一种应用于扑翼飞行器的被动式扑翼机翼的制作方法

本发明涉及飞行器领域，具体是一种应用于扑翼飞行器的的被动式扑翼机翼。

背景技术：

1、人类很早就有在空中像鸟类一样飞行的理想，古希腊的阿尔希塔斯所制造的机械鸽、远至澳大利亚的飞去来器、中国的孔明灯和风筝都有关系。现代飞行器的发展，得益于19世纪工业革命带来的科学和技术的巨大飞跃。人类的飞行梦就是从扑翼飞行器开始的，扑翼机是一种仿生飞行器，具有仿鸟或蝙蝠等动物的翅膀结构和飞行能力。扑翼机在军事、民用和科研领域都有广泛的应用前景，如侦察、监视、搜救等。扑翼机的翼设计是影响其性能的关键因素之一，其设计的研究已经持续了多年。

2、现有技术中的扑翼都为双段翼的形式，即分为内段翼与外段翼。内段翼的扑动基本都采取了主动控制的形式，而基于外段翼的驱动结构，扑翼结构可以分为主动式与被动式。相对于被动式扑翼，主动式扑翼具有更好的控制精度。但主动扑翼复杂的机械结构，不仅会带来安装与维护上的不便，还会增加飞机的重量减少飞机的载重能力，这些缺点极大地降低了扑翼飞行器的经济性。被动式扑翼虽然控制精度要稍逊于主动式扑翼，但基于现有的研究，被动式扑翼也可以提供与主动式扑翼相近的气动性能，并且还有重量轻、可靠性高、安装方便等优点。但目前被动式扑翼依旧存在一些问题，例如不能像主动式扑翼一样自由地调节扑动频率。

3、鸟类在空中飞行的过程中，会根据不同的飞行环境调整扑动频率与扑动振幅，例如当平稳飞行时，鸟类会展平机翼，飞行方式类似于固定翼飞机，当面对阵风的时候，鸟类会开始扑翼，提高飞行时的动力，以抵抗风对飞行的影响，而且会根据不同的情况自适应调节扑动频率，以实现气动性能的最大化。扑翼飞行器在飞行的过程中同样也需要基于不同的飞行环境调整扑动的频率，但对于采用目前被动式扑动的飞行器而言，扑动频率的改变也会带来扑动振幅的改变，这不仅会带来气动性能的减弱，还有可能损伤机翼。

4、例如日本专利jp2013109671公开的身体类型飞行工具和飞行支援装置，该技术方案公开了一种有助于其飞行的电动辅助型车身安装式飞行器和飞行支撑装置。该装置可安装身体安装在飞行工具中，提供可安装身体的背板包括通过肩轴的扑翼，该机翼设置有内置的风压喷射机，以便可以用手柄倾斜使得扑翼能够上下移动。该结构属于典型的主动扑翼结构，主动扑翼机构中具有复杂的机械结构，该结构不仅会给飞行器带来安装与维护上的不便，还会增加飞机的重量，减少飞机的载重能力。

5、例如欧洲专利ep2008010651公开的一种肌肉驱动的扑翼飞机，包括机身、一对扑翼，该扑翼具有可修改的轮廓或者位于与机身相距一定距离的外翼部分中的副翼，所述可修改的轮廓或者副翼允许升力在预定的电流中被修改，以及电梯单元，其中电梯的偏转可以被修改。一对扑翼和机身由弹性材料制成，弹性材料允许一对扑翼扑动。扑翼在静止位置中向下弯曲。弹性的计算使得扑翼在飞行过程中由于飞行员的重量而被迫进入中性位置。机身的设计是使飞行员相对于机身的纵轴处于垂直位置，使飞行员能够通过伸展和弯曲腿部分阶段地向飞机施加应力并减轻应力。该扑翼飞机进一步包括允许可修改的外部机翼部分和可修改的电梯偏转与扑翼的运动同步驱动的机构。该技术方案虽然利用了弹性才来制备扑翼和机身，但是利用弹性材料的目的是使飞行员能够通过伸展和弯曲腿部分阶段地向飞机施加应力并减轻应力，且该技术方案也属于属于典型的主动扑翼结构，承载飞行员后，飞行器重量增加，整体降低了扑翼飞行器的经济性。

