CN107364575A - 一种扑翼飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种扑翼飞行器，它包括骨架、动力输出端做直线往复运动的动力机构和翼面；所述动力机构安装于骨架内；所述翼面对称设置在骨架的两侧,两侧翼面之间通过弹性部件连接为一体构成扑翼；所述扑翼中部的弹性部件与动力机构的动力输出端连接，动力机构的动力输出端做直线往复运动时带动扑翼两侧的翼面以骨架的支撑点为支点做杠杆运动，运动过程中弹性部件存储或释放弹性势能；所述翼面向上运动时上迎风面所受空气阻力小于翼面向下运动时下迎风面所受空气阻力。采用翼面上下扑动获取升力，翼面拍打空气，并通过控制重心、尾翼以及扑动力度和角度来调节飞行姿态，实现在空中自由翱翔。

Description

一种扑翼飞行器

技术领域

本发明涉及低速航空领域，尤其是一种扑翼飞行器。

背景技术

飞行器是在大气层内或大气层外空间飞行的器械，现有的飞行器主要是固定翼飞机、旋翼飞行器；固定翼飞机、旋翼飞行器是通过给空气加速，产生巨大反向的动量作为交换。固定翼飞机升力来自于其翼面，翼面要有足够的水平速度，且翼面截面的形状设计要符合上凸下平的流线型，使得空气流过时产生上下压力差，形成升力，缺点是要有较长的起飞跑道、发动机向后推动空气获取向前的水平速度，耗费巨大的能源，另外由于固定翼飞行需要对水平速度有要求，不能失速，所以无法适应低速飞行的需求。旋翼飞行器最具代表性的就是直升飞机，高速旋转的螺旋桨向下推送空气，从而获取升力，这种方式所消耗的能量是非常惊人的，直升飞机的悬停要燃烧很多汽油。扑翼飞行具有很好的机动性和灵活性，相比于固定翼飞行，在低雷诺数下，能够充分利用有效的风阻面积上下扑动翼面获取向上的升力，具有很高的飞行稳定性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是在于针对上述现有技术中的不足，提供一种扑翼飞行器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是: 一种扑翼飞行器，它包括骨架、动力输出端做直线往复运动的动力机构和翼面；所述动力机构安装于骨架内；所述翼面对称设置在骨架的两侧, 两侧翼面之间通过弹性部件连接为一体构成扑翼；所述扑翼中部的弹性部件与动力机构的动力输出端连接，动力机构的动力输出端做直线往复运动时带动扑翼两侧的翼面以骨架的支撑点为支点做杠杆运动，运动过程中弹性部件存储或释放弹性势能；所述翼面向上运动时上迎风面所受空气阻力小于翼面向下运动时下迎风面所受空气阻力。

更进一步的，所述动力机构为电磁振动机，电磁振动机包括动力端、连接端和控制系统；所述动力端包括导轨，所述导轨上设置有磁铁和限位装置, 所述磁铁包括固定磁铁和若干滑动磁铁，所述固定磁铁固定安装，所述滑动磁铁设置于固定磁铁一侧与导轨滑动配合, 所述导轨的外端部固定有能够限制滑动磁铁脱轨的限位装置；相邻两块磁铁中至少有一块为能够改变磁极方向的磁铁，相间隔的两块磁铁磁极方向一致；所述相邻两块磁铁相邻的磁极为同性时则会互相排斥，且滑动磁铁滑向固定磁铁相反的方向，相邻两块磁铁相邻的磁极为异性时则会互相吸引，且滑动磁铁滑向固定磁铁，在交变电流的作用下滑动磁铁在导轨上做往复运动；所述滑动磁铁中最外侧的一块磁铁通过传动机构与扑翼中部的弹性部件连接；所述连接端与骨架固定安装；所述控制系统与电磁铁的线圈通过导线或滑动接触连接。

更进一步的，每个电磁铁的线圈单独与控制系统连接或电磁铁的线圈汇总与控制系统连接。

更进一步的，所述滑动磁铁由若干个电磁铁和若干个永磁铁组成；所述永磁铁的磁极方向一致且每两个相邻的永磁铁之间设置有奇数个电磁铁。

更进一步的，所述限位装置为限制滑动磁铁位置的限位端头；所述限位端头为电磁铁或限位端头的内部设置有电磁铁；所述限位端头上设置有缓冲作用的弹簧。

更进一步的，所述翼面包括翼骨和设置在所述翼骨上的若干翼扇；所述若干翼扇构成翼面的上、下迎风面，翼面向上运动时上迎风面所受空气阻力小于翼面向下运动时下迎风面所受空气阻力。

