一種低噪聲無人機旋翼/螺旋槳的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供一種低噪聲無人機旋翼/螺旋槳，包括槳葉，所述槳葉的前緣為正弦波狀的結(jié)節(jié)結(jié)構(gòu)，所述槳葉的尾緣為等腰三角形狀的鋸齒結(jié)構(gòu)，所述槳葉的翼尖吸力面上粘接有微陣列膜片結(jié)構(gòu)，所述微陣列膜片結(jié)構(gòu)由基片以及設(shè)置在基片上的均勻分布的若干柔性柱構(gòu)成。本實用新型提出了一種切實可行又經(jīng)濟環(huán)保的槳葉設(shè)計結(jié)構(gòu)，在一定程度上降低了無人機旋翼/螺旋槳的噪聲，能夠滿足不同場合對無人機噪聲水平的特殊要求，提高了無人機的效率，使無人機的續(xù)航能力得到增強，更加節(jié)能環(huán)保，具有經(jīng)濟意義。
【專利說明】
一種低噪聲無人機旋翼/螺旋槳
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型涉及無人機旋翼/螺旋槳降噪技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種低噪聲無人機旋翼/螺旋槳。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)今社會，隨著無人機的技術(shù)越來越進步，愈來愈多的場合可見其身影，如軍事偵察、協(xié)助反恐等，無人機發(fā)揮了很大作用，降低了不必要的損失并提高了成功率。但在某些情況下，其噪聲問題給其安全性帶來隱患，如軍事偵察發(fā)生無人機被發(fā)現(xiàn)并被擊落的事件。無人機被發(fā)現(xiàn)的原因很大程度上就是由于其具有比較大的噪聲，其低空飛行、體積小，不易被雷達(dá)發(fā)現(xiàn)，但噪聲制約著其安全性。針對此類問題，現(xiàn)在世界各國都掀起一股研究低噪聲無人機的熱潮。
[0003]—般來說，噪聲的降低有兩種方法:主動降噪和被動降噪。主動降噪主要是指用相干聲波來抵消已有的噪聲場，抑制產(chǎn)生噪聲的振動源。國內(nèi)南京大學(xué)聲學(xué)所等單位，利用該方法實現(xiàn)了主動降噪，實驗效果非常明顯，但都是處于實驗室研究階段，遠(yuǎn)沒達(dá)到實用的程度。在面對無人機旋翼/螺旋槳在空間分布的復(fù)雜聲場時，這種方式更顯得無能為力。所謂的被動降噪主要包括用吸聲結(jié)構(gòu)來將入射聲波的機械能轉(zhuǎn)化為熱能等其他形式的能量或修飾其外部結(jié)構(gòu)，使得流體更加吸附其表面，減少流體分離脫落，從而降低噪聲的產(chǎn)生。針對無人機旋翼/螺旋槳在空間中快速轉(zhuǎn)動的情況，利用吸聲結(jié)構(gòu)來達(dá)到降噪的目標(biāo)也難以實行。最后為之可行的就是研究如何通過修飾無人機旋翼/螺旋槳的空間結(jié)構(gòu)來達(dá)到降噪的目的。
【實用新型內(nèi)容】
[0004]本實用新型的目的在于提供一種低噪聲無人機旋翼/螺旋槳，能夠取得有效的降噪效果，切實可行，經(jīng)濟環(huán)保。
[0005]本實用新型的技術(shù)方案為:
[0006]—種低噪聲無人機旋翼/螺旋槳，包括槳葉，所述槳葉的前緣為正弦波狀的結(jié)節(jié)結(jié)構(gòu)，所述槳葉的尾緣為等腰三角形狀的鋸齒結(jié)構(gòu)，所述槳葉的翼尖吸力面上粘接有微陣列膜片結(jié)構(gòu)，所述微陣列膜片結(jié)構(gòu)由基片以及設(shè)置在基片上的均勻分布的若干柔性柱構(gòu)成。
[0007]所述的低噪聲無人機旋翼/螺旋槳，所述結(jié)節(jié)結(jié)構(gòu)由若干個結(jié)節(jié)構(gòu)成，所述結(jié)節(jié)的高度取值為0.005L?0.2L，所述結(jié)節(jié)的寬度取值為3mm?30mm，所述結(jié)節(jié)的數(shù)目取值為2?20;其中，L表示單個槳葉的平均弦長，其取值為單個槳葉的水平投影面積與翼展的比值，其單位為mm。
