微型飞行器的无翼悬停制造技术

本发明专利技术的实施例涉及无翼悬停微型飞行器(WHOMAV)及其电源单 元(PSU)。实施例能够以合理的功率水平操作用于悬停并经受住期望的阵 风。本发明专利技术的实施例可具有小于15cm的直径。实施例可具有一个或多个 平滑(连续曲率)表面，并可以利用电磁和/或电流体动力原理操作。具体 实施例的无翼设计能够允许不具有转动或移动部件而操作。另外的实施例 能够允许对周围流动条件的主动响应。还可以显著减小或避免由于不能束 缚层流边界层而导致的低升阻比的问题和机翼效率的退化。可以通过在由 聚合物绝缘体、电介质或其他具有绝缘性质的材料隔开的一组接地和供电 电极之间施加脉冲(交变/rf)电压来产生电磁力。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】微型飞行器的无翼悬停相关申请的交叉引用本申请要求于2006年7月31日提交的美国申请序列号No. 60/834,265的优先权权益，并要求于2007年5月8日提交的美国申请序列号No.60/928,207的优先权权益，其全部内容，包括任何示图、表格或附图，都在此引入作为参考。
技术介绍
典型的无人驾驶飞行器(UAV)的翼展小于15 cm。在传统的有翼MAV中，控制表面以向风张开，因此对于其速度可比于飞行器飞行速度的阵风非常敏感。图lA中示出孩i型飞行器(MAV)中传统的升高产生机构。参照图1A的顶部，空气没有间隔地在翼表面上移动，使得常规>几翼产生在翼后拖曳的稳定状态的驻涡。该涡流并不影响翼产生的升高。如图1A底部所示，朴翼能够通过每次朴打产生涡流管，从而产生升高。参照图1A的底部部分，在朴翼对的每次朴打之后形成束缚涡流，其中两个束缚涡流如图1A所示。束缚涡流产生三维尾流结构，该结构可被认为是涡流管。每次朴打之后形成的束缚涡流是朴翼的升高的来源。然而，该升力的大小并不稳定。图1B中画出朴翼导致的涡流管所产生的升力大小的特性。尽管朴翼在理论上模仿昆虫和鸟的性质，但是由刚性朴翼产生的升高很容易在温和阵风下被该涡流管的破裂所扰乱。由涡流管的破裂所导致的升高的扰乱对使用刚性朴翼的MAV的悬停能力造成严重限制。朴打飞行和机翼飞行的主要区别在于在朴打飞行中翼涡流的持续形成和消散。在高速气流的磁流体力学(MHD )控制领域已经有了显著的实验和理论成果。已经出于流体控制目的研究了外磁场对等离子体的影响。在Bush(1958)的第一计算iHE之外，Zhnmer (1969)示出强磁场和等离子体将半球体前面的弓形激波的喷距改变7.5因子。最近，研究者(Menart等人)示出磁场与等离子体结合并不改变流场。不过依然不清楚其精确的机制。射频(rf)诱导的表面电介质阻挡放电(DBD)所产生的电体积力(electric body force)可以用于^f氐速流控制。 一种这样的应用为通过诱导的壁射流将分离的流体重新贴合(Roth， 2003; Corke等，2005; Roy和Gaitonde,2005; Gaitonde等，2006)。本领域中存在对这样的MAV的需求，其相比于传统的有翼WAV对阵风更不敏感。
技术实现思路
本专利技术的实施例涉及无翼悬停(hovering)微型飞行器(WHOMAV)。WHOMAV的实施例可以引入电源单元(PSU)，其可包括例如电池或本领域中公知的其他适当电源。实施例能够以合理的功率水平操作用于悬停并经受住期望的阵风。本专利技术的实施例可具有小于15cm的直径。实施例可具有一个或多个平滑(连续曲率)表面，并可以利用电磁和/或电流体动力原理操作。具体实施例的无翼设计能够允许不具有转动或移动部件而操作。另外的实施例能够允许对周围流动环境的主动响应。还可以显著减小或避免由于不能束缚层流边界层而导致的低升阻比的问题和机翼效率的退化。可以在通过在由聚合物绝缘体、电介质或其他具有绝缘性质的材料隔开的一組接地和供电电极之间施加脉冲(交变/rf)电压来产生电磁力。也可以利用施加到上述电极的DC电流来提供力。在具体实施例中，可以利用永磁体，或者其他的磁场源，诸如电磁体来在设备中产生磁场，从而在载流导体上产生选择性偏置力(JxB)。可以改变导体中的电流和/或B场的强度来调节力。尽管所讨论的无翼WHOMAV设计的物理重量与传统的有翼微型飞行器(MAV)的重量相似，但是所讨论的WHOMAV的实施例可以提供以下三项优势中的一种或多种。首先，内表面可以控制运动，其中所述内 表面并不暴露于阵风中，因而最小程度地受到周围气流的不稳定性的影响。其次，通过在垂直方向操^i口速度可利用内部核和外部弯曲表面来控制惯 性。第三，处于中性平衡中的环形盘上的风力载荷处于或者接近最小。 WHOMAV的主体可以有各种设计和形状。在具体实施例中，主体被设计 为将来自风力的载荷最小化。主体设计的一个实例包括，但不限于，圆盘 形状。本专利技术的实施例可以引入一个或多个附加的技术用于提高能量效率， 诸如使用微型致动器。各实施例在其对于可操纵性和阵风耐受性的响应上 可以是独特的。具体实施例可充分地管理大量的依赖于时间的间隔，否则 这些间隔会使得传统的机翼失速。除了实际的MAV之外，还可以将根据本专利技术的无翼设计引入用于各 种其他应用。