更进一步的，所述翼扇向下的面为平面型，所述翼扇的向上的面为流线型；所述若干翼扇之间间隔距离相等。

更进一步的，所述翼扇包括主动式翼扇和被动式翼扇；所述主动式翼扇为依靠气流作用单向开启或闭合的翼扇，翼面向上运动时向下的空气阻力将翼扇开启，翼面向下运动时向上的空气阻力将翼扇闭合；

所述被动式翼扇采用百叶窗式翼扇；

所述百叶窗式翼扇由若干层翼骨和翼扇构成；每层翼骨上间距相同的安装若干翼扇；每层翼骨分别连接各自的驱动机构，驱动机构拉动相邻两层翼骨的位移量依次递增或递减，各层翼骨上的翼扇相互重叠时，翼扇开启；各层翼骨上的翼扇相互错开时，翼扇闭合；

所述翼面向上运动时翼扇开启，气流由翼扇间的空隙通过，减小翼面所受空气阻力；翼面向下运动时翼扇闭合，增大翼面所受空气阻力。

更进一步的，所述弹性部件为板形或条形的弹性材料，弹性材料包括钢板弹簧、合金材料、碳纤维材料或玻璃纤维弹性材料。

更进一步的，所述骨架的前端设置有扑翼飞行头；所述骨架的后端设置有扑翼飞行尾翼。

更进一步的，所述骨架内设置重心调整装置。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明不同于传统的固定翼、旋翼的飞行方式，类似鸟类飞行方式，采用翼面上下扑动获取升力，翼面拍打空气，并通过控制重心、尾翼以及扑动力度和角度来调节飞行姿态，实现在空中自由翱翔。弹性扑动机构上下扑动时可呈现不同空气阻力的翼面；动力机构的作用使弹性部件发生周期性弹性形变，并带动翼面上下扑动，翼面受到空气阻力的作用也能使弹性部件发生形变，弹性部件将重力势能、弹性势能及动能相互转化，由于上下扑动是相反的运动，弹性部件有效的缓冲、吸收翼面和动力机构的能量，为随后反向的运动提供助力；下扑时翼面受到的空气阻力方向向上且绝对值大于上扑过程中翼面受到的向下的空气阻力，有效的获取升力。翼面和动力机构之间靠弹性扑动机构连接，弹性扑动机构是翼面和动力机构的桥梁和能量缓冲器。

附图说明

图1所示为本发明的结构示意图；

图2所示为本发明的动力机构结构示意图；

图3所示为本发明控制系统连接结构示意图；

图4所示为本发明控制系统结构的另一种连接结构示意图；

图5所示为本发明主动式翼扇的结构示意图；

图6所示为本发明被动式翼扇的开启结构示意图；

图7所示为本发明被动式翼扇的闭合结构示意图；

图8所示为本发明翼扇的结构示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“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发明和简化描述，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发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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，可以是两个部件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，一种扑翼飞行器，它包括骨架1、动力输出端做直线往复运动的动力机构3和翼面4；所述动力机构3安装于骨架1内；所述翼面4对称设置在骨架1的两侧, 两侧翼面1之间通过弹性部件5连接为一体构成扑翼；所述扑翼中部的弹性部件5与动力机构3的动力输出端连接，动力机构3的动力输出端做直线往复运动时带动扑翼两侧的翼面4以骨架1的支撑点为支点做杠杆运动，运动过程中弹性部件5存储或释放弹性势能；所述翼面4向上运动时上迎风面所受空气阻力小于翼面4向下运动时下迎风面所受空气阻力。

所述动力机构3带动所述弹性部件5弹性形变，所述弹性部件5带动所述翼面4运动，所述翼面4受力运动带动所述弹性部件5弹性形变用于存储弹性势能；动力机构3的作用使弹性部件5发生周期性弹性形变，并带动翼面4上下扑动，翼面4受到空气阻力的作用使弹性部件5发生形变，弹性部件5将重力势能、弹性势能及动能相互转化，翼面4上下扑动是相反的运动，弹性部件5有效的缓冲、吸收翼面4和动力机构3的能量，翼面4下扑时受到的空气阻力方向向上且大于上扑过程中翼面4受到的向下的空气阻力，有效的获取升力； 弹性扑动机5构符合胡克定律，F=kX 其中k为弹性系数，X为形变量，其弹性形变的方向与与之相连的翼面的扑动方向一致，正向、反向弹性形变是相对于翼面上、下扑动方向而言的，重力始终向下；翼面4受空气阻力的方向与其运动方向相反，翼面4表现为上扑时，弹性部件5被迫变形，正向弹性形变，形变程度越大，则存储的弹性势能越大，具备助力翼面4下扑的能力就越大；当动力机构3的作用反向弹性形变时，与之相连翼面4随之下扑；受力正向弹性形变时，与之相连机翼随之上扑。

