CN107364576A - 一种振动翼飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种振动翼飞行器，包括骨架，骨架上安装带有双输出端的动力机构，动力机构的双输出端分别连接轮流负重交替爬升的上层翼面和下层翼面；所述动力机构的双输出端同时做方向相反的直线往复运动，带动上层翼面和下层翼面做相向或相背运动；所述上层翼面或下层翼面向上运动时上迎风面所受空气阻力小于向下运动时下迎风面所受空气阻力。采用本飞行器不同于传统的固定翼、旋翼的飞行方式，利用翼面上下振动获取升力，双翼轮流拍打空气和向上爬升，并通过控制重心、尾翼以及翼面振动力度、角度、频率等因素来调节飞行姿态，实现在空中自由翱翔。

Description

一种振动翼飞行器

技术领域

本发明涉及属于低速航空技术领域，尤其是一种振动翼飞行器。

背景技术

飞行器大多是模仿鸟类或昆虫，在国防和民用领域由于其具有体积小、重量轻、成本低和操作性好的特点具有十分重要而广泛的应用前景；而现有的飞行器大多为固定翼飞机、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，条件是飞行器要有足够的水平速度，且机翼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。现有的飞行器在悬浮和飞行的过程中，做了许多无用功，大大制约了飞行器的发展。

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，提供一种振动翼飞行器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种振动翼飞行器，包括骨架，骨架上安装带有双输出端的动力机构，动力机构的双输出端分别连接轮流负重交替爬升的上层翼面和下层翼面；所述动力机构的双输出端同时做方向相反的直线往复运动，带动上层翼面和下层翼面做相向或相背运动；所述上层翼面或下层翼面向上运动时上迎风面所受空气阻力小于向下运动时下迎风面所受空气阻力；所述上层翼面和下层翼面做相向运动时，上层翼面作为负重翼面，下层翼面作为爬升翼面；所述上层翼面和下层翼面做相背运动时，上层翼面作为爬升翼面，下层翼面作为负重翼面；所述爬升翼面所受空气阻力小于负重翼面所受空气阻力。

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在导轨中部，所述滑动磁铁设置于固定磁铁两侧与导轨滑动配合， 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；所述滑动磁铁中两端最外侧的一块磁铁分别通过传动机构与上层翼面和下层翼面连接；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，所述上层翼面和下层翼面均包括翼骨和设置在所述翼骨上的若干翼扇；所述若干翼扇构成上层翼面和下层翼面的上、下迎风面。

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，上层翼面或下层翼面向上运动时向下的空气阻力将翼扇开启，上层翼面或下层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；

所述上层翼面或下层翼面向上运动时翼扇开启，气流由翼扇间的空隙通过，减小上层翼面或下层翼面所受空气阻力；上层翼面或下层翼面向下运动时翼扇闭合，增大上层翼面或下层翼面所受空气阻力。

更进一步的，所述上层翼面和下层翼面为矩形、椭圆形、圆形或方形。

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，类似蜻蜓飞行方式，采用翼面上下振动获取升力，双翼轮流拍打空气和向上爬升，并通过控制重心、尾翼以及翼面振动力度、角度、频率等因素来调节飞行姿态，实现在空中自由翱翔。翼面轮流负重，相对于支撑点，向下运动的翼面是负重翼面，呈现风阻大，受到的向上的空气阻力大，向上运动的翼面是爬升翼面，呈现风阻小，受到向下的空气阻力小，从而获得有效的升力。当翼面相向运动时，上层翼面对支撑点是拉近的运动趋势，支撑点所有的负荷被上层翼面向上拉，下层翼面没有对支撑点提供向上的力，上层翼面负重；当双层翼面相背运动时，下层翼面对支撑点是推动的运动趋势，支撑点所有的负荷被下层翼面向上推，上层翼面没有对支撑点提供向上的力，下层翼面负重。

