Крыло махолета и способ управления движением крыла

 

Изобретение относится к авиационной технике и может быть использовано при конструировании микромахолетов. Предложено крыло махолета, содержащее плечо, кисть и привод управления движением. Плечо и кисть образуют несущую плоскость, которая выполнена в виде закрепленной одним краем мембраны, имеющей токопроводящий слой. Привод сформирован в виде Т-образных, расположенных вдоль поверхности мембраны консолей, каждая из которых содержит токопроводящий слой длиной 2l, параллельный поверхности мембраны, изолированный от нее в месте крепления консоли к мембране и отделенный от нее зазором d, величина которого лежит в пределах 0,1 ≅ d ≅ 1,0 мкм. Длина консоли определяется соотношением 0,01 ≅ d/l ≅ 0,2. Крыло снабжено двумя системами электрических разводок, расположенных на поверхности мембраны и разделяющих крыло на плечо, примыкающее к закрепленному краю мембраны, и кисть так, что длина плеча составляет 0,1 - 0,4 от длины всего крыла. Предложен также способ управления движением крыла, включающий уменьшение отрицательной подъемной силы при движении крыла вверх, в котором уменьшение указанной силы обеспечивают путем раздельной подачи напряжения на плечо и кисть крыла. Изобретение направлено на упрощение конструкции крыла для микромахолета. 2 с.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

Изобретение относится к авиационной технике и может быть использовано при конструировании микромахолетов.

Одной из важных проблем конструирования крыла махолета является минимизация отрицательной подъемной силы при взмахе крыла вверх.

Известен ряд конструкций крыла махолета, которые по-разному решают эту проблему. В крыле махолета [1] используется система клапанов, вмонтированных в плоскость крыла, которые при движении крыла вверх открываются и пропускают сквозь себя воздух, а при движении крыла вниз закрываются и обеспечивают образование подъемной силы. Недостатком такой конструкции является, во-первых, ее сложность, связанная с большим количеством подвижных деталей и, во-вторых, тот факт, что суммарная площадь клапанов в итоге оказывается сравнительно небольшой и сопротивление воздуха при движении крыла вверх (отрицательная подъемная сила) остается значительным.

Известна конструкция крыла махолета [2], в которой уменьшение отрицательной подъемной силы достигается разворотом плоскости крыла при его движении вверх. Это уменьшение в данной конструкции оказывается достаточно эффективным. Недостатком конструкции является невозможность ее непосредственного использования при изготовлении летающих микрообъектов. Другим недостатком является ее сложность, связанная с тем, что к сложному движению крыла добавляется необходимость поворота вокруг дополнительной оси.

Целью настоящего изобретения является обеспечение возможности изготовления крыла для микромахолетов за счет исполнения конструкции по технологии микроэлектроники, а также упрощение конструкции крыла.

Для достижения поставленной цели предложено крыло махолета, состоящее из несущей плоскости и системы привода, в котором несущая плоскость выполнена в виде закрепленной одним краем мембраны, содержащей токопроводящий слой, а система привода сформирована в виде Т-образных, расположенных вдоль поверхности мембраны консолей, каждая из которых содержит токопроводящий слой длиной 2l, параллельный поверхности мембраны, изолированный от нее в месте крепления консоли к мембране и отделенный от нее зазором d, величина которого лежит в пределах (0,1≅d≅1,0) мкм, а длина консоли определяется соотношением 0,01≅d/l≅0,2), при этом крыло снабжено двумя системами электрических разводок, расположенных на поверхности мембраны и делящих крыло на плечо, примыкающее к закрепленному краю мембраны, и кисть, причем длина плеча составляет (0,1-0,4) от длины всего крыла.

Кроме того, предложен способ управления движением крыла, включающий уменьшение отрицательной подъемной силы при движении крыла вверх, в котором уменьшение указанной силы обеспечивают путем раздельной подачи напряжения на плечо и кисть крыла в определенной последовательности: вначале на плечо и на кисть подают одновременно напряжение +V и +V(a+1) соответственно, затем напряжение с кисти снимают, после чего напряжение на плече меняют на -V и в заключение на кисть подают напряжение +V(a+1), после чего указанную последовательность повторяют многократно, при этом напряжение V лежит в пределах 1-100 В, а "a" не менее 0,1.