如图2、3、4所示，所述动力机构3为电磁振动机，电磁振动机包括动力端、连接端34和控制系统；所述动力端包括导轨31，所述导轨31上设置有磁铁和限位装置, 所述磁铁包括固定磁铁32和若干滑动磁铁33，所述固定磁铁32固定安装，所述滑动磁铁33设置于固定磁铁32一侧与导轨31滑动配合, 所述导轨31的外端部固定有能够限制滑动磁铁33脱轨的限位装置；相邻两块磁铁中至少有一块为能够改变磁极方向的磁铁，相间隔的两块磁铁磁极方向一致；所述相邻两块磁铁相邻的磁极为同性时滑动磁铁滑33向固定磁铁32相反的方向，相邻两块磁铁相邻的磁极为异性时滑动磁铁33滑向固定磁铁32，滑动磁铁33在导轨31上做往复运动；所述滑动磁铁33中最外侧的一块磁铁的动力输出端322通过传动机构35与扑翼中部的弹性部件5连接；所述连接端34与骨架1固定安装；所述控制系统36与电磁铁的线圈37通过导线或滑动接触连接。

所述滑动磁铁33由若干个电磁铁和若干个永磁铁组成；所述永磁铁的磁极方向一致且每两个相邻的永磁铁之间设置有奇数个电磁铁。

每个电磁铁的线圈37单独与控制系统36连接或电磁铁的线圈37汇总与控制系统36连接。

所述限位装置为限制滑动磁铁位置的限位端头321；所述限位端头321为电磁铁或限位端头321的内部设置有电磁铁；所述限位端头321上设置有缓冲作用的弹簧323。

所述滑动磁铁33可以在沿着导轨32方向能够良好的上下滑动，其它维度上不能移动或转动；两个磁铁之间的磁力大小除了和磁场强度有关之外，跟距离的平方成反比，所以当磁铁间距离变大时，其磁力会急速变小，两个磁铁距离越近，它们之间的作用力就越大，距离越远，作用力越小，因此，在能够提供相同磁力的条件下，当需要输出较大振幅的振动时，需要排列更多的磁铁，以达到对输出机械振动磁力和振幅的要求；弹簧323起到缓冲撞击保护的作用，并可以将多余的动能存储成弹性势能，在后续的振动周期释放出来。

更进一步的，所述动力机构3可以为人力的、发动机动力的或人力和发动机混合动力的，所述人力可以采用单人动力、双人动力、多人动力，所述发动机可以采用单发动机或多发动机，所述发动机的动力可以采用太阳能动力、电磁动力等不同形式。

如图5、6、7、8所示，所述翼面4包括翼骨41和设置在所述翼骨41上的若干翼扇42；所述若干翼扇42构成翼面4的上、下迎风面，翼面4向上运动时上迎风面所受空气阻力小于翼面4向下运动时下迎风面所受空气阻力。

所述翼扇42向下的面为平面型，所述翼扇42的向上的面为流线型；所述若干翼扇42之间间隔距离相等。

更进一步的，所述翼扇42包括主动式翼扇和被动式翼扇；所述主动式翼扇为依靠气流作用单向开启或闭合的翼扇，翼面4向上运动时向下的空气阻力将翼扇开启，翼面4向下运动时向上的空气阻力将翼扇闭合；

所述被动式翼扇采用百叶窗式翼扇；

所述百叶窗式翼扇由若干层翼骨和翼扇构成；每层翼骨上间距相同的安装若干翼扇；每层翼骨分别连接各自的驱动机构，驱动机构拉动相邻两层翼骨的位移量依次递增或递减，各层翼骨上的翼扇相互重叠时，翼扇开启；各层翼骨上的翼扇相互错开时，翼扇闭合；

所述翼面4向上运动时翼扇开启，气流由翼扇间的空隙通过，减小翼面4所受空气阻力；翼面4向下运动时翼扇闭合，增大翼面4所受空气阻力。

主动式翼扇与所述翼骨41固定连接，依靠气流作用于翼面4的方向带动所述翼扇42的开启或闭合；上扑时气流将翼扇42自动打开，下扑时气流将翼扇42自动闭合，通过气流作用于翼面4的方向，通过单向透气的方式获得有效的升力。所述翼扇42向下的面为平面型，所述翼扇42的向上的面为流线型。

