CN110758731B - 一种固定翼扑翼复合式飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种固定翼扑翼复合式飞行器，整机蒙皮采用柔性材料，设计内、外翼结构机翼；在起飞过程中，内段机翼提供稳定的升力，外段机翼通过大幅度扑动和弦向扭转产生全部推力和部分升力。飞行过程中，以滑翔飞行为主，升力由内外段机翼提供，辅以较低扑频的外翼扑动，尾翼以提高飞行器的飞行稳定性。通过改变翼面下方悬挂物的重心，调整飞行器的飞行姿态。紧急状态下，外段扑翼可停止扑动并锁定在指定位置，与固定翼平行，形成固定翼布局，实现滑翔飞行。本发明具有更高的稳定性、安全性和舒适性，且可提升整个微型飞行器的升力特性。

Description

一种固定翼扑翼复合式飞行器

技术领域

本发明属于航空飞行器设计领域，具体涉及一种固定翼扑翼复合式飞行器。

背景技术

基于大型鸟类和蝙蝠的升推和操纵机理提出一款固定翼扑翼复合式飞行器，内段机翼固定，可提供一定的稳定升力；外段机翼通过扑动和弦向扭转产生升力和推力。

复合式飞行器是一种综合固定翼飞行器和扑翼飞行器的各自优点，具有气动效率高、可实现水平起降等特点。飞行器集升推力于一体，起降场地限制更少，可实现微噪音动力飞行。

现有固定翼飞行器的起降对场地的要求性高，飞行时易受侧风影响，飞行的灵活性相对较差。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出一种采用固定翼扑翼的复合式飞行器，具有更高的稳定性、安全性和舒适性，且可提升整个扑翼飞行器的升力特性。该构型飞行器平台提供了一种扑翼大型化的解决方案，同时在中小型扑翼飞行器上也具备一定的应用价值。

一种扑翼固定翼复合式飞行器，其特征在于：包括机体、机翼升力面、尾翼与扑翼驱动系统。

所述机体主体上方具有沿轴向的连接杆，连接杆前部安装机翼升力面，后端安装位移。机翼升力面包括内翼与外翼。其中，内翼与连接杆间固定；外翼位于内翼两侧，通过连接件与内翼相连，使外翼实现上下扑动并产生被动扭转。进而由内翼产生飞行器飞行所需的部分稳定升力；外翼通过扑翼驱动系统驱动，实现大幅度扑动和弦向扭转，产生飞行器飞行所需的全部推力和部分升力。

本发明的优点在于：

1、本发明固定翼扑翼复合式飞行器，参考大型鸟类的飞行机理，采用分段式机翼设计，通过内翼可以提供相对稳定的升力，相比整机翼扑动具有更高的稳定性、安全性和舒适性。

2、本发明固定翼扑翼复合式飞行器，外翼扑动除了能够产生推力驱动飞行器前进外，自身还能产生一定的升力，且在扑动过程中，会驱使前面的空气向后流动，改善内翼翼尖气流，可以在一定程度上提升整个微型飞行器的升力特性。

3、本发明固定翼扑翼复合式飞行器，可实现低空或超低空情况下飞行器较大载重的定高度/定功率飞行。在无动力模式下的净重为30KG，加装电机后净重为50KG，完全符合民航总局第188号令关于超轻飞行器的要求规范。

4、本发明固定翼扑翼复合式飞行器，在高机动飞行与水平起降方面具有独特的技术优势，可应用于一项集竞技、娱乐、观赏、教育于一体的仿生航空体育运动项目，能够为用户提供优于现有通航飞行器的飞行体验，拓展现有航空体育运动所带来的社会经济效益，未来可成为市场上最具潜力的个人和特技飞行器之一。

附图说明

图1为本发明固定翼扑翼复合式飞行器整体结构示意图；

图2为本发明固定翼扑翼复合式飞行器的机翼升力面结构示意图；

图3为本发明固定翼扑翼复合式飞行器的扑翼驱动系统结构示意图；

图4为扑翼驱动系统结构驱动原理示意图。

图中：

1-机体 2-机翼升力面 3-尾翼

4-扑翼驱动系统 101-吊袋 102-悬挂梁

103-连接杆 104-控制三脚架 105-机轮

106-下张线 201-内翼 202外翼

201a-内翼翼膜 201b-前侧杆 201c-后侧杆

201d-内翼翼肋 202a-外翼翼膜 202b-外翼骨架

202c-外翼翼肋 301-尾翼骨架 302-尾翼翼膜

401-拉杆 402-套管 403-齿轮

404-摇臂 405-连接件 406-外壳

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

本发明扑翼固定翼复合式飞行器，如图1所示，包括机体1、机翼升力面2、尾翼3与扑翼驱动系统4。

所述机体1包括吊袋101、悬挂梁102、连接杆103、控制三脚架104与机轮105。其中，吊袋101主要是用于承挂人或物体，外形为蛹状，呈流线型，前缘较钝，后缘较尖。吊袋101上部距吊袋101后端1/3吊袋101前后方向长度位置处安装有纵向设置的悬挂梁102，悬挂梁102底端与吊袋101上部固定，顶部安装连接杆103。连接杆103沿前后方向水平；连接杆103中部与悬挂梁102固定。连接杆103的前部安装机翼升力面2，后部安装尾翼3，用于提供飞行器飞行时的稳定性。控制三脚架104为等腰三角形，顶角处与连接杆103前端端部间固定，且使吊袋101前端位于控制三脚架104内部。控制三角架104底边上靠近两个底角处装有机轮105，用于承受飞行器在地面停放、滑行、起飞着陆滑跑时的重力，以及滑跑与滑行时的制动。

