CN101665155A - 一种可以进行飞行控制的具有组合扑翼的扑翼式飞机 - Google Patents

Abstract

一种可以进行飞行控制的具有组合扑翼的扑翼式飞机，按国际专利技术分类为B64C33/00。本发明涉及一种可以进行飞行控制的具有组合扑翼的扑翼式飞机。本发明的目的在于提供一种廉价、安全、节能、无噪声、无污染，起降又比较随意的新型飞行器，使人类的中短途交通变得更加便捷。本发明对于扑翼飞行的研究产生了新的认识，依照这一认识将扑翼扑击空气产生升力和推力的特性，与扑翼同时还控制飞行的特性作为两个方面来解决。据此提出的扑翼组合解决方案，使扑翼扑击空气产生升力和推力的连续性得到极大改善，同时提出了利用控制面来解决飞行控制的技术方案。扑翼机的飞行原理和结构决定了它轻型飞机的适用范围，也可以制成微型无人机完成空中探测任务。

Description

一种可以进行飞行控制的具有组合扑翼的扑翼式飞机

所属技术领域

本发明涉及一种可以进行飞行控制的具有组合扑翼的扑翼式飞机，按国际专利技术分类为B64C33/00。

背景技术

《中国大百科全书》(航空卷)[扑翼机]条指出“机翼能像鸟和昆虫翅膀那样上下扑动的重于空气的航空器，又称振翼机。扑动的机翼不仅产生升力，还产生向前的推进力。自古以来，人类一直向往着能像鸟那样在天空中自由飞翔，并试图模仿鸟和昆虫的飞行制造各种形式的扑翼机。中国春秋时期(公元前770～前481年)就有人试图制造能飞的木鸟。15世纪意大利的L.达.芬奇绘制过扑翼机的草图。1930年，一架意大利的扑翼机模型进行过试飞，它重约22.7公斤，装有一台0.37千瓦(0.5马力)的发动机。扑翼机的设计方案中，有的形如蝙蝠，具有薄膜似的扑动翼面；有的装有带缝隙和活门的扑动翼，具有类似飞鸟翅膀的作用。鸟类和昆虫的飞行表明，扑翼机在低速飞行时所需功率比普通飞机小得多，并且具有优异的垂直起落能力。但是要真正实现像鸟类翅膀那样的复杂运动或是像蜻蜒和其他昆虫翅膀那样的高频扑扇运动则非常困难。设计扑翼机所遇到的控制技术、材料和结构方面的问题一直未能解决。扑翼机仍停留在模型制作和设想阶段。尽管如此，仍有不少科学家和业余爱好者致力于扑翼机的研究工作。”

目前人们对扑翼的空气动力学现象有多种不同的见解，《航空模型》杂志2003年第二期刊出作者吴永高的《翱翔在空气的“海洋”中》，文章介绍了几种比较典型的认识，现在结合我的概括，排列如下：

1、“气门说”，他认为鸟类的羽翼上存在着无数的气门，当羽翼完成一个扑击动作后上行回位过程中造成翼下真空，于是气门打开空气进入到扑翼下面，当羽翼下行扑击空气时气门关闭，扑翼下面压强增大产生升力…

2、“划水说”，他认为鸟类飞行是由于羽翼扑击空气产生升力，同时又进行复杂的划水样的动作产生推力进行飞行。

3、“空气涡流说”，二十世纪五十年代中期兴起了涡空气动力学，依据这一空气动力学原理，英、法联合研制了“协和号”超音速喷气式客机并取得成功。后来空气动力学家通过分析推测--自然界能飞行的动物几乎都具有在极大迎角下利用和控制非定常脱体涡升力的能力。就是说鸟类或昆虫可以高难度飞行是由于“扑翼产生的空气涡流会环绕上下翼面运动。”

4、“压缩气室说”：二十世纪八十年代(或稍前)出现了“压缩气室说”，它认为羽翼扑击空气时在羽翼下面的凹窝处形成了一个压缩气室，并且使压缩空气从羽翼的后缘挤出形成推力。