[0008]所述的低噪聲無人機旋翼/螺旋槳，所述鋸齒結(jié)構(gòu)由若干個鋸齒構(gòu)成，所述鋸齒的高度取值為0.0lL?0.4L，所述鋸齒的寬度取值為0.0lL?0.5L，所述鋸齒的數(shù)目取值為3?50;其中，L表示單個槳葉的平均弦長，其取值為單個槳葉的水平投影面積與翼展的比值，其單位為mm。
[0009]所述的低噪聲無人機旋翼/螺旋槳，所述柔性柱的高度取值為0.01%L?30%L，所述柔性柱的底面直徑取值為0.1%qL?30%L，所述柔性柱在基片上的分布密度取值為0.5%?20%;其中，L表示單個槳葉的平均弦長，其取值為單個槳葉的水平投影面積與翼展的比值，其單位為mm。
[0010]本實用新型的有益效果為:
[0011](I)針對無人機旋翼/螺旋槳噪聲的復(fù)雜性，本實用新型提出了一種切實可行又經(jīng)濟環(huán)保的槳葉設(shè)計結(jié)構(gòu)，在一定程度上降低了無人機旋翼/螺旋槳的噪聲，能夠滿足不同場合對無人機噪聲水平的特殊要求。
[0012](2)本實用新型基于耦合仿生的降噪結(jié)構(gòu)是仿照自然界中具有“靜音”飛行特性的貓頭鷹結(jié)構(gòu)得來的，能夠提高無人機的效率，使無人機的續(xù)航能力得到增強，更加節(jié)能環(huán)保，具有經(jīng)濟意義。雖然本實用新型研究對象是針對無人機旋翼/螺旋槳，但是像風(fēng)扇、軸流風(fēng)機、渦輪機等旋轉(zhuǎn)機械都可以使用前緣結(jié)節(jié)結(jié)構(gòu)、尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)和翼尖吸力面微陣列膜片結(jié)構(gòu)這三種結(jié)構(gòu)中的一種或幾種，可以單獨使用抑或組合使用，還可以用來解決飛行器的氣動噪聲問題。
[0013](3)本實用新型給出了上述三種結(jié)構(gòu)參數(shù)的取值范圍，這對實際應(yīng)用中具體結(jié)構(gòu)的尺寸選擇具有指導(dǎo)意義。
[0014](4)本實用新型提出的上述三種結(jié)構(gòu)除了與槳葉固定一體化以外，還可以做成能拆能裝的活動式，以便根據(jù)實際情況加以利用，甚至與控制系統(tǒng)加以組合形成主動降噪系統(tǒng)。
【附圖說明】
[0015]圖1是本實用新型的結(jié)構(gòu)不意圖；
[0016]圖2是圖1的A部放大圖；
[0017]圖3是圖1的B部放大圖；
[0018]圖4是圖1的C部放大圖。
【具體實施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖和具體實施例進一步說明本實用新型。
[0020]如圖1?圖4所示，一種低噪聲無人機旋翼/螺旋槳，包括槳葉I，槳葉I的前緣11采用正弦波狀的結(jié)節(jié)結(jié)構(gòu)，槳葉I的尾緣12采用等腰三角形狀的鋸齒結(jié)構(gòu)，槳葉I的翼尖吸力面上粘接有微陣列膜片結(jié)構(gòu)2，其中，微陣列膜片結(jié)構(gòu)2由基片以及設(shè)置在基片上的均勻分布的若干柔性柱21構(gòu)成。
[0021]結(jié)節(jié)結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)包括結(jié)節(jié)高度a、結(jié)節(jié)寬度b、結(jié)節(jié)數(shù)目M，這三個參數(shù)優(yōu)化后的取值范圍如下:
[0022]結(jié)節(jié)高度a取值在0.005L?0.2L;
[0023]結(jié)節(jié)寬度b取值在3mm?30mm;
[0024]結(jié)節(jié)數(shù)目M取值在2?20。
[0025]鋸齒結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)包括鋸齒高度C、鋸齒寬度d、鋸齒數(shù)目N，這三個參數(shù)優(yōu)化后的取值范圍如下:
