CN107933910A - 一种整动扑翼 - Google Patents

Abstract

一种整动扑翼。用活动连接机构②使整个机翼①相对于其它载荷③做有垂直分量的周期性运动。在一定飞行速度下，机翼下扑形成俯冲，迎角仍为正以持续提供升力，仰角为负时增加前进动能，此时用自带动力缩短载荷质心到机翼的垂直距离，补充高度势能；机翼上扑时仍以正迎角持续提供升力，此时伸长载荷质心到机翼的垂直距离，减小机翼负载，从而减小前进动能的损耗。整动扑翼避免了角动扑翼的展向复杂性，提高了整个机翼的扑动效用。本发明的一个实施例子是整动扑翼人力飞行器，也可以用于长航时、低能耗或低噪音的无人机，甚至可用于临近空间太阳能飞行器。

Description

一种整动扑翼

技术领域

本发明涉及一种整动扑翼，包括基本结构形式和相应的飞行方式，尤其适用于人力飞行器和动力效率优先的或低噪音的无人机。

背景技术

人造的各种有动力的飞行器，在动力效率方面相比鸟类和昆虫等生物飞行还有很大差距。

仿生鸟类的扑翼飞行器，已经有很多成功的飞行，但是动力效率仍不够高，除娱乐外实际应用很少。

已经出现过的人力飞行器，有固定翼式、旋翼式和扑翼式等几类。固定翼式和旋翼式人力飞行器，结构质量大、螺旋桨（或旋翼）在低速条件下空气作动效率低、动力传动结构复杂，严重限制了人力飞行器的动力效率，虽然成功实现了人力飞行，但尚无明显实用价值。扑翼式人力飞行器则还没有较成熟的主动飞行。

已经出现过的扑翼式人力飞行器或仿生鸟等扑翼飞行器，两翼和机身铰接（也有个别的非铰接柔性机翼），以横垂面上的角度运动实现翼的扑动。这种角动扑翼的垂直运动量沿横轴变化，不能充分发挥翼面各段的空气作动效率。为了调整扑动过程中相对于实际气流方向的迎角，需要伴随扭动。主动扭动不但使结构和传动更为复杂，而且扭动量难以满足展向各翼段不同来流角度的不同需要。被动扭动则效率很低。

在理论方面，生物扑翼飞行原理还不够成熟。

已经出现的无动力滑翔器材，有滑翔机、滑翔翼、滑翔伞、滑翔服等，技术较成熟，但在飞行中不使用自有能量补偿动能或势能的消耗。动力滑翔伞和动力滑翔翼则依然是用螺旋桨，动力效率不高。

本发明是在角动扑翼技术和无动力滑翔技术的基础上的新发展。

发明内容

本发明的目的，是创新一种飞行器结构和相应的飞行方式，在提高动力效率和降低飞行噪音方面取得应用效益。

本发明基于以下理论认识。

生物扑翼飞行原理的复杂性和多样性，主要体现在起飞、降落、悬停等特殊飞行状态，以及昆虫的飞行。以提高动力效率为主要目的的人造飞行器，应优先关注鸟类巡航飞行，特别是大型鸟类长途飞行，首先抽取和借鉴扑翼飞行得以实现高效率的最基本原理。

鸟类巡航状态的扑翼飞行，飞行速度大于扑翼运动的垂直线速度，翼相对于空气的运动是波浪形轨迹，翼相对于变化着的实际来流方向的迎角始终以正值为主以获得较连续的升力（包括上扑过程），并且不大于失速临界角以避免较大阻力。

巡航状态的扑翼飞行和波浪形滑翔飞行极为近似。其相同之处，一是始终以不失速迎角提供连续的升力；二是在下扑（俯冲）阶段中，可以在迎角为正的同时使相对于水平面的仰角为负，用升力的前向分力作为拉力来增加前进动能。