此外《航空知识》杂志2002年第三期作者鲁思撰文《扑翼飞行：梦想与现实》介绍加拿大多伦多大学的师生，研制出世界第一架载人扑翼飞机，由于没有解决控制技术，当时其只可以在地面高速滑跑，这一情况证明了：困扰人类扑翼飞行的关键问题并不在于升力和推力，而只是控制技术。

记不清02年还是03年了，电视的科普节目中一位航空飞行器教授在为扑翼机爱好者回答问题时说：鸟类扑翼飞行非常复杂，它的翅膀是需要三维动作的，所以我们必须研究可以三维动作的扑翼，而那是很久以后的事……。

以上《百科全书》关于[扑翼机]词条的介绍，是最权威、最客观、最全面地将扑翼机目前的自然状态，它包含了历史、仿生学原理、空气动力学现象，以及扑翼机研究过程中所面临的最大难题的客观介绍。而两本杂志里的文章则以科普的形式分别介绍了理论研究现状和扑翼飞行的解决技术方案现状。以下就这两个“现状”谈一下我的看法。首先说“气门说”，大约是在五年前，一位硕士在与我进行扑翼飞行原理探讨时向我介绍了这种奇妙，但是当求教这理论是如何产生，又如何验证时，其无言……；接下来“划水说”，其实这就更难成“说”，因为让人感到翼尖的几根羽毛有划水样动作的只有极少的两三种鸟，即使产生了百分之一、二的推力，对于解释扑翼飞行也是无助的；再接下来是“空气涡流说”，对这理论我还结合着读过三、四篇其它专著，没有办法把它和扑翼飞行联系起来，有一种神乎其神的感觉，或许它们从来就不着边，是极不严肃的好事者以此故弄玄虚。最后是“压缩气室说”我十几年前第一次接触这一理论，就感到它与羽翼

形非常贴切，是在讲羽翼与空气相作用所产生的现象，是扑翼空气动力学的初始论述。

电视节目中教授的解释是告诉人们经过研究还没找到可行的路径，或是在说这是一扇打不开的门。明显的这是一个很有代表性的消极论调和态度。但是，他仍然给了我们一个提示，即：通向人类扑翼飞行路上的阻碍，只是由于控制技术得不到解决。因为那个三维扑翼的设想完全是为了解决扑翼飞行控制而提出的。

综上，明确显示了本发明的背景尚称不上技术，基本上只是处在一个“猜想阶段”。

发明内容

本发明的目的在于提供一种廉价的、安全的、节能的、无噪音、无污染的，起降又比较随意的新型飞行器，以此探寻人类短途交通的部分领域中以扑翼飞行取代车轮公路交通，而实现进一步意义上的立体交通。

研发过程中首先选定鸟类的羽翼

形。由于鹰、鹤、雁、鸽、雀等各种鸟类的羽翼

形均不尽相同，使我们无从得到标准羽翼形的各项参数，只好在今后的实验阶段再作进一步的研究，现在根据它们翼形的共同的特点总结设定了最初进行实验的翼形特征，并约定相关部位的名称，如图1所示：翼下面的穹隆和与之对应、位于上面的翼脊应该位于前半部分的中部，即1/4分切点前后，穹隆高度约为翼弦的10％～15％，穹隆的前面与翼脊的前面都是由弧线向前缘自然过渡，穹隆的后面被称作迎面，它与翼脊的后面都是以弧线自然过渡为直线向后缘连接。

在研究扑翼机的过程中，还始终明确必须首先搞明白扑翼空气动力学原理，然后依照飞行理论的指导去探寻人类的扑翼飞行解决之道。首先将羽翼与空气相作用的几种情况进行了分析，现将其中四种比较典型的情况介绍如下：

