CN109250063B - 一种基于水母仿生的浮空器 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于水母仿生的浮空器，包括：氦气囊，位于浮空器的头部，用于提供浮力；上升装置，用于控制浮空器上升，包括：第一空气囊，采用弹性材料制成，所述第一空气囊顶部与氦气囊底部连接，底部边缘有至少一个第一气孔并与外界大气连通；第一辅翼，由形状记忆合金丝制成，纵向粘敷于所述第一空气囊外侧；第一控制装置，与形状记忆合金丝相连，安装于所述第一空气囊内侧，用于通过给形状记忆合金丝通电，形状记忆合金丝收缩，给形状记忆合金丝断电形状记忆合金丝拉伸。本发明结构简单，通过给形状记忆合金丝通电、断电即可驱动浮空器上升，减少了上升控制的能耗，同时能有效吸排空气，实现了高效的上升控制。

Description

一种基于水母仿生的浮空器

技术领域

本发明属于飞行器设计技术领域，涉及一种基于水母仿生的浮空器。

背景技术

浮空器是指比重轻于空气的、依靠大气浮力升空的飞行器。浮空器作为一种安全高效、经济实用的飞行平台，在航空摄影、交通巡逻、环境监测、灾害预警、侦察监视等领域具有广阔的应用前景。

目前，对于配备有氦气囊和空气囊的浮空器，其升降是通过控制空气囊与外界大气的质量交换来实现，但是，该方式吸排的空气质量流率有限，不能实现高效的上升，且须配置阀门、风机等器件，能耗高且增加了结构重量和机构的复杂度。

鉴于上述升降控制技术的局限与不足，须探索新的设计思路与方法。“仿生”是人类最早、最朴素的学习方式和生存手段，也是研究者从自然界汲取知识和获取灵感的重要方法。经过千百年的自然演变和优化选择，生物体获得了高超的生存技能和极强的环境适应能力，为科技创新提供了取之不竭的知识宝库和学习源泉。水母是一种低等的无脊椎浮游生物，属刺胞动物门、钵水母纲，在水中通常处于漂浮状态。水母的身体外形呈伞状，向外侧凸出的面为外伞面，内侧凹进的面为内伞面；水母的身体壁面结构是由两层上皮肌肉细胞夹着中胶层组成的，中胶层是由蛋白质和多糖组合成的凝胶，这种凝胶具有较大的弹性，水母通过收缩伞体挤压内腔的方式改变内腔体积，从而喷出腔内的水，水流喷出产生的推力使水母沿身体轴向方向运动。水母伞状体四周的边缘有一圈触手，触手上分布着毒刺，可用来捕捉食物或者麻痹猎物，同时触手还起到调节运动的作用；在水母伞状体四周下缘围绕着外皮层形成环形肌肉，可以输出力并实现大幅度的运动，触手上也具有肌肉纤维，使触手可以在多个方向上弯曲动作。水母的形态结构和运动方式为浮空器设计提供了很好的仿生启示。

发明内容

为了克服现有浮空器不能实现高效的上降、结构繁重、复杂的局限和不足，本发明提出了一种基于水母仿生的浮空器，以桃花水母为仿生对象，从其形态结构和运动方式获取仿生依据，从而实现浮空器高效的上升。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于水母仿生的浮空器，包括：

氦气囊，位于浮空器的头部，用于提供浮力；

上升装置，用于控制浮空器上升，包括：

第一空气囊，采用弹性材料制成，所述第一空气囊顶部与氦气囊底部连接，底部边缘有至少一个第一气孔并与外界大气连通；

第一辅翼，由形状记忆合金丝制成，纵向粘敷于所述第一空气囊外侧；

第一控制装置，与形状记忆合金丝相连，安装于所述第一空气囊内侧，用于通过给形状记忆合金丝通电，形状记忆合金丝收缩，给形状记忆合金丝断电形状记忆合金丝拉伸。

进一步地，所述浮空器还包括下降装置，用于控制浮空器下降，所述下降装置包括阀门，阀门控制装置，阀门控制装置控制阀门开关控制释放氦气囊内的气体。

进一步地，所述浮空器还包括下降装置，所述下降装置包括：

第二空气囊，采用弹性材料制成，所述第二空气囊底部与氦气囊顶部连接，顶部边缘有至少一个第二气孔并与外界大气连通，

第二辅翼，由形状记忆合金丝制成，纵向粘敷于所述第二空气囊外侧；

第二控制装置，安装于所述第二空气囊内侧，与形状记忆合金丝相连，通过控用于通过给第二辅翼上的形状记忆合金丝通电，形状记忆合金丝收缩，给形状记忆合金丝断电形状记忆合金丝拉伸。

