一种具有微结构减阻膜的无人机旋翼论文和设计-鲁艳军

全文摘要

本实用新型涉及减阻膜技术领域，提供一种具有微结构减阻膜的无人机旋翼，在旋翼上设有减阻膜，该减阻膜包括：隔离层，以及，设于隔离层一侧的微结构层，微结构层表面设有平行排列的微型沟槽，微型沟槽呈V形或矩形或U形，微型沟槽的宽度S为0.02mm～0.4mm，微型沟槽的高度H为0.05mm～0.3mm。该减阻膜通过模芯微注塑或热压成型，通过控制模芯上的微型沟槽的形状就能控制减阻膜上微型沟槽的形状，使得微型沟槽的加工质量和尺寸精度高、形状可控，符合减阻膜表面成型应具有较大面积、峰顶尖锐、精度高的要求，无人机旋翼上因设有该减阻膜，能有效降低旋翼地阻力，以降低能耗量，从而提高了无人机的续航能力。

主设计要求

1.一种具有微结构减阻膜的无人机旋翼，其特征在于，在旋翼上设有减阻膜，所述减阻膜包括：隔离层，以及，设于所述隔离层一侧的微结构层，所述微结构层表面设有排列交替的微型沟槽，所述微型沟槽呈V形或矩形或U形，所述微型沟槽的宽度S为0.02mm～0.4mm，所述微型沟槽的高度H为0.05mm～0.3mm。

设计方案

2.根据权利要求1所述的一种具有微结构减阻膜的无人机旋翼，其特征在于：所述微型沟槽呈V形，所述微型沟槽的顶角角度β为50°～60°。

3.根据权利要求2所述的一种具有微结构减阻膜的无人机旋翼，其特征在于：所述顶角角度β为55°。

4.根据权利要求1所述的一种具有微结构减阻膜的无人机旋翼，其特征在于：所述隔离层远离所述微结构层的一侧还设有胶层。

5.根据权利要求4所述的一种具有微结构减阻膜的无人机旋翼，其特征在于：所述微结构层的厚度为0.15mm～0.4mm，所述隔离层的厚度为0.11mm～0.12mm，所述胶层的厚度为0.05mm～0.13mm。

6.根据权利要求1所述的一种具有微结构减阻膜的无人机旋翼，其特征在于：所述微型沟槽的宽度S为0.05mm～0.1mm，所述微型沟槽的高度H为0.12mm～0.2mm。

7.根据权利要求6所述的一种具有微结构减阻膜的无人机旋翼，其特征在于：所述减阻膜采用热塑性塑胶材料制成。

8.根据权利要求7所述的一种具有微结构减阻膜的无人机旋翼，其特征在于：所述减阻膜采用亚克力材料制成。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及为减阻膜技术领域，尤其是提供一种具有微结构减阻膜的无人机旋翼。

背景技术

目前，无人机技术发展迅猛。在解决无人机续航性能问题时可以全方位考虑，除了提升电池性能，还可以从螺旋桨或旋翼或机翼的气动特性上入手。

目前螺旋桨的桨叶(旋翼)为高强度、高模量的碳纤维结构，质量轻硬度高，不易在其表面加工微结构，因此需要特殊的减阻方式。

在实际应用中的常见减阻方法有：优化设计、聚合物涂层(或喷射)、柔性壁面、壁面加温及气幕屏蔽等方法。这些方法虽然在原理上可行，减阻效果也比较明显，但是在大型航天器上应用时，技术问题难以攻克，有的需要较大程度地改变航天器结构或外形，有的需要配备一些特殊的辅助设备。

有相关研究表明，在机翼表面贴上微结构薄膜可以减小阻力，这种方法使用简单，维护方便，拆装容易，不改变机翼外形。减阻贴膜可以有效的减小飞机紊流摩擦阻力，是减阻研究领域提出的新概念。

减阻膜减阻技术的关键是减阻膜的制造技术，而制造技术的关键是减阻膜表面微细沟槽的成型。空气动力学研究表明，这种微细沟槽的结构可以有多种形式。按照空气动力学的要求，形成沟槽的峰顶要尽量尖锐，否则减阻效果不好，对沟槽宽度S和高度h的公差应在0.005mm以内，同时为避免在飞机外表面贴敷时拼缝过多，减阻膜的幅面不能太小。