第一种是大型鸟类上下扑动翅膀平跑起飞最初的情况，如图2所示。羽翼的翼弦与空气呈90°相作用，我们看到穹隆的前、后面(迎面)是角度不同而相向的两个斜面，当空气压向穹隆时，与空气接触角度小的斜面(前面)最先被空气挤入，于是在两个斜面之间形成了压缩气室，在后续气流作用下产生了多米诺骨牌效应，压向穹隆的空气全被推向后缘，在后缘逸出时形成推力。这一分析也是对“为什么扑翼扑击出来的空气具有方向性”的解释。羽翼的扑击同时使翼上面产生负压，上下翼面的压強差即是升力。分析显示了翼弦是进气口，后缘是出气口，进、出气口的口径与气流速度成反比。

第二种是对鸟类进入定常飞行状态的分析，如图3所示，定常飞行中羽翼与气流相作用的分析是依飞行速度线和扑击速度线复合而成的复合速度线进行的，是扑翼飞行中切实显示产生升力和推力的最基本的扑击气动分析图，它显示了羽翼是如何将与飞行速度相同、方向相反的气流加速成为推力的，与图2相比“进气口”的形状有了很大改变，进气量也有增加。

第三种是鸟类进入滑翔飞行状态的分析，如图4所示，滑翔中的飞鸟展开双翼与气流作用，此时它要借自身重力不断降低高度来增加双翼与气流的作用，所以虽然保持着平飞的姿态，取得的却是一条由高而低的飞行轨迹。说明穹隆的迎面与气流作用并受到后续气流的挤压，气体从后缘挤出时仍然形成推力。另外，飞鸟借助逆流和上升气流也可以提升自己的滑翔高度。

第四种是垂直起降的气动力分析，如图5所示，当鸟儿需要垂直起飞时，它会一跃而起竖立着身体两翼水平方向前后奋力疾速扑击空气，驱使压缩气体按一定方向从扑翼前缘向后缘移动的关键仍然是穹隆的前面，略为小的接触角度使从前面进入的空气将整个气室的空气推向后缘并挤出，形成推力。与第一种情况的不同只在于体位和方向不同，速度和力度不同，穹隆处的气动力原理是完全一样的。与其它几种飞行状态不一样，这时的推力和升力相重合成为一个力，我们叫它推升力，推升力大于重力时起飞；推升力等于重力时悬停；推升力小于重力时降落。从气动分析图上可以看到它所形成的进气口与翼弦重合，出气口仍然是后缘，说明空气被最大限度地加速了，也说明它需要最大的扑击力度，并且所产生的克服自身重力的推升力也相当强劲。

综上我们获得了“扑翼空气动力学”理论性初步认识：

1、在扑翼飞行过程中无论是起飞、常飞、滑翔或垂直起降等，哪一种飞行状态，扑翼都与气流相互作用产生升力和推力。

2、从空气动力学分析图上可以观察到在扑翼下面的穹隆处形成压缩气室，气流由“进气口”进入到气室，被加速后从“出气口”逸出时形成直接推力，扑翼扑击空气是扑翼作为发动机直接将空气加速产生反作用推力的过程；

3、在扑翼上面向上凸起的“翼脊”处，依流体连续性定理和伯努利定理，气流速度加大，从而使上表面的压强减小。由于扑翼上面压强小，下面压缩气室压强大，两者之差就形成了升力。