附图说明

图1所示为本发明的结构示意图；

图2所示为本发明的振动结构示意图；

图3所示为本发明的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，一种振动翼飞行器，包括骨架1，骨架上安装带有双输出端的动力机构3，动力机构的双输出端分别连接轮流负重交替爬升的上层翼面22和下层翼面21；所述动力机构的双输出端同时做方向相反的直线往复运动，带动上层翼面22和下层翼面21做相向或相背运动；所述上层翼面22或下层翼面21向上运动时上迎风面所受空气阻力小于向下运动时下迎风面所受空气阻力；所述上层翼面22和下层翼面21做相向运动时，上层翼面22作为负重翼面，下层翼面21作为爬升翼面；所述上层翼面22和下层翼面21做相背运动时，上层翼面22作为爬升翼面，下层翼面21作为负重翼面；所述爬升翼面所受空气阻力小于负重翼面所受空气阻力。

如图2、3、4所示，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固定安装在导轨31中部，所述滑动磁铁33设置于固定磁铁32两侧与导轨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33滑向固定磁铁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；所述滑动磁铁中两端最外侧的一块磁铁的动力输出端37分别通过传动机构35与上层翼面22和下层翼面21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。

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34；所述限位端头34为电磁铁或限位端头34的内部设置有电磁铁；所述限位端头34上设置有缓冲作用的弹簧341。

动力机构3的两个输出端带动翼面做周期性的相向运动与相背运动；翼面轮流负重，向下运动的翼面是负重翼面，呈现风阻大，受到的向上的空气阻力大，向上运动的翼面是爬升翼面，呈现风阻小，受到向下的空气阻力小，从而获得有效的升力。当翼面相向运动时，所有的负荷被上层翼面22向上拉，下层翼面21没有提供向上的力，因此此时，上层翼面22负重；当双层翼面相背运动时，点所有的负荷被下层翼面21向上推，上层翼面22没有提供向上的力，因此此时，下层翼面21负重。

滑动磁铁33可以在沿着导轨31方向能够良好的滑动，其它维度上不能移动和转动；两个磁铁之间的磁力大小除了和磁量有关之外，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341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。

如图5、6、7、8所示，所述上层翼面22和下层翼面21均包括翼骨23和设置在所述翼骨23上的若干翼扇24；所述若干翼扇24构成上层翼面22和下层翼面21的上、下迎风面。

所述翼扇24向下的面为平面型，所述翼扇24的向上的面为流线型；所述若干翼扇24之间间隔距离相等。

更进一步的，所述翼扇24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，上层翼面22或下层翼面21向上运动时向下的空气阻力将翼扇24开启，上层翼面22或下层翼面21向下运动时向上的空气阻力将翼扇24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；

所述上层翼面或下层翼面向上运动时翼扇开启，气流由翼扇间的空隙通过，减小上层翼面或下层翼面所受空气阻力；上层翼面或下层翼面向下运动时翼扇闭合，增大上层翼面或下层翼面所受空气阻力。

所述上层翼面22或下层翼面21向上运动时翼扇24开启，气流由翼扇24间的空隙通过，减小上层翼面22或下层翼面21所受空气阻力；上层翼面22或下层翼面21向下运动时翼扇24闭合，增大上层翼面22或下层翼面21所受空气阻力。

翼面受到的风阻是空气阻力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，下扑时翼面闭合状态，上扑时翼面打开状态透风以减小阻力，获得有效的升力；下扑时，翼扇24的扇片缝隙闭合，上扑时，翼扇24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24向上、向下空气阻力系数C不同。翼面可以是不同的形式，要使翼面上下振动所受到的风阻不同，还可以通过改变振动的速度来获得，即向下振动快，向上振动慢，就可获得较大的升力，实现这个不同是通过动力机构在驱动上下振动体时所提供的力的不同实现的，考虑到上、下振动体速度不同，为了保持同步，动作快的翼面要做片刻停顿来调整步调，或者也可以在行程方面做出调整， 翼面可以是不同的形式，除了可以是矩形的双层翼，也包括做成椭圆形的、圆形的、方形的等规则或不规则形状，这里将它们统称为翼面。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，同时为了提高翼面的加速度，也应减轻翼面的自重；翼面可以是合金材料、碳纤维材料或玻璃纤维弹性材料。