Принцип электростатического изгиба несущей кремниевой мембраны с помощью консолей-сгибателей заключается в следующем. При подаче напряжения на систему несущая мембрана-консоль (данная система имеет вид конденсатора), возникает сила электростатического притяжения между мембраной и консолью. Так как консоль формируется гораздо более жесткой, чем мембрана, то практически стрела прогиба формируется именно на несущей мембране. Если вдоль крыла разместить ряд таких консолей, то стрелы прогиба складываются и возникает управляемый изгиб крыла в целом.

Количество консолей выбирается из соображений целесообразности и может составлять от единиц до нескольких сотен.

Длина каждой консоли 2l выбирается таким образом, чтобы отношение d/l лежало в пределах 0,01 - 0,2. Это отношение указывает на величину локального изгиба крыла вблизи каждой консоли и поэтому оно не может быть более 0,2, так как такой изгиб приводит к сильным механическим напряжениям вплоть до разрушения. С другой стороны, нижний предел указанного диапазона выбран из соображений целесообразности: дальнейшее снижение этого предела приведет к потере эффективности процесса изгиба несущей мембраны.

Столь малая величина зазора выбрана, во-первых, для обеспечения требуемой величины напряженности электрического поля (10⁵-10⁶ В/см) при напряжениях порядка 10 В, а, во-вторых, из технологических соображений - как типичная толщина слоя в технологии микроэлектроники.

При этом применяется новый способ управления движением крыла, который заключается в том, что путем раздельной подачи напряжения крыло разделяется на две части: одна часть - ближняя к корпусу (плечо) на которое подается напряжение ±V, где V лежит в пределах 1-100 В, вторая часть - дальняя от корпуса (кисть), на которую подается напряжение +(V+aV), где a≥0,1. Причем последовательность подачи этих напряжений представлена в таблице.

Напряжения на плечо и кисть, соответствующие одному такту, подаются одновременно. Данный цикл повторяется многократно в течение всего времени работы крыла.

Выбор указанного диапазона напряжений на плечевую часть продиктован следующими соображениями: напряжения более 100 В могут вызвать пробой, а менее 1 В подавать нецелесообразно из-за низкой эффективности работы.

Выбор диапазона напряжений на кистевую часть, то есть величины "a" обусловлен тем, что эти напряжения должны превышать величину V не менее чем на 10%, то есть a ≥ 0,1, чтобы обеспечить начало процесса закручиваания кистевой части, в то время как плечевая часть только изгибается. Верхний предел для величины "a" в каждом конкретном случае может быть свой и в принципе не ограничивается.

Частота подачи напряжения (другими словами - частота взмахов крыла) может составлять величины от единиц до тысяч герц.

Граница между плечевой и кистевой частью устанавливается на расстоянии (0,1-0,4)L от основания крыла, где L - длина крыла. Смещение этой границы ближе, чем 0,1L нецелесообразно, так как укорачивание плеча вызывает необходимость соответственного увеличения силы. Смещение этой границы дальше, чем 0,4L приводит к увеличению отрицательной подъемной силы.

При выполнении указанных требований поставленная цель будет достигнута.

На фиг. 1 представлена схема четырехтактного движения махового крыла.

На фиг. 2 представлена схема единичной консоли-сгибателя.

На фиг. 3 представлена иллюстрация принципа управляемого электростатического изгиба несущей кремниевой мембраны с помощью консолей-сгибателей.

На чертежах приняты следующие обозначения: Фиг. 1 А - подъем крыла. Б - выпрямление крыла. В - опускание крыла, Г - скручивание крыла. Точка О - сопряжение плечевой и кистевой частей.

Фиг. 2 1. Мембрана-носитель (нижняя обкладка конденсатора).

2. Изолятор.

3. Консоль (верхняя обкладка конденсатора).

λ - Стрела прогиба.

Пример изготовления крыла махолета.

На поверхности кремниевой пластины (см. фиг. 2) формируется слой поликристаллического кремния толщиной 0,5-1 мкм, который впоследствии станет несущей мембраной 1 крыла. На этом слое формируется жертвенный слой из двуокиси кремния толщиной 0,5 мкм, в котором вытравливаются окна для изолирующих подставок 2 для консолей и все покрывается слоем нитрида кремния толщиной 0,1 мкм. Затем наносится второй слой поликристаллического кремния толщиной 0,5-1 мкм, в котором формируется рисунок системы Т-образных консолей 3 и разводки. Общее количество консолей-сгибателей, размещенных по плоскости крыла в несколько рядов, в нашем случае составляет более 1000 шт. Следующий блок операций включает в себя вскрытие обратной стороны и травление кремния снизу вплоть до несущей плоскости крыла. На завершающей стадии проводится удаление защитных диэлектрических покрытий и удаление жертвенного слоя двуокиси кремния. Следует отметить, что все технологические операции проводятся стандартными методами микроэлектроники и специальной разработки новых технологических операций не требуется.