翼面受到的风阻就是空气阻力F，符合公式 F=½CρSV² 其中C为空气阻力系数，C与翼面4的面积、光滑程度和形状有关，ρ 为空气密度，S为迎风面积，V 为翼面运动速度，部分或全部改变这些量C、V、S，就可以改变翼面受到的空气阻力F。通过调整翼面4的迎风面积（迎风面积S也称为有效风阻面积S），向上扑动时S越大，则获得升力的效率就越低，向上扑时S越小，则获得升力的效率就越高；下扑时翼面4闭合状态，上扑时翼面4打开状态透风以减小阻力，获得有效的升力；下扑时，翼扇42的扇片缝隙闭合，上扑时，翼扇42的扇片缝隙打开通透；空气阻力系数C是由迎风面的形状决定的，平面的空气阻力系数最大是1，而流线型面的空气阻力系数小于1，翼扇42向上、向下空气阻力系数C不同。翼面可以是不同的形式，翼面还包括单翼、多翼、双层翼、多层翼，圆形的、方形的、伞形、锥形等规则或不规则形状和形态的翼面；骨架需要选择比重小而且强度高的材料，比如碳纤维、航空铝、玻璃纤维等；翼面扑动的加速过程将消耗能量，缩减这个加速过程就能够节省能量，因此，提高扑动动力以及扑动频率是扑翼飞行器保持上升状态，通过弹性扑动机构和动力机构来完成的。同时为了提高翼面的加速度，也应减轻翼面的自重；翼面为合金材料、碳纤维材料或玻璃纤维弹性材料。

所述弹性部件5为板形或条形的弹性材料，弹性材料包括钢板弹簧、合金材料、碳纤维材料或玻璃纤维弹性材料。

更进一步的，所述骨架1的前端设置有扑翼飞行头11；所述骨架1的后端设置有扑翼飞行尾翼12。

更进一步的，所述骨架1内设置重心调整装置。

更进一步的，弹性部件5与所述骨架1为一体结构，所述翼面4的两翼为一体结构；所述翼面4通过受力变形与所述动力机构2连接；所述翼面4的两翼中间受力变形能驱动两翼上下扑动。

扑翼飞行器在起飞、上升、平飞过程中应该按照先将翼面风阻调整为最小，动力机构发力使机翼上扑，再将翼面风阻调为最大，动力机构反向发力使机翼下扑，其中起飞时：力度最大、下扑动作最快，幅度要求大，扑动频率要快；上升时的力度比起飞的要求要小一些，平飞时力度要平缓很多，为了能够提供向前的飞行动力，要前后调整重心的位置，使得扑翼飞行头有前倾角。转弯时要调整重心和尾翼的姿态，滑翔下降时，将翼面风阻调为最大，动力机构不发力，着陆时要尽量平稳，垂直速度和水平速度都要在安全范围以内，要前后调整重心的位置，使得扑翼飞行头有后仰角来抑制向前的速度，起落过程中使用到的起落架要具备弹性减震的功能。

当助力起飞时，可以采用如下的方式：机械储能设备，起飞前，通过人力或者发动机做功，将机械能储存在弹簧或者高速转动的设备中，在起飞过程中将事先存储的机械能再逐步释放出来，驱动翼面的上下扑动。由地面设备驱动起飞过程，待起飞完成后，脱离；从具有一定高度的平台上起飞，先滑翔下降，再扑动翼面，逐步提升高度；弹性起落架，起飞时，用弹性起落架将扑翼飞行器弹射到一定高度，随后进入翼面扑动过程。弹性起落架可以设计成在地面固定的，也可以附着的扑翼飞行器底部。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于实现扑翼飞行器的完整设计，安全问题永远是首要问题，实现扑翼飞行器的完整设计，安全问题永远是首要问题，一些安全方式都可以选用，如备用弹射降落伞、安全气囊、弹性减震起落架；操控方式如重心调整、尾翼操控、扑动力度和角度的控制；智能导航、传感器，操控仪表盘等辅助设备。