进一步地，所述浮空器还包括第一尾翼和/或第二尾翼，所述第一尾翼粘接在所述第一辅翼的底端，所述第二尾翼粘接在所述第二辅翼的底端。

进一步地，所述氦气囊的蒙皮采用PBO材料制成，外形为伞状，内部填充氦气。

进一步地，所述第一气孔和/或第二气孔以圆周方式均匀排列。

进一步地，所述第一空气囊和/或第二空气囊的蒙皮采用软质弹性PVC膜。

进一步地，所述第一辅翼和/或第二辅翼均匀或对称纵向粘敷在空气囊外侧。

进一步地，所述第一尾翼和/或第二尾翼采用聚酰胺材料制成，形状为圆形片状。

进一步地，所述第一辅翼和/或第二辅翼为8根。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

当浮空器需要上升时，第一控制装置发出控制信号给形状记忆合金丝通电加热，受热后形状合金记忆合金丝收缩，挤压空气囊，排出空气囊内的气体，排出气体产生的大幅度推力使浮空器向上运动，另一方面空气囊体积减小、质量减少，整个浮空器静浮力增加，浮空器上升，随后记忆合金丝断电恢复原形状，拉伸带动受压后的空气囊慢慢扩张，空气囊体积增大、质量增加，浮空器上升速度减小后悬浮，此时合金丝已恢复原形状为下一次上升做好准备。通过形状记忆合金丝反复收缩、拉伸，从而实现浮空器上升。

1、本发明通过给形状记忆合金丝通电、断电即可驱动浮空器上升，减少了上升控制的能耗。

2、本发明无须配置阀门、风机等器件，减轻了机构的重量且结构简单减少了机构的复杂度。

3、本发明通过空气囊中气孔的设置能有效吸排的空气，有效提高空气质量流率，排出气体产生的大幅度推力使浮空器向上运动，实现了高效的上升控制。

附图说明

图1是本发明浮空器悬浮状态外形结构示意图。

图2是本发明形状记忆合金丝收缩状态外形结构示意图。

图中1、氦气囊；2、第一空气囊；3、第一气孔；4、第一辅翼；5、第一尾翼；6第一控制装置。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

具体实施例

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造劳动前提下所获得的所有其它实施例，均属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应作广义理解，例如，可以是接卸连接或者电连接，也可以是两个原件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

参照图1-图2，一种基于水母仿生的浮空器，包括：氦气囊1位于浮空器的头部，氦气囊1的蒙皮采用PBO材料制成，外形为伞状，内部填充氦气，用于提供浮力；上升控制装置，与氦气囊相连，用于控制浮空器上升，包括第一空气囊2，采用弹性材料制成，如软质弹性PVC膜，第一空气囊2顶部与氦气囊1底部连接，第一空气囊底部边缘有至少一个第一气孔3并与外界大气连通，第一气孔3以圆周方式均匀排列；第一辅翼4，由形状记忆合金丝制成，均匀或对称纵向粘敷于第一空气囊2外侧，优选地第一辅翼至少2根，更优选地第一辅翼为8根；第一尾翼5为圆形片状粘接在第一辅翼4的底端，采用聚酰胺材料制成，第一尾翼5由第一辅翼4带动可辅助浮空器运动，第一尾翼5既能使整个浮空器保持稳定，把握运动方向，又能一起产生推力；第一控制装置6采用轻质框架安装于空气囊2内侧，与记忆合金丝相连，通过给形状记忆合金丝通电或断开，控制形状记忆合金丝收缩或拉伸。浮空器可包括地面控制装置，可触发第一控制装置给形状记忆合金丝通电或断电。当浮空器需要上升时，地面控制装置发出加热信号给第一控制装置6，控制装置6发出控制信号给形状记忆合金丝通电加热，受热后形状合金记忆合金丝首尾向内收缩，挤压空气囊，排出空气囊内的气体，空过气孔3排出空气产生的推力使浮空器向上运动，另一方面空气囊体积减小、质量减少，整个浮空器静浮力增加，浮空器上升，随后记忆合金丝断电恢复原形状，拉伸带动受压后的空气囊慢慢扩张，空气囊吸入空气，空气囊体积增大、质量增加，浮空器上升速度减小后悬浮，此时合金丝已恢复原形状为下一次上升做好准备。通过形状记忆合金丝反复收缩、拉伸，从而实现浮空器高效的持续上升。

在一种实施方式中，第一控制装置中可设置控制系统，设定需要达到的预设高度，当未达到预设高度点，控制系统触发第一控制装置通电或断电实现浮空器的上升，直至浮空器上升至预设高度。

在一种实施方式中，浮空器还包括下降控制装置，与氦气囊1相连，用于控制浮空下降；下降控制装置包括阀门，阀门控制装置，阀门控制装置与阀门相连，通过控制阀门打开，控制释放氦气囊1内的气体。阀门悬浮或上升时是关闭的，当需要下降时通过阀门控制装置打开阀门，释放氦气囊中氦气，此时浮力减小，当浮力小于浮空器所受的重力时候，浮空器下降，通过调节阀门开启的大小控制下降的速度。通过下降装置的设置实现浮空器的快速下降。