本发明在这一扑翼空气动力学原理的指导下提出了扑翼飞行的解决方案：首先是将“扑翼飞行”和“飞行控制”这两大功能分而治之，使扑翼扑击空气只产生升力和推力，而将扑翼的控制功能交由操纵面来完成。在解决“扑翼飞行”方面，刻意提高升力和推力的连续性，改善飞行品质，提出了具有内扑翼、外扑翼、主动扑翼、驱动架、铰链板和固定翼的扑翼式飞机‘扑翼组合’技术方案：固定翼在机身两侧展开，在翼端铰接的铰链板向上与两侧扑翼的中部铰接，并且由此将扑翼分为内、外扑翼，两侧的内扑翼又与中间的主动扑翼铰接，主动扑翼直接受置于机身的平行四边形机构驱动架的推拉驱动，驱动机构的铰接轴和上滑道置于其上。平行四边形机构的驱动是由曲柄连杆机构推拉平行四边形机构的交叉点来改变平行四边形机构的高度来完成的。以上这一扑翼与辅助机构的组合被称作‘扑翼组合’或‘扑翼副’，因为在以后的机型设计上会采取多组扑翼副纵列设计以获取尽可能大的升力和推力，尽量扩展适用范围。扑翼的组合设计是为了改变扑翼回程时造成的升力和推力迅速减弱甚至消失的情况，内、外扑翼交替扑击使升力和推力的连续性得到了极大的改进。

本发明的另一部分，扑翼机飞行控制技术的解决方案：由于本发明在研究的过程中设计了一对固定翼，所以很自然地将固定翼飞机的横向控制移植到扑翼机上来，解决了扑翼机的横向控制问题。还由于本发明采取了组合扑翼设计，所以方向舵可以由设置在铰链板上的阻力板机构代替，当需要转向时驾驶员可以操纵一侧的阻力板装置，打开一个角度造成合适的偏航力矩，达到转向目的。在纵向控制的设计上，为了让升降舵不受扑翼工作的影响，所以将其设计成前置的鸭翼，而且即使是在纵列式机型的设计中，因为需要更大的俯仰力矩，仍将采取升降舵前置。纵列式扑翼机是将两个以上的扑翼副串列设计，传动轴依机身串联，使扑翼工作同步，减少飞行阻力。

附图说明

图1羽翼

形各部位标示：①穹隆的前面  ②翼脊  ③穹隆  ④翼弦⑤穹隆的迎面

图2起飞时的气动分析

图3定常飞行中的气动分析

图4滑翔时的气动力分析

图5垂直起降时的气动力分析：

图6鸭式扑翼机主视图。①外扑翼  ②铰链板  ③固定翼  ④内扑翼  ⑤驱动架⑥主动扑翼

附图所示是本发明的鸭式布局设计，这种设计采用了一组扑翼副并且将升降舵前置，是最简单的设计，也是计划中的试飞机型。附图中的机身、机首采取了简单线条的‘概念机’的画法，而在试飞机型的设计中，驾驶舱悬挂在固定翼下方，升降舵固定在管材桁架机身前端。

图7鸭式扑翼机俯视图和仰视图。以对称轴点划线为界左半部分是俯视图，右半部分是仰视图。

图8鸭式扑翼机侧视图。

图9纵列式扑翼机主视图。

图10纵列式扑翼机俯视图和仰视图。以对称轴点划线为界左半部分是俯视图，右半部分是仰视图。

图11纵列式扑翼机侧视图，首尾的两个扑翼副显示了两种扑击动作，实际飞行中应该是一致的。

图12提高扑翼结构刚性的示意图。①钢索  ②翼桁架

图13提高扑翼结构刚性的示意图之俯视图

图14提高扑翼结构刚性的示意图之侧视图①扑翼  ②翼桁架③钢索

图15偏航机构之阻力板机构示意图之主视图  ①扑翼②阻力板转动套筒③轮盘④阻力板⑤固定翼

图16偏航机构之阻力板机构示意图之俯视图  ②阻力板转动套筒③轮盘④阻力板⑤固定翼

具体实施方式

将一架鸭式扑翼机的扑翼、铰链板和驱动架拿开，我们会发现眼前是一架无动力长方形固定翼鸭式机。所以利用现有技术造一架长方形固定翼鸭式机是很便当的，我们只要对扑翼、铰链板，驱动架，以及控制系统加以特殊的重视。试验机要采取的是至为简单的超轻设计，以达到便于制做，便于改良调整。具体实施的设想便是：

