一种掠角和外形可变的机翼的制作方法

本发明涉及无人机技术领域，具体涉及一种掠角和外形可变的机翼。

背景技术：

机翼是飞机产生升力的主要部件，传统飞机机翼一般是根据特定飞行任务和环境条件下的空气动力学特性确定的总体布局和形状参数，并采用轻量化、高强度和固定式的材料结构制造，利用电传感技术感知各种载荷。这种固定式刚性机翼可以通过襟翼、前缘缝翼等机构的简单刚性变形使飞机在特定飞行条件下改善其空气动力学性能，但是，固定机翼的局部刚性变形会使翼型截面几廓形产生非连续变化和曲率突变，影响气动特性，更大的问题在于飞行环境参数是连续变化的，固定式机翼通常只能在一个设计点达到最优气动性能，大多数情况下性能不佳，在提升飞行性能和多任务适应性等方面存在瓶颈。

为了解决上述问题，通常采用变形机翼。与固定式机翼不同的是：变形机翼的形状变形通常采用高度灵活的机翼系统，通过致动机构实现翼型的改变，实时调整其构造以获得飞机在特定飞行条件下改善的空气动力学性能。变形机翼可以根据不同的飞行任务和飞行环境条件改变机翼形状进而获得最优的飞行性能。拥有高飞行效率和高性能变形机翼飞行器能够在很大程度上减少能量消耗，有效增加续航能力；在多任务飞行过程中拥有优秀的环境适应能力并且在不同环境下达到最优飞行状态，相比传统的固定式机翼飞行器具有更强的生存能力。传统的固定式机翼飞行器只具有单一的飞行模式，为克服传统飞行器这种单任务模式的缺点，变形机翼飞行器提供了一种可行的解决方案。

例如，申请公布号为cn110422314a的发明专利申请公开了一种可前后变形仿生柔性机翼，其形状记忆合金内骨架通过卡槽固定在形状记忆合金外骨架内部，外骨架电加热机构包覆在外骨架上，内骨架电加热机构包覆在内骨架上；隔热层夹在外骨架电加热机构中和内骨架电加热机构中；柔性机翼蒙皮整体成型，包覆在整个机翼最外围。本发明可实现机翼前后变形，仅靠形状记忆合金骨架即可实现机翼变形。例如，申请公布号为申请公布号为cn110053760a的发明专利申请公开了一种柔性变形机翼，包括多个翼盒模块、分别连接至相邻的翼盒模块的柔性铰链、蒙皮以及驱动模块，其中，相互连接的多个翼盒模块形成预制机翼形状结构体，蒙皮包覆在预制机翼形状结构体的外缘，驱动模块用于控制多个翼盒模块展向弯度与掠角大小。本发明可以实现连续光滑的改变机翼的展向弯度和掠角，同时还具有结构强度高、质量轻等优点。但是，上述的可前后变形仿生柔性机翼与柔性变形机翼都存在结构复杂，机翼变形幅度小，变形方式单一，造价昂贵的缺点。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述存在的问题，提供一种掠角和外形可变的机翼，该机翼结构简单，成本低廉，是一种以模仿鸟类翅膀为基础，具有改变翼面形状能力，变形幅度大，能够满足不同的飞行环境的自适应机翼。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种掠角和外形可变的机翼，包括至少两个依次排列的机翼本体、设置在相邻两个机翼本体之间用于改变机翼本体前后方向角度的驱动机构以及连接在相邻两个机翼本体之间的柔性蒙皮；其中，

相邻的两个机翼本体之间通过铰接结构连接；所述驱动机构包括舵机、摇臂以及连杆；所述舵机设置在其中一个机翼本体上，该舵机的主轴与所述摇臂连接，所述连杆的一端与所述摇臂铰接，另一端与另一个机翼本体铰接。

上述一种掠角和外形可变的机翼的工作原理是：

工作时，舵机驱动摇臂转动，带动连杆运动，从而带动与连杆铰接的机翼本体绕着铰接结构转动，使得相邻两个机翼本体的角度发生改变；每个机翼本体上的舵机之间独立工作，通过控制每个机翼本体变换不同的角度，实现每个整个机翼外形的改变；当低速飞行时，增大机翼本体之间的角度，实现翼面伸展；当高速飞行时，减小翼本体之间的角度，实现翼面缩拢，以满足不同飞行环境时自适应改变机翼外形；通过设置多个机翼本体与驱动机构，实现机翼的多关节变形，使得机翼具有更多的机翼姿态变化和关节配置关系，能够像具有卓越翱翔性能的信天翁一样可以变化出更多有利于飞机飞行的机翼几何形状，通过不同关节角度的配置获得飞机在起飞、降落、突防俯冲以及巡航等任务下的最优气动特性。