在一种实施方式中，下降控制装置包括：第二空气囊7，采用弹性材料制成，如软质弹性PVC膜，第二空气囊7底部与氦气囊1顶部连接，第二空气囊7顶部边缘有至少一个第二气孔8并与外界大气连通，第二气孔3以圆周方式均匀排列；第二辅翼9由形状记忆合金丝制成，均匀或对称纵向粘敷于第二空气囊7外侧，优选地第一辅翼至少2根，更优选地第一辅翼为8根；第二尾翼10为圆形片状粘接在第二辅翼9的底端，采用聚酰胺材料制成，第二尾翼10由第二辅翼9带动可辅助浮空器运动，第二尾翼10既能使身体保持稳定，把握运动方向，又能一起产生推力；第二控制装置11采用轻质框架安装于第二空气囊7内侧，与记忆合金丝相连，通过给形状记忆合金丝通电或断开，控制形状记忆合金丝收缩或拉伸。浮空器可包括地面控制装置，用于触发第一控制装置给形状记忆合金丝通电或断电。当浮空器需要下降时，第二控制装置11发出控制信号给形状记忆合金丝通电加热，受热后形状合金记忆合金丝首尾向内收缩，挤压空气囊，排出空气囊内的气体，排出气体产生的推力使浮空器向下运动，随后记忆合金丝断电恢复原形状，拉伸带动受压后的空气囊慢慢扩张，空气囊体积增大、质量增加，浮空器缓慢下降后悬浮，此时合金丝已恢复原形状为下一次下降做好准备。通过形状记忆合金丝反复收缩、拉伸，从而实现浮空器高效持续下降。配合上升装置，减少了升降控制的能耗、降低了机构设计的复杂度的同时实现浮空器的高效的、往复式的升降。

形状记忆合金丝是一种智能材料，形状记忆合金丝加热后产生变形，其存在一个转变温度，当形状记忆合金丝的温度高于或低于该转变温度时，形状记忆合金丝会表现出收缩和正常的状态，本发明利用形状记忆合金丝的这一特点，采用通电的方式给形状记忆合金丝加热高于转变温度后收缩，断电后形状记忆合金丝冷却，低于转变温度后拉伸。

经过计算后，通过控制连通和断开加热开关，控制加热温度的高低和时长，从而控制用于驱动辅翼和尾翼的相邻形状记忆合金丝的收缩长度，同时拉动尾翼向该相邻形状记忆合金丝一侧偏转，从而使浮空器向该侧转向，即可控制浮空器的在空中的运动转向。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之。

Claims (9)

1.一种基于水母仿生的浮空器，其特征在于包括：

氦气囊，位于浮空器的头部，用于提供浮力；

上升装置，用于控制浮空器上升，包括:

第一空气囊，采用弹性材料制成，所述第一空气囊顶部与氦气囊底部连接，底部边缘有至少一个第一气孔并与外界大气连通；

第一辅翼，由形状记忆合金丝制成，沿纵向粘敷于所述第一空气囊外侧；

第一控制装置，安装于所述第一空气囊内侧，与记忆合金丝相连，用于通过控制给形状记忆合金丝通电，形状记忆合金丝收缩，给形状记忆合金丝断电，形状记忆合金丝拉伸，

所述浮空器还包括第一尾翼，所述第一尾翼粘接在所述第一辅翼的底端，所述第一尾翼采用聚酰胺材料制成，形状为圆形片状。

2.根据权利要求1所述的一种基于水母仿生的浮空器，其特征在于：所述浮空器还包括下降装置，用于控制浮空器下降，所述下降装置包括阀门，阀门控制装置，阀门控制装置控制阀门开关控制释放氦气囊内的气体。

3.根据权利要求1所述的一种基于水母仿生的浮空器，其特征在于：所述浮空器还包括下降装置，所述下降装置包括：

第二空气囊，采用弹性材料制成，所述第二空气囊底部与氦气囊顶部连接，顶部边缘有至少一个第二气孔并与外界大气连通，

第二辅翼，由形状记忆合金丝制成，纵向粘敷于所述第二空气囊外侧；

第二控制装置，安装于所述第二空气囊内侧，与记忆合金丝相连，通过给形状记忆合金丝通电或断电，控制形状记忆合金丝收缩或拉伸。

4.根据权利要求3任一所述的一种基于水母仿生的浮空器，其特征在于：所述浮空器还第二尾翼，所述第二尾翼粘接在所述第二辅翼的底端。

5.根据权利要求1-3任一所述的一种基于水母仿生的浮空器，其特征在于：所述氦气囊的蒙皮采用PBO材料制成，外形为伞状，内部填充氦气。

6.根据权利要求3所述的一种基于水母仿生的浮空器，其特征在于：所述第一气孔和/或第二气孔以圆周方式均匀排列。

7.根据权利要求3任一所述的一种基于水母仿生的浮空器，其特征在于：所述第一空气囊和/或第二空气囊的蒙皮采用软质弹性PVC膜。

8.根据权利要求3所述的一种基于水母仿生的浮空器，其特征在于：所述第一辅翼和/或第二辅翼均匀或对称纵向粘敷在空气囊外侧。

9.根据权利要求4任一所述的一种基于水母仿生的浮空器，其特征在于：所述第一辅翼和/或第二辅翼为8根。

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