目前，制作微沟槽可以有多种方法，比如压型、流延、印制、冷轧、辊型等，实际常用于制造沟槽的是挤膜辊型法和热压制两种。但是这两种方法，在表面成型出具有较大面积、峰顶尖锐、精度很高的细小沟槽,还比较困难，使得减阻膜的减阻效果不好。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种无人机旋翼表面微结构减阻膜，旨在解决现有技术中机翼减阻效果不佳的技术问题。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种具有微结构减阻膜的无人机旋翼，在旋翼上设有减阻膜，所述减阻膜包括：隔离层，以及，设于所述隔离层一侧的微结构层，所述微结构层表面设有排列交替的微型沟槽，所述微型沟槽呈V形或矩形或U形，所述微型沟槽的宽度S为0.02mm～0.4mm，所述微型沟槽的高度H为0.05mm～0.3mm。

优选地：所述微型沟槽呈V形，所述微型沟槽的顶角角度β为50°～60°。

优选地：所述顶角角度β为55°。

优选地：所述隔离层远离所述微结构层的一侧还设有胶层。

优选地：所述微结构层的厚度为0.15mm～0.4mm，所述隔离层的厚度为0.11mm～0.12mm，所述胶层的厚度为0.05mm～0.13mm。

优选地：所述微型沟槽的宽度S为0.05mm～0.1mm，所述微型沟槽的高度H为0.12mm～0.2mm。

优选地：所述减阻膜采用热塑性塑胶材料制成。

优选地：所述减阻膜采用亚克力材料制成。

本实用新型的目的还在于提供一种无人机旋翼表面微结构减阻膜的制造方法，包括以下处理步骤：

S1、根据减阻膜的微型沟槽设计要求，将砂轮的微尖端修整成所述微型沟槽所需要的形状；

S2、根据微型沟槽的设计要求，使所述砂轮在模芯的表面逐一加工出多条平行的微型沟槽，直至所述微型沟槽的数量达到设计要求；

S3、将步骤S2中具有微型沟槽的模芯放入到成型机中，投入制作减阻膜的原材料，并通过微注塑成型或热压成型的方式制作出具有微型沟槽且符合设计要求的微结构减阻膜；

S4、将步骤S3中的减阻膜上背离微型沟槽的一侧涂覆胶层，通过胶层将减阻膜紧贴在无人机旋翼表面。

优选地：在进行步骤S1之前，根据减阻膜的设计要求，将所述模芯的形状制作成与设计要求的减阻膜形状相适配。

优选地：在所述步骤S1中，所述砂轮为超硬磨料砂轮，所述修整方法采用干式接触放电法，所述砂轮的转速N为2000～5000转\/分，所述砂轮的法向进给深度h为0.001mm～0.005mm，所述砂轮的进给速度V为100～1000mm\/分。

优选地：在所述步骤S2中，所述微型沟槽呈V形或矩形或U形，所述微型沟槽的宽度S为0.02mm～0.4mm，所述微型沟槽的高度H为0.05mm～0.3mm。

优选地：所述微型沟槽呈V形，所述微型沟槽的顶角角度β为50°～60°。

本实用新型的有益效果：

本实用新型提供的一种具有微结构减阻膜的无人机旋翼，该减阻膜具有尺寸精度高、减阻效果好的优点，同时该减阻膜通过模芯微注塑或热压成型，通过控制模芯上的微型沟槽的形状就能控制减阻膜上微型沟槽的形状，使得微型沟槽的加工质量和尺寸精度高、形状可控，符合减阻膜表面成型应具有较大面积、峰顶尖锐、精度高的要求，无人机旋翼上因设有该减阻膜，能有效降低旋翼地阻力，以降低能耗量，从而提高了无人机的续航能力。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的无人机旋翼表面的微结构减阻膜的结构示意图；

图2为本实用新型实施例中无人机旋翼表面的微结构减阻膜的制造方法的流程示意图；

图3为本实用新型实施例中砂轮加工硬质合金模芯的加工示意图；

图4为本实用新型实施例中注塑材料与硬质合金模芯形成减阻膜的注塑过程示意图；

图5为本实用新型实施例中减阻膜与旋翼的爆炸示意图；

图6为本实用新型实施例中减阻膜紧贴至部分旋翼上的示意图。

附图标记：1、减阻膜；11、隔离层；12、微结构层；121、微型沟槽；2、胶层；3、砂轮；31、微尖端；4、硬质合金模芯；5、旋翼。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