巡航状态的扑翼飞行和波浪形滑翔飞行的重要区别，在于除翼以外的其它载荷的动作。在下扑（俯冲）过程中，滑翔飞行是载荷和翼一起降低高度，损失势能；而扑翼飞行则是用自身动力使载荷质心保持高度甚至稍有上升，在增加前进动能的同时不损失高度势能。在上扑（上仰）飞行过程中，滑翔飞行要带载荷一起升高，翼载荷大，前进动能损失也大；而扑翼飞行则是载荷质心不随翼上升甚至稍有降低，翼载荷小，前进动能损失也就小。

鸟类巡航状态的扑翼飞行，在上半段时翼稍偏后，实际上是使载荷质心相对于翼的升心向前移，以使翼的仰角向下变化；在下半段时翼稍偏前，实际上是使载荷质心相对于翼的升心向后移，以使翼的仰角向上变化。翼的仰角变化产生翼的上下运动。动力的主要作用不再是直接驱动翼的扑动，而是用于在变高度的支撑面（翼）上维持载荷质心高度基本不变，并调整载荷质心的前后移动。这种动力需求相对很小。

巡航状态的角动扑翼飞行，前向力主要由翼展的中外段产生，而根部则作用很小。角动方式来自生物体结构的限制，追求动力效率的人造飞行器不必刻意模仿（追求“像真”的除外）。

在以上认识的基础上，从仿生的角度看，本发明的思路是，抽取鸟翼的主要有效运动成分，用整体的垂直运动替代横轴上的角度运动，（保留仰角运动和整翼的横滚运动）。

本发明的基本结构形式是：机翼整体和其它载荷之间有活动连接机构，使整个机翼和其它载荷的垂直距离（高度差）可周期性变化（不排除伴有水平分量）。机翼相对于水平面的仰角可随时连续调整。（不排除横滚角也可调整）。

本发明的基本飞行方式是：在一定飞行速度（和滑翔速度近似）的基础上，用机翼仰角的周期性变化，以及其它载荷周期性运动的加速度对机翼产生的作用力的变化，使机翼相对于空气作波浪形运动。在全周期调整实际迎角为正以提供连续的升力（不排除在非巡航状态使用失速迎角或负迎角）。在机翼俯冲时增加前进动能且机翼本身的高度降低时，用自身动力主动缩短载荷质心到机翼的垂直距离，补充高度势能。在机翼上升以恢复高度时，伸长载荷质心到机翼的垂直距离，减小翼载荷，从而减小前进动能的损耗。

本发明的有益效果如下。

——把生物和人造器械的特长合理融合，避免了角动扑翼的期望扭动量随翼展的复杂变化，简化了扑翼的控制要求，提高了整个机翼特别是翼展中部对拉力的贡献。从而促生新一类动力效率优先的飞行器。

——能突破人力飞行的瓶颈问题即动力效率问题。

——有助于解决太阳能飞行的能量和重量的矛盾。尤其有利于临近空间的太阳能飞行。

——可以显著降低飞行噪音，从而拓广飞行器的特殊应用领域，例如侦察、动物考查等。

——和无动力滑翔技术关系密切，停止扑翼即可转化为滑翔状态。在研发、试验和使用上都可以大量借鉴成熟的滑翔技术。回避了角动扑翼理论上一些不够成熟的问题。起飞和降落等也可以借鉴滑翔器材已有的合适方式。可以在滑翔的基础上渐进地增加扑翼动作的量，降低扑翼飞行器的研发难度和训练难度。

——由于可提供连续的升力，机翼和其它载荷之间的活动连接机构及传动机构可采用索、链、带等柔性材料，有利于简化结构、减轻重量。（但也不排除使用钢性部件）。

附图说明

图1是本发明的基本结构侧面示意图。机翼①和其它载荷③之间用活动连接机构②连接。图中活动连接机构②仅以直线表示，具体实施的活动连接机构可以有多种不同的形式，只要保证机翼①的整体和其它载荷③之间的垂直距离可调，如图中垂直上下箭头所示。弧形双端箭头表示机翼的仰角可调。

图2是本发明的运动过程侧面示意图。该图中的箭头表示飞行器运动方向，波浪形曲线是机翼①的运动轨迹，机翼①在各个位置的迎角都是正值。在机翼①俯冲时用活动连接机构②使其它载荷③的高度基本不变甚至稍有增加，在机翼①上仰升高时用活动连接机构②使其它载荷③的高度基本不变甚至稍有降低。

