[发明专利]一种减阻降噪的仿生螺旋桨及其制备方法

说明书

本发明公开了一种减阻降噪的仿生螺旋桨及其制备方法，所述螺旋桨的桨叶包括：桨叶基层，所述桨叶基层的前缘具有正弦型凸起结构；纤维树脂层，设置在所述桨叶基层上，在所述纤维树脂层上设有若干排纤维绒毛，所述若干排纤维绒毛靠近所述桨叶的桨尖部。桨叶上的正弦型凸起结构可以提升桨叶的升力，同时纤维树脂层粘度大、弹性好，可以改变桨叶表面层内湍流结构，使边界层的频率、振幅、波速发生改变，进而减小气动阻力和壁面摩擦阻力，纤维绒毛可以吸收螺旋桨的边界层的气体的部分能量，进而减小边界层气体的湍流。并且，纤维绒毛还显著减小由于螺旋桨翼尖失速而引起的气动噪声。

技术领域

本发明涉及无人机旋翼/螺旋桨的制备领域，尤其涉及一种减阻降噪的仿生螺旋桨及其制备方法。

背景技术

随着现代无人机技术的迅猛发展，无人机已经广泛应用于军事、医疗、物流、农林、气象、娱乐等诸多领域。但是，无人机自身仍存在一些问题亟待解决，例如，在无人机飞行过程中，其螺旋桨会产生较大的气动噪声，容易造成噪声污染，导致环境保护问题；无人机螺旋桨在飞行中面临较大的气动阻力，从而影响了整机气动效率的提升。如何降低无人机飞行过程中产生的气动噪声和阻力，进一步改善无人机的气动性能是目前无人机研究的重点和难点。

生物在亿万年的自然选择中，进化出远超人类现有设计的优异功能特性。许多借鉴生物结构的无人机螺旋桨设计已经取得了较好的效果，尤其是以猫头鹰为生物模本的仿生流动控制和气动噪声控制研究，效果突出。研究发现，猫头鹰具有优异的飞行本领主要得益于以下几种特殊的结构特征：1、翅膀前缘锯齿结构：这些锯齿结构可以将空气分解成小气流，使其流过翅膀时更加稳定，有助于提升翅膀的气动性能，而这种气流变化也在一定程度上减少了流动空气的噪声。2、翅膀前缘凸起结构：该结构可以延缓翼型的失速，显著提升翼型失速后的升力，进而改善翅膀的气动特性，提升飞行升力和飞行机动性。3、翅膀刘海状尾缘结构：该结构可以进一步分解流动到翅膀后缘的空气，降低气动噪声。4、翅膀上下表面纹理结构：这些由于羽毛交错铺叠而形成凹凸纹理结构可以使气流粘附在翅膀表面，减少气流脱离而形成的大涡流，进而减少噪声的产生。5、翅膀柔性表面：翅膀表面覆盖有细小蓬松的羽毛，可以吸收一部分空气中的高频噪音，并使气流变得柔顺，减弱边界层的湍流；另外，柔性表面还可以使边界层产生同步波动，进而改变边界层内湍流结构，达到减阻的目的。

针对猫头鹰上述几种特殊的结构特征，研究人员将其应用于无人机螺旋桨仿生设计研究中：1、仿生前缘锯齿结构：可以有效降低噪声，但是通常会在一定程度上降低气动性能；2、仿生前缘凸起结构：由于前缘凸起可以增大螺旋桨的受力面积而提升升力，进而可以显著提升其气动性能；此外，凸起相当于涡流发生器，容易使螺旋桨表面形成一定的低压区，导致涡流的产生，因此气动噪声也会明显增大。3、仿生刘海状尾缘结构：可以通过梳理尾部气流抑制大涡流产生，起到降噪的效果，但是对气动性能影响很小。4、仿生表面纹理结构：通过在螺旋桨表面加工凹槽，可以实现减阻效果，但是对噪声影响不大，并且加工后的螺旋桨存在结构力学性能下降的问题。5、仿生柔性表面：通过在螺旋桨表面套上柔软外层结构，可以降低一部分噪音，但是会增加流动阻力进而影响气动性能。

目前针对无人机螺旋桨的仿生设计还难以同时实现减阻和降噪功能。仿生前缘凸起结构、仿生表面纹理结构的设计虽然有助于提升螺旋桨的气动特性以达到减阻的目的，但是其降噪效果并不明显，甚至会增大噪声。部分研究中提到的降噪效果实则是在维持同等推力的前提下，通过降低转速而实现降噪，这并非严格意义上的降噪。而仿生前缘锯齿结构、仿生刘海状尾缘结构、仿生柔性表面的设计会在一定程度上降低噪声，但往往需要以牺牲气动性能为代价。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种减阻降噪的仿生螺旋桨及其制备方法，旨在同时实现无人机螺旋桨减阻和降噪的目的。

本发明的技术方案如下：

一种减阻降噪的仿生螺旋桨，包括桨叶，其中，所述桨叶包括：