请参考图1和图6所示，一种具有微结构减阻膜的无人机旋翼，在旋翼5表面上设有减阻膜1，该减阻膜1包括：隔离层11，以及，设于隔离层11一侧的微结构层12，微结构层12表面设有排列交替的微型沟槽121，微型沟槽121呈V形或矩形或U形，微型沟槽121的宽度S为0.02mm～0.4mm，微型沟槽121的高度H为0.05mm～0.3mm，该减阻膜1因表面具有微型沟槽121而具有良好的减阻效果，当减阻膜1贴附在无人机旋翼5表面后，能有效减少旋翼5飞行时所受到的阻力，从而能减少无人机的耗能量，因此，提高了无人机的续航能力。

具体地，在本实施例中，微型沟槽121优选呈V形，微型沟槽121的顶角角度β为50°～60°。多条微型沟槽121在微结构层12表面呈波浪状。

具体地，在本实施例中，顶角角度β为55°，这样减阻膜1的减阻效果更好。

优选地：在本实施例中，在隔离层11远离微结构层12的一侧还设有胶层2，胶层2用于将减阻膜1紧贴在旋翼5上。

具体地，在本实施例中，微结构层12的厚度为0.15mm～0.4mm，隔离层11的厚度为0.11mm～0.12mm，胶层2的厚度为0.05mm～0.13mm。

更进一步地，在本实施例中，微型沟槽121的宽度S为0.05mm～0.1mm，微型沟槽121的高度H为0.12mm～0.2mm。

在本实施例中，减阻膜1采用聚合物材料制成，如热塑性塑胶材料制成，具体地，减阻膜1采用亚克力材料制成。

如图2-图6所示，本实施例还提供一种无人机旋翼表面微结构减阻膜的制作方法，包括以下处理步骤：

S1、根据减阻膜1的微型沟槽121设计要求，将砂轮3的微尖端31修整成微型沟槽121所需要的形状；

S2、根据微型沟槽的设计要求，使砂轮3在模芯4的表面逐一加工出多条平行的微型沟槽121，直至微型沟槽121的数量达到设计要求；

S3、将步骤S2中具有微型沟槽121的模芯4放入到成型机中，投入制作减阻膜的原材料，并通过微注塑成型或热压成型的方式制作出具有微型沟槽121且符合设计要求的微结构减阻膜1；

S4、将步骤S3中的减阻膜1上背离微型沟槽121的一侧涂覆胶层2，通过胶层2将减阻膜1紧贴在无人机旋翼5表面。

在步骤S2之前，先确定微型沟槽121的形状，在本实施例中，微型沟槽121呈V形，在其他实施例中微型沟槽121可以呈矩形或U形。因此，将砂轮3的微尖端31修整成V型，在修成微尖端31的过程中，需要不断地检测微尖端31是否修整符合设计要求。在本实施例中，砂轮3固定在第一数控加工机床上，砂轮3通过与第二数控加工机床上的砂轮轴进行修整。

在本实施例中，模芯4采用硬质合金模芯或者模具钢模芯，优选硬质合金模芯，利用砂轮3在硬质合金模芯4的表面进行微磨削加工，加工完成一条微型沟槽121后设置等间隔间距参数，然后重复加工微型沟槽121，在该过程中，可对微型沟槽121的参数进行合理调整，制造出多个参数不一的硬质合金模芯，用于验证不同参数对减阻膜1减阻效果的影响。

在本实施例中，成型机可以是微注塑成型机或热压成型机，减阻膜1通过微注塑成型机注塑成型，或通过热压成型机热压成型，该减阻膜1的生产具有成型稳定，精度高、可大批量生产的优点。在本实施例中，减阻膜1的原材料为聚合物材料，如热塑性塑胶材料，具体地，减阻膜1的原材料为亚克力粉材料。

将制作好的减阻膜1紧贴在旋翼5上后，可对无人机进行飞行试验，测试减阻效果，这此过程中，可得到不同参数的微型沟槽121参数的减阻效果，从而方便根据不同的飞行要求，选择不同的减阻膜1。

本实用新型提供的一种无人机旋翼表面微结构减阻膜的制造方法，减阻膜1通过模芯4注塑或热压成型，通过模芯4上的微型沟槽121的形状就能控制减阻膜1上微型沟槽121的形状，使得微型沟槽121的加工质量和尺寸精度高、形状可控，符合减阻膜1表面成型应具有较大面积、峰顶尖锐、精度高的要求，同时，采用注塑或热压成型的方式，相对传统方法对薄膜直接加工的方式，还能消除塑料薄膜本身的厚度误差对成型精度造成的影响，使得该减阻膜能高质量的大批量生产。