图3是本发明具体实施方式的一个例子——整动扑翼人力飞行器（文字说明见后）的结构示意图。4个腰臀部滑轮⑥通过腰臀绑带⑧连接于人体腰臀部。4根吊索⑤的上端固定连接于机翼①，分别穿过4个腰臀部滑轮⑥，下端连接于脚部绑带⑦。两个操纵杆④固定于机翼①，（需要多方向拉索辅助固定，这些拉索未在图中全部详细画出）。图中所示为仰卧姿势的吊索布局，采用俯卧姿势时脚部绑带⑦在后方。

具体实施方式

机翼和其它载荷的活动连接的实施，可采用可伸缩的软悬挂式或活动拉杆式。

机翼可变仰角和横滚角的实施，可以改变载荷重力线和机翼的角度关系，即改变重心和升心在纵轴或横轴上的位置关系。也可以在机翼两侧加装可控副翼及襟翼，改变升心的位置。还可以对其它载荷结构加装尾翼以稳定载荷体的角姿态，在此基础上改变载荷体和机翼之间的角度关系。

对机翼各动作的动态协调控制，是实现整动扑翼飞行和提高动力效率的关键。对于无人机，需要设计特殊的飞行测控系统。对于人力飞行器，需要合适的人体工程学设计，并用大量的渐进训练来提高操作技能。

具体实施中的起飞和降落的方式，可选择现有滑翔器材起飞和降落的适当方式。

下面以整动扑翼人力飞行器为例，说明本发明的一个具体实施方式。

整动扑翼人力飞行器的结构，主要由机翼、吊索、滑轮、腰臀绑带、脚绑带、操纵杆等组成。机翼类似硬滑翔翼，可适当增加柔性。数根吊索连接于机翼的悬挂点上，穿过人体重心附近的数个滑轮，再至脚部，使人体在水平方向上的蹬腿和踡腿动作能改变人体和机翼之间的吊索长度（也可以在脚部增加滑轮，使吊索再返回固定于腰臀绑带，使机翼和人体之间的吊索伸缩量是蹬、踡腿行程的两倍）。两根操纵杆固定于机翼，伸向人体两侧。

巡航飞行中，人体半仰卧或俯卧，双手握操纵杆。

机翼下扑俯冲时，双腿水平蹬伸，缩短机翼和人体之间的吊索，双手拉操纵杆从后上的位置以先向后下、再向前下的弧形轨迹拉到前下的位置。

机翼上扑升高时，双腿踡缩，机翼和人体之间的吊索伸长，双手拉操纵杆从下偏前的位置以先向前上、再向后上的弧形轨迹拉到后上的位置。

滑翔状态时，双腿静止，双手握操纵杆控制机翼角姿态。

起飞和降落可以采用现有无动力悬挂式滑翔翼的适当方式。

这种整动扑翼人力飞行器有如下优点。

——有较高的低速气动效率。机翼既能维持升力又能补充动能，结构简单，质量轻，显著提高人力飞行的实用性。

——运动方式适合人体特点，以腿部为主，臂和腰协同，有利于发挥人体力量。蹬腿和踡腿的周期节奏性，以及扑动和滑翔互相变换的间歇性，有机会放松肌肉。

——作为体育项目，需要强大的体力、灵敏的感觉和协调准确的操纵，既是力量型运动又是技巧型运动。

——由于无动力滑翔状态和已经流行的悬挂式三角滑翔翼极为近似，其扑翼动作的量可以在滑翔的基础上逐步增加，所以其可行性可在滑翔翼的基础上逐步形成，设计改进和飞行训练也都可以在滑翔的基础上渐进。

Claims (1)

1.一种整动扑翼，其特征是，机翼整体和其它载荷之间可以垂直相对运动（不排除有水平运动分量，机翼俯仰角和横滚角可动），在机翼下扑且仰角为负值而产生前向拉力时缩短载荷质心到机翼的垂直距离以补充高度势能，在机翼上扑恢复高度时伸长载荷质心到机翼的垂直距离以减少翼载荷造成的动能损失。