6、再例如中国专利cn102167160a公开的一种弹跳起飞的微型扑翼飞行器，包括机身、仿生扑翼、驱动机构、弹跳机构、控制系统和尾翼，所述机身用于固定及安装其余各部件；所述仿生扑翼为凸起式设计且左右对称，其前端连接驱动机构，后端固定于机身末端；所述驱动机构安装于机身前部，通过齿轮传动将微型直流电机的转动转化为仿生扑翼的扑动；所述弹跳装置安装于机身下部，通过其蓄能–触发动作带动实现飞行器自主起飞及平稳降落；所述控制系统安装于机身上腹部，通过导线与驱动机构和弹跳装置相连；所述尾翼安装于机身尾部，保持机体飞行的平衡。该扑翼飞行器可实现自主起飞和平稳降落，并能循环工作，适应相对复杂的工作环境。该结构同样属于典型的主动扑翼结构，由于技术方案构存在复杂的机械结构，这样的结构不仅会给飞行器带来安装与维护上的不便，还会增加飞机的重量，减少飞机的载重能力。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种应用于扑翼飞行器的的被动式扑翼机翼，该被动式扑翼记忆可以为扑翼飞行器提供与鸟类相似的飞行模式，降低飞行式的能量损耗的被动式扑翼机翼，保证了扑翼飞行器在不同的扑动频率下都可以实现最佳的扑动状态，进而使其在复杂多变的飞行环境下都可以保持较好的气动性能。

2、技术方案：为了实现以上目的，本发明所述的一种应用于扑翼飞行器的的被动式扑翼机翼，它包括：内段翼和外段翼，用于将内段翼和外段翼连接在一起的连接转轴和用于控制连接转轴运动的主控芯片；所述的连接转轴上设有记忆合金，安装在连接转轴上的记忆合金通过调控线路与主控芯片连接；该调控线路通过主控芯片发送方波信号，进而调整镍钛记忆合金片两侧电压，调整镍钛记忆合金片的电流密度，进而调整镍钛记忆合金片的弹性模量，并最终使机翼的扑动幅度与扑动频率相耦合，以适应复杂的飞行环境。

3、作为本发明的进一步优选，所述的内段翼的内部穿设有内段翼加强筋，外段翼的内部穿设有外段翼加强筋，内段翼连接装置将多个内段翼加强筋连接紧固，外段翼连接装置将多个外段翼加强筋连接紧固，内段翼连接装置和外段翼连接装置通过合页装置连接紧固实现内段翼和外段翼的连接，合页装置用于连接内外段刚性翼的转轴部分，其不仅是内外段翼的连接部分，同时也是飞机扑翼时内外段翼相对旋转时的转轴。

4、作为本发明的进一步优选，所述的连接转轴的表面设有用于放置记忆合金的凹槽，镍钛记忆合金片用于控制外段翼偏转时受到的回复力。

5、作为本发明的进一步优选，所述的记忆合金安装在内段翼和外段翼的连接处。记忆合金在受到压力时会发生弹性形变，当压力移除后可以迅速恢复原状，从而在主控芯片的压力调节下实现自由地调节扑动频率。

6、作为本发明的进一步优选，所述的记忆合金通过u型夹分别固定在内段翼和外段翼上。

7、作为本发明的进一步优选，位于内段翼和外段翼内部的调控线路的一端与记忆合金，另一端与飞机上的主控芯片相连，调控线路通过主控芯片发送方波信号，进而调整镍钛记忆合金片两侧电压，调整镍钛记忆合金片的电流密度进而调整镍钛记忆合金片的弹性模量，并最终使机翼的扑动幅度与扑动频率相耦合，从而适应复杂的飞行环境。

8、作为本发明的进一步优选，所述的主控芯片调整记忆合金两侧电压进而调整记忆合金的弹性模量。

9、作为本发明的进一步优选，所述的记忆合金的弹性模量根据内外段翼的受力及连接转轴的力矩得到：

10、

11、其中：e为所需的弹性模量，m为力矩，a为横截面积，θ为偏转角度。

12、作为本发明的进一步优选，所述的记忆合金为镍钛记忆合金，镍钛记忆合金片具有超弹性，在受到压力时会发生弹性形变，当压力移除后可以迅速恢复原状。且该材料具有电致塑性，在通电后，其力学性能指标会根据材料的电流密度发生较大幅度的变化。

13、作为本发明的进一步优选，所述的合页装置上设有铰链机构，所述的铰链机构的两端分别与段翼连接装置和外段翼连接装置固连。当外段翼相对内段翼转动时，通过合页装置上的铰链来实现，由于此处为现有技术，在日常生活中例如车门铰链上已经有了非常成熟的应用个，故此处不作重复说明。

14、有益效果：本发明所述的一种应用于扑翼飞行器的的被动式扑翼机翼，通过优化被动式扑翼的结构设计，利用主控芯片调整镍钛记忆合金片两侧电压进而调整镍钛记忆合金片的弹性模量，并最终使机翼的扑动幅度与扑动频率相耦合。在改变了扑翼的扑动频率以后，扑翼的柔性也可以发生相应的变化。这样的设计保证了扑翼飞行器在不同的扑动频率下都可以实现最佳的扑动状态，进而使其在复杂多变的飞行环境下都可以保持较好的气动性能。