本发明的一个优选方案，其中，所述铰接结构包括分别固定在相邻两个机翼本体上的定位板和运动板，所述定位板与所述运动板通过铰链铰接，所述舵机设置在所述定位板上，所述连杆与运动板也通过铰链铰接。通过设置定位板、运动板以及铰链，可以实现相邻两个机翼本体之间的铰接功能，与此同时，定位板和运动板能对机翼本体起到加强作用。

优选地，所述掠角和外形可变的机翼对称设置在机身的两侧，靠近机身的机翼本体与机身之间均通过上述铰接结构铰接以及驱动机构连接，该驱动机构的舵机固定在机身上。采用上述结构，可以改变机翼与机身之间的掠角，进一步改变机翼的形状，提高机翼变化的灵活性。

优选地，所述机翼本体为2-6个，机翼展开后外形轮廓为梯形；其好处在于，一方面由于梯形机翼升力分布类似与椭圆，机翼诱导阻力小；另一方面因为机翼平直，升力系数较大，飞机滑跑的时候在较低的速度下就可以获得能够抬起机身的升力，低速性能优异，可以很低的速度起飞和着陆。

优选地，所述机翼本体的材料包括主体材料和辅助材料，所述主体材料包括epo材料、xps材料或mfm材料中的一种或多种；所述辅助材料为碳纤维、玻璃布、轻木或芳纶布中的一种或多种。

优选地，所述柔性蒙皮的材料为柔性橡胶材料，该材料具有较高的柔性和弹性，有利于柔性蒙皮的变形，保持良好的气动外形；同时也使得机翼在飞行过程中柔性蒙皮具有较高的强度。

优选地，每个机翼本体绕着铰接结构转动的角度为5°-25°。

优选地，所述连杆与所述摇臂设置在机翼本体的内部。这样设置，有利于整个机翼的结构变得更加紧凑。

本发明的一个优选方案，其中，还包括用于对驱动机构进行异步或者同步控制的控制装置。该控制装置的具体控制过程为：首先给定各飞行状态下机翼外形的期望值，安装在机身上的传感器将检测信号发送至控制装置，控制装置按照机翼外形期望值输出信号，然后将该输出信号传送至各个驱动机构，各个舵机按照各自接收的信号完成相应的动作，使得每个机翼本体完成不同角度变换，实现整体机翼的前后外形变化。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明中，没有复杂的机械传动，通过舵机驱动摇臂转动，带动连杆运动，从而带动与连杆铰接的机翼本体绕着铰接结构转动，使得相邻两个机翼本体的角度发生改变；同传统固定翼机翼相比，具有机翼形状变形功能，可使飞机适应不同空气动力环境，增强飞机飞行性能；与此同时，本发明机械传动结构简单可靠，仅靠舵机驱动，具有实用性强、质量轻、价格低、维护成本低等优点。

2、本发明中的机翼，是一种以模仿鸟类翅膀为基础，通过设置多个依次排列的机翼本体，每个机翼本体上的舵机之间独立工作，通过控制每个机翼本体变换不同的角度，实现每个整个机翼外形进行光滑连续的变形；当低速飞行时，增大机翼本体之间的角度，实现翼面伸展；当高速飞行时，减小翼本体之间的角度，实现翼面缩拢，以满足不同飞行环境时自适应改变机翼外形。

3、通过设置多个机翼本体与驱动机构，实现机翼的多关节变形，使得机翼具有更多的机翼姿态变化和关节配置关系，能够像具有卓越翱翔性能的信天翁一样可以变化出更多有利于飞机飞行的机翼几何形状，通过不同关节角度的配置获得飞机在起飞、降落、突防俯冲以及巡航等任务下的最优气动特性。

附图说明

图1-图3为本发明中的一种掠角和外形可变的机翼的一种具体实施方式的结构示意图，其中，图1为机翼处于平直翼姿态的结构示意图，图2为机翼处于后掠翼姿态的结构示意图，图3为机翼处于仿鸟类俯冲姿态的结构示意图。

图4为图1中a处的局部放大图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员很好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例和附图对本发明作进一步描述，但本发明的实施方式不仅限于此。

参见图1和图4，本发明公开一种掠角和外形可变的机翼，包括6个依次排列的机翼本体1、设置在相邻两个机翼本体1之间用于改变机翼本体1前后方向角度的驱动机构2以及连接在相邻两个机翼本体1之间的柔性蒙皮3。

参见图1和图4，相邻的两个机翼本体1之间通过铰接结构4连接；所述驱动机构2包括舵机2-1、摇臂2-2以及连杆2-3；所述舵机2-1设置在其中一个机翼本体1上，该舵机2-1的主轴与所述摇臂2-2连接，所述连杆2-3的一端与所述摇臂2-2铰接，另一端与另一个机翼本体1铰接。