可以使用实验测试和数值模拟以寻找流场动力学、电磁结构 和飞行力学的随后响应之间的关联。可以执行数值优化和对重量及效率的 测试以优化设计。无翼设计中使用的升高机制也可以引入到有翼MAV中。 此外，可以通过反馈机制使用对电动力体积力的精确控制来将关联于MAV 的低Reynolds数务泮下的间隔流最小化。也可以使用非传统的MEMS局 部皮肤摩擦/剪切应力传感器来检测流体响应。响应于可能来自环境风和/ 或阵风的检测到的流体响应，可以驱动电极的各种排列用以产生力来适应 于检测到的流体响应。附图说明图1A和1B示出传统有翼微型飞行器的飞行动力学，其中图1A示出 绕传统机翼上的流所产生的尾涡流以及其中利用朴翼产生的涡流管支撑升 高的例子，图1B示出在利用朴翼的朴打周期中升力的大小以及该升力的 不稳定特性；图2A-2D示出标准RF辉光放电单层致动器的示意图，其中图2A示 出顺电相的实例，图2B示出蠕动多相流控制的实例，图2C示出标准单层 设计，图2D示出放电怎样诱导微弱的局部壁空气喷射(U~l-2m/s);图3A - 3C示出静止氦气的等离子致动，其中图3A示出使用表面DBD 进行流致动的实施例的示意图，图3B描述在暴露的电极附近的局部峰值， 图3C示出沿不同方向的流向气体速度分布；图4A和4B示出数值模拟的结果，其中图4A示出证实了负电荷累积 的电介质上的空间电荷分布以及电极形状对诱导的体积力的影响，图4B 示出证实了相位滞后引起的蠕动效应的力和流束绰结果；图5A和5B示出本专利技术的一个实施例，其中图5A示出该实施例的示 意图，图5B示出该实施例的电极布置；图6A-6C示出用于本专利技术一个实施例的表面的电极结构，其中图6A 示出该实施例的多层设计示意图，用于提高的致动器性能，图6B示出稳 态放电怎样在延伸区域中诱导出相当大的体积力，导致壁射流速度大小的 可能的数量级的增加，图6C示出可用于在延伸区域中诱导很大的体积力 的另一电极排布；图7是具有增加的层数目的本公开的多层致动器的第二实施例的示意图8示明才艮据本专利技术的多层致动器的若干附加示例性实施例；图9示出可以用来产生反向旋转涡流的电极结构，所述反向旋转涡流可使得空气流过一个孔洞；图IO示出才艮据本专利技术的多阻挡等离子体致动器(MBPA)的若干实施例的评估速度增加；图ll示出根据本专利技术用于升力增强的致动器设计的实施例的放电； 图12示出根据本专利技术的致动器的实施例的放电，其示出用于推力增强的宽(约4cm)辉光；图13示出从根据本专利技术的致动器的实施例的一侧的放电照片，其示出 相比于左手边的等离子体的厚度；以及图14示出根据本专利技术具有很宽辉光(约6cm )的新的等离子体致动器 的实施例。具体实施例方式本专利技术的实施例涉及无翼悬停微型飞行器(WHOMAV) 。 WHOMAV 的实施例可以引入电源单元(PSU)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种悬停微型飞行器，包括　主体，其具有贯穿其的孔洞；　多个电极对，其邻近所述主体的表面定位，使得当在每个电极对上施加ＲＦ电压时，每个电极对形成等离子体致动器，所述等离子体致动器产生近表面体积力；　ＲＦ电压源，其用于在所述每个电极对上施加脉冲ＲＦ电压，其中来自多个电极对中的每一对的近表面体积力的累积效应在所述孔洞中产生涡旋流体柱，所述涡旋流体柱使得所述微型飞行器悬停。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2006.7.31 US 60/834,265;2007.5.8 US 60/928,2071.一种悬停微型飞行器，包括主体，其具有贯穿其的孔洞；多个电极对，其邻近所述主体的表面定位，使得当在每个电极对上施加RF电压时，每个电极对形成等离子体致动器，所述等离子体致动器产生近表面体积力；RF电压源，其用于在所述每个电极对上施加脉冲RF电压，其中来自多个电极对中的每一对的近表面体积力的累积效应在所述孔洞中产生涡旋流体柱，所述涡旋流体柱使得所述微型飞行器悬停。2. 根据权利要求1的悬停微型飞行器，其中所述主体具有圆 盘形状。3. 根据权利要求1的悬停微型飞行器，其中所述主体具有小 于15cm的外直径。4. 根据权利要求1的悬停微型飞行器，还包括 第二组多个电极对，其邻近所述主体的表面定位，使得当在每个电极对上施加RF电压时，每个电极对形成产生近表面体积力 的等离子体致动器，其中来自所述第二組多个电极对中的每一对 的近表面体积力的累积效应产生垂直方向的力。5. 根据权利要求1的悬停微型飞行器，其中所述多个电极对 邻近所述主体表面的内部定位，其中所述主体表面的内部面向通 过主体的所述孔洞。6. 根据权利要求1的悬停微型飞行器，其中第二组多个电极 对邻近所述主体表面的外部定位，其中所述主体表面的外部从所 述微型飞行器径向面向外。7. 根据权利要求1的悬停微型飞行器，还包括 一个或多个传感器，用以测量周围流条件。8. 根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·罗伊，
申请(专利权)人：佛罗里达大学研究基金公司，
类型：发明
国别省市：US