CN109502021B - 无动力式仿蒲公英飞行器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无动力式仿蒲公英飞行器，借鉴蒲公英轻质、易于在空中漂浮、扩散距离远和可团簇等特点进行设计，飞行器由母体与子机组成，母体可根据需要安装一定数量的子机；子机仿照蒲公英的种子设计成具有长航时、结构简单和廉价等特点的微小型飞行器，并能携带一定的载荷，子机与母体分离后执行任务。飞行器子机主要由冠毛翼、主轴和具有纺锤体外形的载荷舱构成，主轴连接冠毛翼和载荷舱。冠毛翼能够在下部形成涡环来产生升力，并通过调控孔隙度来稳定涡环，以延长飞行器的浮空时长，冠毛翼通过控制冠毛张角的大小来控制飞行器的下降率。本发明具有质量轻、成本低、航时长、隐身性好的优势，非常适合于未来集群作战/业。

Description

无动力式仿蒲公英飞行器及其控制方法

技术领域

本发明涉及飞行器领域，特指一种无动力式仿蒲公英飞行器。

背景技术

蒲公英是一种轻质的草本植物，每一个蒲公英种子上有反向伞状的白色冠毛，多个种子聚集在一起，形成团簇状的绒球。蒲公英种子和冠毛组成的整体质量较轻，而冠毛组成的反向伞状结构具有较大的迎风面积，蒲公英种子这种类似于迷你降落伞的结构极其高效，小蒲公英种子仅靠风力就能飘到800公里远。蒲公英利用冠毛(小绒毛)来帮助种子飞行扩散。冠毛会延缓种子的降落，使种子飞行的距离超过水平风吹送的距离，冠毛还可以影响种子降落的方向。

科学家通过实验和观察发现在蒲公英的冠毛下部形成了一个稳定的气泡——涡环，并稳定地保持在冠毛下部固定距离的位置。与实心盘相比，冠毛产生的单位面积阻力是其四倍以上。因此，蒲公英可以在空中进行较长时间和较长距离的漂浮和扩散，而不消耗任何能量。大自然这种高效的飞行机制可以最大限度地降低材料和能源成本，在工程技术领域具有广泛的应用前景。

本发明借鉴蒲公英的结构和气动特性，设计一款无动力消耗的、被动式飞行器。该飞行器具有尺寸小、成本低、航时长、航程远、隐身特性好等优点，可实现大规模数量的无人机集群，进一步提高作战/业效能。在民用领域，该飞行器可用于通讯中继、导航、遥感、环境气象观测等；在军用领域，可用于侦查、监视、蜂群作战、空中布雷等。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题，结合高精度制造工艺、功能材料应用技术、蒲公英仿生技术、飞行器气动外形优化设计技术，提出了一款超长航时、小型无动力式仿蒲公英飞行器。与传统飞行器相比，该飞行器具有质量轻、航时长、航程远、隐身性能好等特点，适用于未来集群作战/业，具有非常广泛的军民用价值。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种无动力式仿蒲公英飞行器，该飞行器由母体与子机组成，所述的子机包括冠毛翼、主轴和载荷舱，冠毛翼固定于主轴上部，由上下两层构成；每层冠毛翼呈凹面朝上的弧面状，包括若干条沿主轴外壁周向均匀排列的柔性冠毛，每条柔性冠毛一端固定于主轴上，另一端为自由端；所述载荷舱挂载于主轴的下部；所述的母体包括舱体，舱体的表面分布有若干舱室，所述子机的载荷舱以可分离的形式安装于母体的舱室中。