1、固定翼是主要部件之一，由于驱动架推拉扑翼进行工作使得翼梁应力变化频繁，所以应该注意保证其強度。设计中固定翼梁架的承力部分应采用镂空轻金属或轻金属复合材料，既要保证强度，又要便于与翼端的铰链轴和翼中央的驱动架结合座固定连接，制作过程必须保证其几何形状，不得扭曲。

2、铰链板的设计采取了便于拆解的组合设计，即：固定翼端的铰链轴、扑翼中部的铰链轴、两根铰链板连杆、铰链板芯板。组装时先装连杆再装芯板，并且零件加工简单。

3、扑翼的制做：为了保持翼形稳定不变，以及保持翼的長向在扑击过程中具有很好的刚性，设计了高度约为穹隆高度的二至三倍的翼桁架依扑翼中间的铰链轴以适当间隔向两侧均布，在翼桁架的上面以适当间隔，高強度地固定连接铺设一层炭纤维型材作为扑翼的骨架，再于翼桁架的底部牵拉两根钢索并适度预加应力后固定，向翼尖扇形部位适当增加钢索数量，在内扑翼的翼端不设翼桁架，钢索至此与居于翼弦高度上的铰链轴固定张紧，扑翼表层面要与骨架结合紧固，过渡面要舒缓光滑。见图11

4、平行四边形机构驱动架：要求撑杆的设计、制作方面都要注意精度和强度，位于主动扑翼和机身的“动点”，也要求进行精细、灵巧的设计，并且选定滚动滑轨。制作过程要求首先进行安全强度试验，以保证达到预定的安全系数。

5、鸭式试验机的总体设计，以一个管材制成的联系梁将鸭翼和扑翼副联系起来，而将驾驶座悬挂于固定翼中间下方，轮子在座椅两侧以“后三角”式分布。

6、阻力板的位置选在铰链板后部，其转动轴就利用了铰链板的连杆，在它上边设计了套管和转动轮盘，以便牵动拉线操纵套管上的阻力板。阻力板的面积约在0.05～0.1m²之间。见图

7、动力设想采用直流电机和可充电电瓶，在载人飞行的设计中，扑击频率5～10次/分。在无人机的设计中，机型会趋于小型化，故扑击频率应该提高至30～60次/分。

8、进行实施纵列式扑翼机时，传动轴依机身将扑翼副串联起来，使扑翼同步工作。

Claims (6)

1、一种可以进行飞行控制的具有组合扑翼的扑翼式飞机，同其它扑翼式飞机一样，都具有扑翼和机身，其特征是设计了控制系统，并且将扑翼进行了组合设计。

2、根据权利要求1所述的扑翼式飞机，其特征是：组合扑翼的设计包括了固定翼、铰链板、内扑翼、外扑翼、主动扑翼、驱动架。

3、根据权利要求2所述的扑翼，其特征是具有典型的鸟类的翼形，为了保持翼形稳定不变，以及保持翼的長向在扑击过程中具有很好的刚性，设计了高度约为穹隆高度的二至三倍的翼桁架依扑翼中间的铰链轴以适当间隔向内外扑翼均布，再于翼桁架的底部牵拉两根钢索并适度预加应力后固定，向翼尖扇形部位适当增加钢索数量。

4、根据权利要求2所述的驱动架，其特征是置于机身并与两侧固定翼翼端于纵向平齐，平行四边形机构驱动架的动点设计采取了滚动滑轨设计，动力通过曲柄连杆机构推拉平行四边形机构的交叉点实现驱动。

5、根据权利要求1所述的扑翼机控制系统，其特征是将横向控制系统置于固定翼，偏航控制系统是设置在铰链板上的阻力板装置，升降舵前置。

6、根据权利要求1所述的扑翼式飞机，其特征是：可以将两个以上的扑翼副进行纵列式设计，横向控制系统置于固定翼，偏航控制系统是设置在铰链板上的阻力板装置，升降舵前置。

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