具体地，在进行步骤S1之前，根据减阻膜1的设计要求，将硬质合金模芯或者模具钢模芯的形状制作成与减阻膜1相适配的形状。这样做的目的在于，使硬质合金模芯或模具钢模芯成型出来的减阻膜1直接符合使用要求。当然，在其他实施例中，硬质合金模芯和模具钢模芯的形状可与减阻膜1的形状不同，后续再对成型后的减阻膜1进行修剪成所需要形状的减阻膜1。

具体地，在步骤S1中，先将砂轮3安装在第一加工机床的砂轮轴上，然后再芯4固定在第一加工机床的工作台上，然后使砂轮3在模芯4的表面进行微磨削，加工出第一条微型沟槽121；当完成第一条微型沟槽121后，使砂轮3沿法向方向退回预设距离，并沿着预设磨削路径继续加工第二微型沟槽121；重复上述加工过程，直至完成微型沟槽121所需要的条数。

具体地：在步骤S1中，砂轮3采用超硬磨料砂轮，其中，超硬磨料砂轮为立方氮化硼材料或金刚石材料制成。其中，修整方法采用干式接触放电法，其中，砂轮3的转速N为2000～5000转\/分，砂轮3的法向进给深度h为0.001mm～0.005mm，砂轮3的进给速度V为100～1000mm\/分，这样具有加工平稳的优点，有效保证了加工精度。

具体地，干式接触放电法(ECD，Electro-Contact Discharge)是利用砂轮3表面分布的微磨粒切削铜电极卷起的切屑与砂轮3金属结合剂发生脉冲电火花放电，逐渐微去除金属结合剂，实现高效率对砂轮3进行修锐修整。

优选地：在步骤S2中，微型沟槽121的宽度S为0.02mm～0.4mm，微型沟槽121的高度H为0.05mm～0.3mm，微型沟槽121的顶角角度β为50°～60°。具体地，顶角角度β优选为55°，这样得到了微型沟槽121的减阻效果最佳。

具体地，在步骤S1中，砂轮3绕着第二加工车床的砂轮轴旋转，且砂轮3沿着预设磨削路径与第二加工车床上的砂轮修整器进行对磨修整，并将砂轮3的微尖端31的前端面修整成所需要的特定形状。

优选地：在步骤S3中，其中微注塑成型机采用BABYPLAST微注塑成型机，微注塑成型机具有模具温度控制箱和液压水冷却箱，用于控制减阻膜1的成型和冷却效率，提高生产效率。

在本实施例中，注塑材料为亚克力粉。模芯4采用模具钢或硬质合金材料制成，具有硬度高、精度高、不易磨损和方便清理等优点

本实用新型提供的具有微型沟槽121的微阵列结构的模芯4是通过微尖端31修整过的砂轮3的前刀面面对模芯4的表面进行微磨削加工，从而在模芯4的表面加工出平行等间距的微型沟槽121，再将加工好的模芯4放到微注塑成型机中，用亚克力粉注塑材料进行注塑成型得到减阻膜1，减阻膜1上的微型沟槽121复刻于模芯4表面的微型沟槽121结构，使得减阻膜1上的微型沟槽121的加工质量和尺寸精度高，形状可控，符合减阻膜1表面成型应具有较大面积、峰顶尖锐、精度很高的要求。本实用新型提供的减阻膜1制造方法具有推广意义，可以推广到大型航天器，客运飞机等。

同时，本实用新型的减阻膜1的制造方法，在过程上用微注塑成型方法，改变了传统方法上对薄膜直接加工的方式，消除了塑料薄膜本身厚度的误差对成型精度造成的影响；在结构上砂轮3的微尖端31修整尺寸可调控，具有优化空间，在改变模芯4的微型沟槽121参数时，可以在保证加工精度的前提下,可使成型出的减阻膜1幅面比较大一些,以利减阻技术的实施；在模具型腔材料上，除一般的强度、刚度要求外,材料还应具有组织均匀、致密、无杂质,耐腐蚀性好等优良的加工性能。模芯4在加工时金属屑易于清除干净,避免因残留物使模具堵塞而造成成型出的微型沟槽121呈断续现象。

微注塑成型机通过模具温度控制箱和液压水冷却箱容易实现对减阻膜1的加热和冷却，减阻膜1所用薄膜还可以是热塑性塑料薄膜,其成型采用热压成型和冷却定型工艺,加热和冷却的速率对成型质量和效率均有影响。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

设计图

一种具有微结构减阻膜的无人机旋翼论文和设计

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