作为优选，所述的柔性冠毛为中空腔体。

进一步的，所述的冠毛翼中，每条柔性冠毛的内腔中，置有用于控制冠毛张角大小的形状记忆合金丝。

作为优选，所述的每层冠毛翼由36根冠毛构成。

作为优选，所述的柔性冠毛主结构由石墨烯气凝胶制成。

作为优选，所述的载荷舱外形为纺锤体。

作为优选，所述母体的舱体为球形或椭球形，舱室在其表面均匀分布，且子机的载荷舱一一对应安装于母体的舱室中，形成团簇形的组合式子母飞行器。

作为优选，所述母体的舱室表面采用吸附材料，子机的载荷舱吸附于舱室表面。

作为优选，所述的载荷舱内放置有控制设备和/或任务载荷。

本发明的另一目的在于提供一种上述无动力式仿蒲公英飞行器的控制方法，其步骤如下：根据任务需要在母体上安装相应数量的子机，将带有子机的母体通过无人机或有人机运载至目标空中位置，然后将根据任务安排使子机从母体上分离；在子机脱离母体后，通过控制柔性冠毛张角的大小，控制子机的下降率至目标值，实现无动力长航时飞行。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明提出的无动力式仿蒲公英飞行器，利用蒲公英种子的轻质、航时长、航程远及团簇性的仿生特性，具有质量轻、成本低、航时长、隐身性好的优势，非常适合于未来集群作战/业。

本发明提出的无动力式仿蒲公英飞行器，其子机中的冠毛翼设计，借鉴蒲公英的仿生学构造和运动机理，采用石墨烯气凝胶等轻质功能材料制作，可使飞行器在空中进行较长时间和较长距离的漂浮和扩散，而不消耗任何能量。这种高效的飞行机制可以最大限度地降低材料和能源成本。

本发明提出的无动力式仿蒲公英飞行器，效仿蒲公英种子的团簇性能，设计母体和子机组合式飞行器，母体可固定在有人机或者无人机上，也可从有人/无人机上投放，母体还可根据需要安装不同规模的子机，根据用户需求进行设计改装，具有灵活性强、适用性好的特征。

附图说明

图1为无动力式仿蒲公英飞行器子机结构示意图；

图2为无动力式仿蒲公英飞行器母体结构示意图；

图3为子机张角控制示意图；

图4为无动力式仿蒲公英飞行器集群示意图；

图5为无动力式仿蒲公英飞行器集群及投放效果图；

图中：冠毛翼1、主轴2、载荷舱3，舱体4和舱室5。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

本发明利用了蒲公英的质量轻、航程远、巡航时间长以及团簇性仿生特性，设计一款无动力式飞行器，飞行器由母体与子机组成，子机仿照蒲公英的种子设计成具有长航时、结构简单和廉价等特点的微小型飞行器，子机飞行器可用于多架飞行器集群作业/战，大大提高效能。

该飞行器的具体结构如图1、图2所示，飞行器由子机与母体组成，子机包括冠毛翼1、主轴2、载荷舱3，主轴2连接冠毛翼1和载荷舱3，冠毛翼1固定于主轴2上部，而载荷舱3挂载于主轴2的下部。

该无动力式仿蒲公英飞行器中，其冠毛翼1由上下两层构成，每层冠毛翼由36根柔性冠毛构成，柔性冠毛内部结构为中空，以减轻重量。柔性冠毛由轻质的功能材料制作而成，例如石墨烯气凝胶等，使其具有良好的结构特性和电磁特性。每层冠毛翼1均仿照蒲公英的冠毛构造，呈凹面朝上的弧面状，多条柔性冠毛沿主轴2外壁周向均匀排列，每条柔性冠毛一端固定于主轴2上，另一端为自由端。上下两层冠毛翼1由于弯曲向上，因此实际形成了内外两层结构，冠毛翼能够在下部形成涡环来产生升力，并通过调控孔隙度来稳定涡环，以延长飞行器的浮空时长。双层冠毛翼1结构相对于单层结构而言，其浮空效果更好。另外，冠毛翼1的张角即冠毛翼中各冠毛与主轴的夹角可以设置为固定，也可以设置为可调节式的。但假如冠毛翼1张角无法调节，其飞行特性将完全取决于外部风力等因素，这无法满足飞行器所需的机动性能。因此，可以通过角度调节装置来控制冠毛翼1的张角。角度调节装置的实现方式可以是多样的，在本实施例中，通过形状记忆合金来实现张角的精确控制：在每条柔性冠毛的中空内腔中，分别置入一条形状记忆合金丝，利用其具有形状记忆特性的形变功能，来控制冠毛张角的大小。形状记忆合金丝可以连接外部电源，通过控制电流来改变合金丝的刚性和角度。

如图3所示，分别展示了3种不同冠毛张角下的飞行器示意图。冠毛翼可通过控制冠毛张角的大小来控制飞行器的下降率，在a)小张角时，下降率快，b)～c)张角越大时，下降率越慢，甚至达到悬停的状态。而且，冠毛翼中不同的冠毛张角不同时，还可以实现不同下降速度。因此，通过可改变张角的冠毛翼提高飞行器机动性，使得无动力的飞行器依然能够长时间、远距离地飞行并执行作业任务。

