提供一定能源，延长其作用时间。
38.该飞行器投放匣3的结构如图5所示，飞行器投放匣3包括存储舱4、舱盖5和连接杆6。其中存储舱4长60mm,宽120mm,高60mm，内壁厚5mm。存储舱4被分隔成体积相等的八个独立存储区，每个存储区体积为54000mm3，可装载20个单体飞行器。存储舱4与舱盖5通过连接杆6连接，每个舱盖5长30mm,宽28mm,厚4mm。
39.请参阅图6所示，为验证设计出的飞行器具有良好的飞行性能，通过对本发明飞行器的高精度数值仿真和自然界蒲公英种子的尾流显示实验，发现本发明单体飞行器上方出现了一对与蒲公英种子相似的分离涡环，如图7所示。分离涡环在单体飞行器1的上方产生较强的低压区，使得单体飞行器1产生升力，有效延长其滞空时间。
40.请参阅图8和图9所示，为确保本发明的单体飞行器在实际应用中能保持稳定的飞行姿态和良好的飞行性能，通过垂直风洞实验对加工出的实体进行飞行试验验证，结果表明单体飞行器的飞行性能良好。
41.本发明的面向单兵智能战场的仿蒲公英种子微型飞行器具有滞空时间长，散播范围广，飞行姿态稳定、体积小、隐蔽性强、成本低的特征。

技术特征：
1.一种面向单兵智能战场的仿蒲公英种子微型飞行器，其特征在于，包括至少一个单体飞行器（1），所述单体飞行器包括中心圆盘（7）、盘缝翼（8）和载荷舱（10），所述中心圆盘（7）的下方设置有所述载荷舱（10），所述中心圆盘（7）的四周设置有所述盘缝翼（8），所述盘缝翼（8）为多孔隙结构，所述中心圆盘（7）两侧的所述盘缝翼（8）向上弯曲，所述盘缝翼（8）包括多根固定轴和一个固定环，所述固定轴的一端连接所述中心圆盘（7），所述固定轴均匀分布在所述中心圆盘（7）的四周，相邻所述固定轴之间设置有空隙，所述固定轴的另一端连接所述固定环，所述固定轴靠近所述固定环的一端宽度大于所述固定轴靠近所述中心圆盘（7）的一端宽度。2.如权利要求1所述的面向单兵智能战场的仿蒲公英种子微型飞行器，其特征在于：所述固定轴的数量为52根。3.如权利要求1所述的面向单兵智能战场的仿蒲公英种子微型飞行器，其特征在于：所述中心圆盘（7）的直径为28mm，所述固定轴的长度为10mm，所述固定轴靠近所述中心圆盘（7）的一端弧长为0.08mm，另一端弧长为0.732mm。4.如权利要求1所述的面向单兵智能战场的仿蒲公英种子微型飞行器，其特征在于：所述盘缝翼（8）的曲率为0.0563。5.如权利要求1所述的面向单兵智能战场的仿蒲公英种子微型飞行器，其特征在于：所述盘缝翼（8）的孔隙率为31.6%。6.如权利要求1所述的面向单兵智能战场的仿蒲公英种子微型飞行器，其特征在于：还包括太阳能电板（9），所述太阳能电板（9）设置在所述中心圆盘（7）的上方。7.如权利要求1所述的面向单兵智能战场的仿蒲公英种子微型飞行器，其特征在于：还包括无人机（2）和飞行器投放匣（3），所述飞行器投放匣（3）设置在所述无人机（2）的下方，所述飞行器投放匣（3）设置有至少一个所述单体飞行器（1）。8.如权利要求7所述的面向单兵智能战场的仿蒲公英种子微型飞行器，其特征在于：所述飞行器投放匣（3）包括存储舱（4）、舱盖（5）和连接杆（6），所述存储舱（4）的下方设置有开口，所述开口处设置有所述舱盖（5），所述舱盖（5）的一侧与所述存储舱（4）一侧通过所述连接杆（6）连接。9.如权利要求8所述的面向单兵智能战场的仿蒲公英种子微型飞行器，其特征在于：所述存储舱（4）分隔为多个存储区，每个存储区的下方均设置有开口，每个开口均设置有所述舱盖（5），每个所述舱盖（5）均通过所述连接杆（6）连接所述存储舱（4），所述连接杆（6）通过电磁阀控制。10.如权利要求1所述的面向单兵智能战场的仿蒲公英种子微型飞行器，其特征在于：所述盘缝翼（8）利用聚酰亚胺薄膜制备得到。

技术总结
本发明公开了一种面向单兵智能战场的仿蒲公英种子微型飞行器，包括至少一个单体飞行器，单体飞行器包括中心圆盘、盘缝翼和载荷舱，中心圆盘的下方设置有载荷舱，中心圆盘的四周设置有盘缝翼，盘缝翼为多孔隙结构，中心圆盘两侧的盘缝翼向上弯曲，盘缝翼包括多根固定轴和一个固定环，固定轴的一端连接中心圆盘，固定轴均匀分布在中心圆盘的四周，相邻固定轴之间设置有空隙，固定轴的另一端连接固定环，固定轴靠近固定环的一端宽度大于固定轴靠近中心圆盘的一端宽度。本发明的单体飞行器飞行借鉴蒲公英种子诱导产生分离涡环原理设计得到，其结构简单，性能稳定，滞空时间长，扩散范围广。广。广。


技术研发人员：李映坤 王子珺 姚烨 吴文达 张世星
受保护的技术使用者：南京理工大学
技术研发日：2023.07.12
技术公布日：2023/8/13