[0026]鋸齒高度c取值在0.0IL?0.4L;
[0027]鋸齒寬度d取值在0.0lL?0.5L;
[0028]鋸齒數(shù)目N取值在3?50。
[0029]翼尖吸力面上粘貼的微陣列膜片結(jié)構(gòu)2是采用MEMS技術(shù)加工出圓形硅柱孔陣列或者鎳柱孔陣列模板，再通過澆筑并旋涂PDMS柔性材料，固化后脫模得到的。其中，娃柱孔或鎳柱孔的高度或直徑即為微陣列膜片結(jié)構(gòu)2的單個柔性柱21的高度和直徑。
[0030]下面以硅柱孔陣列模板的制作為例，介紹下工藝過程，選取3英寸硅片用來制作硅柱孔陣列模板，利用L-Edit軟件制作掩膜版圖形，具體制備流程如下:
[0031 ] (I)選用直徑3英寸、晶向為(100)的單面拋光硅片，厚度為500微米，然后對單晶拋光硅片進行化學(xué)清洗，后干燥處理；
[0032](2)在單晶拋光硅片的拋光面上依次生長沉積600納米厚的二氧化硅薄膜和200納米厚的金屬鋁薄膜；
[0033](3)在金屬鋁薄膜上涂上一層厚度為2微米的光刻膠(正膠)；
[0034](4)正面光刻板掩膜曝光；
[0035](5)顯影、定影；
[0036](6)正面鋁的腐蝕窗口打開；
[0037](7)正面二氧化硅的腐蝕窗口打開；
[0038](8)腐蝕去除正面光刻膠；
[0039](9)采用感應(yīng)耦合等離子體(ICP)深刻蝕工藝來刻蝕腐蝕窗口處的硅至設(shè)計的深度，刻蝕沒有金屬鋁掩膜圖形和二氧化硅掩膜圖形保護區(qū)域的單晶硅，直至所需的深度以得到符合設(shè)計的硅柱孔陣列；
[0040](10)去除正面金屬鋁掩膜層；
[0041 ] (11)去除正面二氧化硅掩膜層；
[0042](12)采用噴涂法在硅柱孔陣列表面制作一層含氟基的化合物，以降低其粘附性。
[0043]由于硅柱孔陣列孔徑較小，孔深較大，且陣列的密度高，硅柱孔陣列與PDMS之間因接觸面積大而導(dǎo)致的粘附力很大，如果不對硅柱孔陣列模板進行預(yù)處理，極易造成PDMS脫模后破損，甚至難以脫模。因此，可以采用噴涂法在硅柱孔陣列表面噴涂一層超薄的氟類化合物，降低其粘附性，以便于PDMS從硅柱孔陣列模板上脫模。
[0044]微陣列膜片結(jié)構(gòu)2的主要參數(shù)包括柔性柱21的高度h、底面直徑Φ以及柔性柱21在基片上的分布密度P，其中，柔性柱21在基片上的分布密度P指的是基片上所有柔性柱21的底面積之和與基片面積的比值，這三個參數(shù)優(yōu)化后的取值范圍如下:
[0045]柔性柱21的高度h取值在0.01%L?30%L;
[0046]柔性柱21的底面直徑Φ取值在0.1%qL?30%L;
[0047]柔性柱21在基片上的分布密度P取值在0.5%?20%。
[0048]上述L代表單個槳葉I的平均弦長，其取值為單個槳葉I的水平投影面積與翼展的比值，單位:mm0
[0049]自然界中一些生物經(jīng)過億萬年的進化，形成了具有環(huán)境適應(yīng)性的軀體特征，如貓頭鷹的靜音飛行特性就是其中的典型代表。本實用新型受貓頭鷹的“靜音”飛行啟發(fā)，結(jié)合耦合仿生學(xué)的理論依據(jù)，設(shè)計并制作了前緣結(jié)節(jié)結(jié)構(gòu)、尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)與翼尖吸力面微陣列膜片結(jié)構(gòu)耦合的槳葉，并通過實驗研究得到效果較佳的參數(shù)組合。
[0050]這三種結(jié)構(gòu)在無人機旋翼/螺旋槳降噪中所起的作用是不相同的，前緣結(jié)節(jié)結(jié)構(gòu)主要是提高順氣流方向渦流的動量，增加其附著力，延緩分離，提高升力的同時對抑制噪聲有一定的作用;尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)使得無人機旋翼/螺旋槳尾緣的輻射噪聲得到進一步降低;翼尖吸力面微陣列膜片結(jié)構(gòu)是根據(jù)吸力面上的流體的流動特性設(shè)置的，使得修飾過的流體能夠平緩流向尾緣，某種程度上降低了渦流脫落引起的噪聲。