Устройство работает следующим образом.

Изгиб крыла осуществляется электростатическими силами путем подачи напряжения на указанные токопроводящие слои мембраны и системы консолей. Величина этой силы F в расчете на каждую консоль будет равна F = V²Sε_o/2d² где V - напряжение на консоли; d - величина зазора; S - площадь консоли; ε_o - диэлектрическая постоянная.

Полагая, что V = 1 В, S = 6·10¹⁰ м², d = 10^-6 м, ε_o= 3×10⁹/4π, получим оценку для величины этой силы: F ≈ 0,5·10^-8 Н.

Изгиб λ мембраны под действием этой силы оценивается по формуле λ = 3F1/2Eh³b
где l - половина длины консоли;
b - ширина консоли;
E - модуль Юнга;
h - толщина мембраны.

С учетом того, что l = 30 мкм, b = 20 мкм, E ≈ 100 ГПа, h = 1 мкм получим величину изгиба 1 мкм.

То есть при подаче на консоль, расположенную на плече крыла и выполненную по указанным параметрам, напряжения в 1В мы получаем локальный изгиб мембраны на величину 1 мкм, что при длине консоли 30 мкм соответствует изгибу на угол 1/30 рад. Суммарный угол поворота для расположенных в одном ряду 30 консолей, которые находятся на плече, составит 1 рад.

На кистевой части количество консолей более чем вдвое превышает количество консолей на плече и составляет, в одном ряду, более 60 шт. Кроме того, напряжение на эти консоли составляет, как указано выше, более чем 1,1 от напряжения на плече. В нашем случае это 1,5В. С учетом этого, а также с учетом квадратичной зависимости силы от напряжения, получим суммарный угол изгиба кисти более 4,5 рад, что уже соответствует не простому изгибу, а закручиванию мембраны.

Эти оценки показывают, что небольшими изменениями в выборе подаваемого напряжения легко обеспечить такое функционирование крыла, чтобы плечевая часть для создания махового усилия могла изгибаться в пределах ±π/2, а кистевая часть, которая перед махом крыла вверх скручивается, а перед махом крыла вниз распрямляется, имела диапазон изгиба более чем 0-π.
Такое функционирование крыла обеспечит возможность изготовления летающих микрообъектов, которые найдут применение в авиации, военном деле, народном хозяйстве и т.д.

Источники информации.

1. Патент РФ N 2043950 от 01.06.92, кл. B 64 C 33/00.

2. Авт. св. СССР N 1818274 от 16.08.90, кл. B 64 C 33/00.

Формула изобретения

1. Крыло махолета с несущей плоскостью, содержащее плечо, кисть и привод управления движением, отличающееся тем, что упомянутые плечо и кисть выполнены в виде мембраны, на поверхности которой размещен упомянутый привод, сформированный из обкладок конденсатора и двух систем электрических разводок, одна из которых соединена с каждой обкладкой конденсатора на поверхности упомянутой мембраны, а другая соединена с обкладкой конденсатора на поверхности каждой из Т-образных консолей, расположенных вдоль упомянутой мембраны, при этом каждая упомянутая Т-образная консоль имеет токопроводящий слой длиной 2l, расположенный параллельно поверхности мембраны, изолированный от нее в месте крепления консоли к мембране и отделенный от нее зазором d, величина которого лежит в пределах 0,1≅d≅/l≅1,0 мкм, а длина консоли определяется соотношением 0,01≅d/l≅0,2, причем длина плеча составляет 0,1-0,4 от длины всего крыла.

2. Способ управления движением крыла махолета по п.1, основанный на уменьшении подъемной силы при движении крыла вверх, отличающийся тем, что упомянутое уменьшение подъемной силы обеспечивают путем электростатического изгиба при раздельной подаче напряжения на плечо и кисть крыла в следующей последовательности: вначале на плечо и кисть подают одновременно соответственно напряжение +V и +V(a+1), затем напряжение с кисти снимают, а на плечо подают напряжение -V, в заключение на кисть подают напряжение +V(a+1), при этом величина напряжения V лежит в пределах 1-100В("а" не менее 0,1.)

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4