参见图1和图4，所述铰接结构4包括分别固定在相邻两个机翼本体1上的定位板4-1和运动板4-2，所述定位板4-1与所述运动板4-2通过铰链4-3铰接，所述舵机2-1设置在所述定位板4-1上，所述连杆2-3与运动板4-2也通过铰链4-3铰接。通过设置定位板4-1、运动板4-2以及铰链4-3，可以实现相邻两个机翼本体1之间的铰接功能，与此同时，定位板4-1和运动板4-2能对机翼本体1起到加强作用。

进一步地，所述定位板4-1与运动板4-2之间的铰接位置位于机翼本体1的前端，所述连杆2-3与运动板4-2铰接的位置位于机翼本体1的中部，这样设置的好处在于，使得相邻两个机翼本体1之间具有更大的变化角度，以提高机翼外形变化的多样性。

参见图1和图4，所述掠角和外形可变的机翼对称设置在机身5的两侧，靠近机身5的机翼本体1与机身5之间均通过上述铰接结构4铰接以及驱动机构2连接，该驱动机构2的舵机2-1固定在机身5上。采用上述结构，可以改变机翼与机身5之间的掠角，进一步改变机翼的形状，提高机翼变化的灵活性。

具体地，所述机翼本体1的材料包括主体材料和辅助材料，所述主体材料包括epo材料、xps材料或mfm材料中的一种或多种；所述辅助材料为碳纤维、玻璃布、轻木或芳纶布中的一种或多种。

进一步地，所述柔性蒙皮3安装在相邻两个机翼本体1之间的缝隙处，用于保持良好的气动外形。

具体地，所述柔性蒙皮3的材料为柔性橡胶材料，该材料具有较高的柔性和弹性，有利于柔性蒙皮3的变形，保持良好的气动外形；同时也使得机翼在飞行过程中柔性蒙皮3具有较高的强度。

具体地，每个机翼本体1绕着铰接结构4转动的角度为5°-25°。

具体地，所述连杆2-3与所述摇臂2-2设置在机翼本体1的外部或者内部。设置在内部，有利于整个机翼的结构变得更加紧凑。

具体地，还包括用于对驱动机构2进行异步或者同步控制的控制装置。该控制装置的具体控制过程为：首先给定各飞行状态下机翼外形的期望值，安装在机身5上的传感器将检测信号发送至控制装置，控制装置按照机翼外形期望值输出信号，然后将该输出信号传送至各个驱动机构2，各个舵机2-1按照各自接收的信号完成相应的动作，使得每个机翼本体1完成不同角度变换，实现整体机翼的前后外形变化。

所述机翼本体1在驱动机构2的驱动下能够变换三种姿态，包括机翼平直翼姿态、机翼后掠翼姿态以及仿鸟类俯冲姿态。

参见图1，图1所示为机翼平直翼姿态，机翼本体1平直伸展，机翼展开后外形轮廓为梯形；其好处在于，一方面由于梯形机翼升力分布类似与椭圆，机翼诱导阻力小；另一方面因为机翼平直，升力系数较大，飞机滑跑的时候在较低的速度下就可以获得能够抬起机身5的升力，低速性能优异，可以很低的速度起飞和着陆。

参见图2，图2为机翼平直翼状态下翼根处机翼本体1向后倾转就形成了机翼后掠翼姿态，后掠翼的角度随翼根处机翼本体1倾转程度的大小变化，正处于低速飞行的时候，这个时候飞机的机翼张开，后掠角较小，有着和平直机翼一样的升力系数，低空低速性能出色，当它高速飞行时，为了缓和高速飞行产生的“激波”，增大后掠角，以提高飞机的临界马赫数、降低波阻，后掠翼状态适合高速飞行，特别是超音速飞行。

参见图3，图3为仿鸟类俯冲姿态，该姿态下的机翼呈“m”型，翼面收拢时机翼展弦比、升力、阻力显著降低，速度和灵活性提高，大多数进入一个高速俯冲的状态，这个飞行优势可以在飞行器进行限制范围的降落与目标捕捉、突防俯冲时采用。

参见图1-图4，上述一种掠角和外形可变的机翼的工作原理是：

工作时，舵机2-1驱动摇臂2-2转动，带动连杆2-3运动，从而带动与连杆2-3铰接的机翼本体1绕着铰接结构4转动，使得相邻两个机翼本体1的角度发生改变；每个机翼本体1上的舵机2-1之间独立工作，通过控制每个机翼本体1变换不同的角度，实现每个整个机翼外形的改变；当低速飞行时，增大机翼本体1之间的角度，实现翼面伸展；当高速飞行时，减小翼本体之间的角度，实现翼面缩拢，以满足不同飞行环境时自适应改变机翼外形；通过设置多个机翼本体1与驱动机构2，实现机翼的多关节变形，使得机翼具有更多的机翼姿态变化和关节配置关系，能够像具有卓越翱翔性能的信天翁一样可以变化出更多有利于飞机飞行的机翼几何形状，通过不同关节角度的配置获得飞机在起飞、降落、突防俯冲以及巡航等任务下的最优气动特性。

上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

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