[0051]這三種結(jié)構(gòu)可以根據(jù)實際需求不同單獨使用于不同對象，抑或兩兩組合(前緣結(jié)節(jié)結(jié)構(gòu)與尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)耦合、前緣結(jié)節(jié)結(jié)構(gòu)與翼尖吸力面微陣列膜片結(jié)構(gòu)耦合、尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)與翼尖吸力面微陣列膜片結(jié)構(gòu)耦合)，皆可有效降低氣動噪聲。
[0052]實驗結(jié)果證明，采用耦合仿生結(jié)構(gòu)的無人機旋翼/螺旋槳，其降噪效果更加明顯，這極大提高了無人機的“靜音”性能，一定程度上保障了無人機的安全性能。
[0053]本實用新型的耦合仿生結(jié)構(gòu)具有可移植性，除了無人機之外，還可以用于其他需要降噪的旋轉(zhuǎn)機械，如軸流風(fēng)機、風(fēng)扇、渦輪機械等，能夠有效降低氣動噪聲。
[0054]以上所述實施方式僅僅是對本實用新型的優(yōu)選實施方式進行描述，并非對本實用新型的范圍進行限定，在不脫離本實用新型設(shè)計精神的前提下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對本實用新型的技術(shù)方案作出的各種變形和改進，均應(yīng)落入本實用新型的權(quán)利要求書確定的保護范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種低噪聲無人機旋翼/螺旋槳，包括槳葉，其特征在于:所述槳葉的前緣為正弦波狀的結(jié)節(jié)結(jié)構(gòu)，所述槳葉的尾緣為等腰三角形狀的鋸齒結(jié)構(gòu)，所述槳葉的翼尖吸力面上粘接有微陣列膜片結(jié)構(gòu)，所述微陣列膜片結(jié)構(gòu)由基片以及設(shè)置在基片上的均勻分布的若干柔性柱構(gòu)成。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低噪聲無人機旋翼/螺旋槳，其特征在于:所述結(jié)節(jié)結(jié)構(gòu)由若干個結(jié)節(jié)構(gòu)成，所述結(jié)節(jié)的高度取值為0.005L?0.2L，所述結(jié)節(jié)的寬度取值為3mm?30mm，所述結(jié)節(jié)的數(shù)目取值為2?20;其中，L表示單個槳葉的平均弦長，其取值為單個槳葉的水平投影面積與翼展的比值，其單位為_。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低噪聲無人機旋翼/螺旋槳，其特征在于:所述鋸齒結(jié)構(gòu)由若干個鋸齒構(gòu)成，所述鋸齒的高度取值為0.0lL?0.4L，所述鋸齒的寬度取值為0.0lL?0.5L，所述鋸齒的數(shù)目取值為3?50;其中，L表示單個槳葉的平均弦長，其取值為單個槳葉的水平投影面積與翼展的比值，其單位為_。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低噪聲無人機旋翼/螺旋槳，其特征在于:所述柔性柱的高度取值為0.01%L?30%L，所述柔性柱的底面直徑取值為0.1%oL?30%L，所述柔性柱在基片上的分布密度取值為0.5%?20%;其中，L表示單個槳葉的平均弦長，其取值為單個槳葉的水平投影面積與翼展的比值，其單位為_。
【文檔編號】B64C27/473GK205418069SQ201620092258
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年1月30日
【發(fā)明人】王山山, 孔德義, 王兵, 張曉曉
【申請人】中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院