本发明所描述的只能适用于平飞、下降的环节，对于起飞和上升环节，除了要对助力起飞设备进行设计外还要对机械传动部分进行更加深入的设计；对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种扑翼飞行器，其特征在于：它包括骨架(1)、动力输出端做直线往复运动的动力机构(3)和翼面(4)；所述动力机构(3)安装于骨架(1)内；所述翼面(4)对称设置在骨架(1)的两侧, 两侧翼面(4)之间通过弹性部件(5)连接为一体构成扑翼；所述扑翼中部的弹性部件(5)与动力机构(3)的动力输出端连接，动力机构(3)的动力输出端做直线往复运动时带动扑翼两侧的翼面(4)以骨架(1)的支撑点为支点做杠杆运动，运动过程中弹性部件(5)存储或释放弹性势能；所述翼面(4)向上运动时上迎风面所受空气阻力小于翼面(4)向下运动时下迎风面所受空气阻力。

2.根据权利要求1所述的扑翼飞行器，其特征在于：所述动力机构（3）为电磁振动机，电磁振动机包括动力端、连接端和控制系统；所述动力端包括导轨，所述导轨上设置有磁铁和限位装置, 所述磁铁包括固定磁铁和若干滑动磁铁，所述固定磁铁固定安装，所述滑动磁铁设置于固定磁铁一侧与导轨滑动配合, 所述导轨的外端部固定有能够限制滑动磁铁脱轨的限位装置；相邻两块磁铁中至少有一块为能够改变磁极方向的磁铁，相间隔的两块磁铁磁极方向一致；所述相邻两块磁铁相邻的磁极为同性时则会互相排斥，且滑动磁铁滑向固定磁铁相反的方向，相邻两块磁铁相邻的磁极为异性时则会互相吸引，且滑动磁铁滑向固定磁铁，在交变电流的作用下滑动磁铁在导轨上做往复运动；所述滑动磁铁中最外侧的一块磁铁通过传动机构与扑翼中部的弹性部件连接；所述连接端与骨架(1)固定安装；所述控制系统（36）与电磁铁的线圈（37）通过导线或滑动接触连接。

3.根据权利要求2所述的扑翼飞行器，其特征在于：每个电磁铁的线圈（37）单独与控制系统（36）连接或电磁铁的线圈（37）汇总与控制系统（36）连接。

4.根据权利要求2所述的扑翼飞行器，其特征在于：所述限位装置为限制滑动磁铁位置的限位端头（321）；所述限位端头（321）为电磁铁或限位端头（321）的内部设置有电磁铁；所述限位端头（321）上设置有缓冲作用的弹簧（323）。

5.根据权利要求1所述的扑翼飞行器，其特征在于：所述翼面(4)包括翼骨(41)和设置在所述翼骨(41)上的若干翼扇(42)；所述若干翼扇(42)构成翼面(4)的上、下迎风面，翼面(4)向上运动时上迎风面所受空气阻力小于翼面(4)向下运动时下迎风面所受空气阻力。

6.根据权利要求5所述的扑翼飞行器，其特征在于：所述翼扇(42)向下的面为平面型，所述翼扇(42)的向上的面为流线型；所述若干翼扇(42)之间间隔距离相等。

7.根据权利要求5所述的扑翼飞行器，其特征在于：所述翼扇(42)包括主动式翼扇和被动式翼扇；所述主动式翼扇为依靠气流作用单向开启或闭合的翼扇，翼面(4)向上运动时向下的空气阻力将翼扇开启，翼面(4)向下运动时向上的空气阻力将翼扇闭合；

所述被动式翼扇采用百叶窗式翼扇；

所述百叶窗式翼扇由若干层翼骨和翼扇构成；每层翼骨上间距相同的安装若干翼扇；每层翼骨分别连接各自的驱动机构，驱动机构拉动相邻两层翼骨的位移量依次递增或递减，各层翼骨上的翼扇相互重叠时，翼扇开启；各层翼骨上的翼扇相互错开时，翼扇闭合；

所述翼面(4)向上运动时翼扇开启，气流由翼扇间的空隙通过，减小翼面(4)所受空气阻力；翼面(4)向下运动时翼扇闭合，增大翼面(4)所受空气阻力。

8.根据权利要求1所述的扑翼飞行器，其特征在于：所述弹性部件(5)为板形或条形的弹性材料，弹性材料包括钢板弹簧、合金材料、碳纤维材料或玻璃纤维弹性材料。

9.根据权利要求1所述的扑翼飞行器，其特征在于：所述骨架(1)的前端设置有扑翼飞行头(11)；所述骨架(1)的后端设置有扑翼飞行尾翼(12)。

10.根据权利要求1所述的扑翼飞行器，其特征在于：所述骨架(1)内设置重心调整装置。