所述机翼升力面2由内翼201和外翼202组成，如图2所示，其中内翼201用于产生飞行器飞行所需的部分稳定升力；外翼202通过扑翼驱动系统4驱动，实现大幅度扑动和弦向扭转，产生飞行器飞行所需的全部推力和部分升力。

所述内翼201包括内翼翼膜201a与内翼骨架。其中内翼骨架由两根前侧杆201b、一根后侧杆201c以及内翼翼肋201d构成。两根前侧杆201b端部相接固定，形成120°～160°的钝角。两根前侧杆201b后端分别与后侧杆201c两端通过插接件插接固定，形成等腰钝角三角形骨架，且后侧杆201c与顶角间的垂直距离为1m左右为宜。内翼骨架的顶角处(钝角位置)与连接杆103前端端部固定，底边中心位置与连接杆103固定。

所述内翼翼膜201a前侧边与两根前侧杆201b形成的钝角匹配，沿内翼翼膜201a前侧边设计有前侧杆通道，使内翼翼模201a前侧边套于翼模骨架的两根前侧杆201b上；同时内翼翼膜上与后侧杆201c对应位置设计有后侧杆穿入通道，使后侧杆201c穿过该通道后与前侧杆201b插接。内翼翼膜201a上还沿展向等间隔设计有平行于连接杆103的内翼肋通道，各内翼肋通道内插入内翼翼肋201d后，使内翼翼肋201d通过端部安装的插接件与前侧杆201b上设计的插头插接固定，通过内翼翼肋201d支撑内翼翼膜201a，维持内翼翼膜201a的气动外形。内翼翼膜201a后侧边大致平行于后侧杆201c即可，与后侧杆201c间的垂直距离为1.5m左右。内翼翼膜201a左右宽度等于后侧杆201c长度，左右两侧边为等长度直边，均平行于连接杆103。

所述外翼202安装于内翼201左右两侧，包括外翼翼膜202a、外翼骨架202b与外翼翼肋202c。其中，外翼翼膜202a前侧边为直边，沿外翼翼模202a前侧边设计有外翼骨架通道，使外翼翼膜202a前侧边可套于杆状外翼骨架202b上。同样外翼翼膜202a上沿展向等间隔设计有平行于连接杆103的外翼肋通道，各外翼肋通道内插入外翼翼肋202c后，使外翼翼肋202c通过端部安装的插接件与外翼骨架202b上设计的插头插接固定，通过外翼翼肋202c支撑翼膜，维持外翼翼膜202a的外形。外翼骨架202b与内翼骨架的前侧杆201b 间具有150～160°夹角，同时外翼骨架202b末端与内翼骨架所形成的钝角三角形底角处通过铰接件铰接。该铰接件的铰接轴轴线平行于连接杆103；同时该铰接件通过转轴安装于外翼骨架202b末端，转轴轴线垂直于连接杆103。由此使外翼202具有可绕铰接轴转动的转动副，同时具有绕外翼弦向扭转的转动副。外翼翼膜202a的内侧边为直边，与内翼翼膜外侧边相接，无连接关系。外翼翼膜202a的后侧边为弧形边。

如图3、图4所示，所述扑翼驱动系统4通过连杆悬挂于连接杆103上，由电机输出动力，减速器减速后，输出至齿轮传动机构，最后由齿轮传动机构将动力输出至两根拉杆401。两根拉杆401末端套有套筒402，同时套筒402之间以及与电机相对固定的支架三者间铰接，两根拉杆402的外端固定安装有连接件405，通过连接件405连接外翼骨架202b 内端。齿轮传动机构中，驱动两根拉杆401运动的两个相互捏合的齿轮403通过摇臂404 与拉杆401末端上的套筒402铰接，该摇臂404与齿轮403间偏心连接。由此在两个齿轮 403转动时，通过摇臂404可带动拉杆401末端进行圆周运动，使拉杆401同时具有上下以及左右的位移，进而拉杆401可带动外翼202上下扑动，同时还会使外翼202产生绕外翼弦向的被动扭转，使外翼202产生部分升力和全部推力，且在外翼202扑动过程中，会驱使前面的空气向后流动，改善内翼201翼尖气流，从而能提升固定翼的升力特性。外翼202 优选的扑动幅度在±60°以内，扭转幅度在45°以内。

所述尾翼3包括左尾翼与右尾翼，对称安装于连接杆103后部。左尾翼与右尾翼均由尾翼骨架301和尾翼翼膜302组成。尾翼骨架301具有前侧杆301a与后侧杆301b；前侧杆301a与后侧杆301b内端与连接杆103固定连接，后端间固定连接，形成整体尾翼骨架。尾翼骨架301上固定安装尾翼翼膜302。左尾翼与右尾翼的翼膜面积为内翼翼膜201a面积的10％～15％。