上述无动力式仿蒲公英飞行器中，其载荷舱3的外形为纺锤体形，流线形式的舱体外壳能够降低附加阻力，并有效利用空间用来放置电气、控制设备和任务载荷等。各种电气、控制设备可采用现有的飞行器相关设备，并非本发明的关键点，因此不再赘述。飞行器可通过携带不同任务载荷进行单体作业也可进行集群作业。

上述子机单体由于质量轻、自身动力和机动性能不足等，因此一般无法自行完成作业任务，需要母体进行配合工作。母体的主体是设计成球形或椭球形的舱体4，仿照蒲公英的头苞。舱体4的表面间隔分布有若干舱室5，子机通过载荷舱3以可控分离的形式安装在母体的舱室5里，母体的每个舱室5可安置一架子机，形成图4所示的团簇形的组合式子母飞行器。母机舱室5可根据需要设计不同规模和尺寸。子机与舱室的分离，可以通过不同的形式实现，例如舱室可以由功能性吸附材料构成，用来吸附和分离子机。功能性吸附材料可以是具有磁性材料，例如电磁铁等，而载荷舱3则采用铁磁材料制成，通过控制电磁铁的通断电，改变载荷舱3的吸附与分离。当然，功能性吸附材料也可以是带吸附性能的多孔材料，载荷舱3在存放时被吸附在材料表面，而母体舱室5中还可以设置机械设备或者气吹设备，可在子机需要分离时，通过机械拨动或者向载荷舱3喷气等形式使载荷舱3被脱离出母体，如图5所示。

母体可固定在有人机或者无人机上，也可从有人/无人机上投放。母机舱室可根据需要设计不同规模和尺寸，母体可根据需要设计安装不同数量的子机，子机可从母机上分离，通过携带不同的任务载荷协同作战/业，提高效能。

上述无动力式仿蒲公英飞行器的控制方法为：根据需要在母体上安装相应数量的子机，将带有子机的母体通过无人机或有人机运载至目标空中位置，然后将根据任务安排使子机从母体上分离；在子机脱离母体后，通过控制柔性冠毛张角的大小，控制子机的下降率至目标值(张角具体根据需要的飞行状态进行调整)，实现无动力长航时飞行。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种利用无动力式仿蒲公英飞行器的控制方法，其特征在于，飞行器由母体与子机组成，所述的子机包括冠毛翼（1）、主轴（2）和载荷舱（3），冠毛翼（1）固定于主轴（2）上部，由上下两层构成；每层冠毛翼（1）呈凹面朝上的弧面状，包括若干条沿主轴（2）外壁周向均匀排列的柔性冠毛，每条柔性冠毛一端固定于主轴（2）上，另一端为自由端；所述载荷舱（3）挂载于主轴（2）的下部；所述的母体包括舱体（4），舱体（4）的表面分布有若干舱室（5），所述子机的载荷舱（3）以可分离的形式安装于母体的舱室（5）中；

具体控制方法如下：根据任务需要在母体上安装相应数量的子机，将带有子机的母体通过无人机或有人机运载至目标空中位置，然后将根据任务安排使子机从母体上分离；在子机脱离母体后，通过控制柔性冠毛张角的大小，控制子机的下降率至目标值，实现无动力长航时飞行。

2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述的柔性冠毛为中空腔体。

3.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述的冠毛翼（1）中，每条柔性冠毛的内腔中，置有用于控制冠毛张角大小的形状记忆合金丝。

4.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述的每层冠毛翼（1）由36根冠毛构成。

5.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述的柔性冠毛主结构由石墨烯气凝胶制成。

6.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述的载荷舱（3）外形为纺锤体。

7.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述母体的舱体（4）为球形或椭球形，舱室（5）在其表面均匀分布，且子机的载荷舱（3）一一对应安装于母体的舱室（5）中，形成团簇形的组合式子母飞行器。

8.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述母体的舱室（5）表面采用吸附材料，子机的载荷舱（3）吸附于舱室（5）表面。

9.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述的载荷舱（3）内放置有设备和/或任务载荷。

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