所述骨架1内还设置有重心调整装置。

振动翼飞行器在起飞、上升、平飞过程中应该按照以下次序工作，先将上层翼面风阻调整为最小，下层翼面风阻调整为最大，动力机构驱动两层翼面分离方向运动，即下层向下，上层向上，到达限位后停止驱动，再将下层翼面风阻调整为最小，上层翼面风阻调整为最大，振动机构驱动两层翼面相向方向运动，即下层向上，上层向下，到达限位后停止驱动，再循环往复。其中，向下振动的翼面力度要大，动作快，为了能够提供向前的飞行动力，要前后调整重心的位置，使得机翼有前倾角。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，使得机翼有后仰角来抑制向前的速度，起落架要具备弹性减震的功能。例如上升或悬停的状态中，针对翼面的每个振动周期的工作流程是从如下步骤a） -> b) -> c) -> d） -> e） - > f），再周而复始重复。a）关闭下层翼面，打开上层翼面；b）驱动两层翼面分离方向运动，即下层向下，上层向上；c）到达限位后停止驱动；d）打开下层翼面，关闭上层翼面；e）驱动两层翼面相向方向运动，即下层向上，上层向下；f）到达限位后停止驱动，再循环往复。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于实现振动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；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 (9)

1.一种振动翼飞行器，其特征在于：包括骨架，骨架上安装带有双输出端的动力机构，以上下振动的形式输出动力，动力机构的双输出端分别连接轮流负重交替爬升的上层翼面和下层翼面，上层翼面与下层翼面组成双层翼面；所述动力机构的双输出端同时做方向相反的直线往复运动，带动上层翼面和下层翼面做相向或相背运动；所述上层翼面或下层翼面向上运动时上迎风面所受空气阻力小于向下运动时下迎风面所受空气阻力；所述上层翼面和下层翼面做相向运动时，上层翼面作为负重翼面，下层翼面作为爬升翼面；所述上层翼面和下层翼面做相背运动时，上层翼面作为爬升翼面，下层翼面作为负重翼面；所述爬升翼面所受空气阻力小于负重翼面所受空气阻力。

2.根据权利要求1所述的振动翼飞行器，其特征在于：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在导轨中部，所述滑动磁铁设置于固定磁铁两侧与导轨滑动配合, 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；所述滑动磁铁中两端最外侧的一块磁铁分别通过传动机构与上层翼面和下层翼面连接；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。

3.根据权利要求2所述的振动翼飞行器，其特征在于：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。

4.根据权利要求2所述的振动翼飞行器，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；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。

5.根据权利要求1所述的振动翼飞行器，其特征在于：所述上层翼面和下层翼面均包括翼骨和设置在所述翼骨上的若干翼扇；所述若干翼扇构成上层翼面和下层翼面的上、下迎风面。

6.根据权利要求5所述的振动翼飞行器，其特征在于：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。

7.根据权利要求5所述的振动翼飞行器，其特征在于：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，上层翼面或下层翼面向上运动时向下的空气阻力将翼扇开启，上层翼面或下层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；

所述上层翼面或下层翼面向上运动时翼扇开启，气流由翼扇间的空隙通过，减小上层翼面或下层翼面所受空气阻力；上层翼面或下层翼面向下运动时翼扇闭合，增大上层翼面或下层翼面所受空气阻力。

8.根据权利要求1所述的振动翼飞行器，其特征在于：所述上层翼面和下层翼面为矩形、椭圆形、圆形或方形。

9.根据权利要求1所述的振动翼飞行器，其特征在于：其特征在于：所述骨架内设置重心调整装置。