本发明中在控制三脚架104与机翼升力面2间加装下张线106，如图1所示，下张线共四根，令其为第一～第四下张线。其中，第一、第二下张线左右对称布置，一端通过卡钩连接内翼骨架顶角；另一端通过卡钩分别连接控制三脚架两底角。第三、第四下张线一端通过卡钩分别连接后测杆201c两端；另一端通过卡钩分别连接控制三脚架两底角。通过安装下张线106，将内翼骨架与控制三角架104连接，以承受飞行器在飞行过程中来自内翼201的拉力。

上述内翼翼膜201a、外翼翼膜202a与机体的蒙皮由柔性材料组成，采用滑翔伞布料，并在内翼翼膜与外翼翼膜202a前缘部分加厚，便于安装内翼膜连杆与外翼膜连杆。外翼翼膜202a面积是内翼翼膜201a面积的35％～45％，整机机翼翼展为10m～13m为宜。

本发明扑翼固定翼复合式飞行器起飞时，需满足一定的水平速度条件，内翼201提供稳定升力的同时，扑翼驱动系统4驱动外翼202以1-2Hz扑频扑动提供推力和部分升力，到达一定高度后，外翼202扑频降低，飞行器可维持巡航状态，亦可实现滑翔。

飞行过程中，以滑翔飞行为主，升力由内翼201与外翼202提供，辅以较低扑频的外翼202扑动，尾翼3以提高飞行器的飞行稳定性。当机体内载人的情况下，可通过调节改变人体重心，调整飞行器的飞行姿态。紧急状态下，外翼202可停止扑动并锁定在指定位置，与内翼201平行，形成固定翼布局，实现滑翔飞行。

Claims (2)

1.一种固定翼扑翼复合式飞行器，其特征在于：包括机体、机翼升力面、尾翼与扑翼驱动系统；

所述机体包括控制三脚架，所述机体主体上方具有沿轴向的连接杆，连接杆前部安装机翼升力面，后端安装尾翼；尾翼包括左尾翼与右尾翼，对称安装；左尾翼与右尾翼均由尾翼骨架和尾翼翼膜组成；尾翼骨架具有前侧杆与后侧杆；前侧杆与后侧杆内端与连接杆固定连接，后端间固定连接，形成整体尾翼骨架；尾翼骨架上固定安装尾翼翼膜；

所述机翼升力面包括内翼与外翼；其中，内翼与连接杆间固定；外翼位于内翼两侧，通过连接件与内翼相连，使外翼实现上下扑动以及被动扭转的运动；进而由内翼产生飞行器飞行所需的部分稳定升力；外翼通过扑翼驱动系统驱动，实现大幅度扑动和弦向扭转，产生飞行器飞行所需的全部推力和部分升力；

上述内翼包括内翼翼膜与内翼骨架；其中内翼骨架包括两根前侧杆、一根后侧杆构成的钝角三角形骨架以及用于维持内翼翼膜气动外形的内翼翼肋；内翼翼膜前侧边与内翼骨架前侧边间固定，同时还与后测杆及内翼翼肋间固定；内翼翼膜后侧边平行于后侧杆，内翼翼膜左右宽度等于后侧杆长度，左右两侧边为长度直边，均平行于连接杆；

外翼包括外翼翼膜、外翼骨架与外翼翼肋；其中，外翼翼膜前侧边为直边，外翼翼膜前侧边固定于外翼骨架上，同时还与外翼翼肋固定；外翼翼膜的内侧边为直边，与内翼翼膜外侧边相接，无连接关系；外翼翼膜的后侧边为弧形边；

扑翼驱动系统通过连杆悬挂于连接杆上，由电机输出动力，减速器减速后，输出至齿轮传动机构，最后由齿轮传动机构将动力输出至两根拉杆；两根拉杆末端套有套筒，同时套筒之间以及与电机相对固定的支架三者间铰接，两根拉杆的外端固定安装有连接件，通过连接件连接外翼骨架内端；齿轮传动机构中，驱动两根拉杆运动的两个相互捏合的齿轮通过摇臂与拉杆末端上的套筒铰接，该摇臂与齿轮间偏心连接；由此在两个齿轮转动时，通过摇臂可带动拉杆末端进行圆周运动，使拉杆同时具有上下以及左右的位移，进而拉杆可带动外翼上下扑动，同时还会使外翼产生绕外翼弦向的被动扭转，使外翼产生部分升力和全部推力；

所述的控制三脚架顶角处与连接杆前端固定，且使机体主体前端位于控制三脚架内部；控制三脚架底边上靠近两个底角处装有机轮；且通过安装下张线将内翼骨架与控制三脚架连接，以承受飞行器在飞行过程中来自内翼的拉力。

2.如权利要求1所述一种固定翼扑翼复合式飞行器，其特征在于：前侧杆与后侧杆及翼肋间通过插接件插接固定。

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