CN115108006A - 一种被动式扑翼装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种被动式扑翼装置，属于航空技术领域，包括机体和活动连接在所述机体的扑翼，所述机体控制所述扑翼往复偏转俯仰角或循环变换上下外凸翼面，促进在迎流中可来回互换上下翼面的压强，而驱动所述扑翼扑动产生机械能构成扑翼发电机，或结合后掠摆动的反作用力产生升推力而构成扑翼飞行器。本发明采用非固定的扑翼翼面利用迎流来回互换上下翼面的压强，促使所述扑翼随着压强变化而产生被动式的扑动，实现以常规的结构材料构成大型扑翼装置。

Description

一种被动式扑翼装置

技术领域

本发明属于航空技术领域，具体涉及一种扑翼装置。

背景技术

扑翼是模仿鸟类飞行的一种结构装置，鸟类通过扑动翅膀的方式产生举升和推进，相比固定翼更具高效和灵活性。自古人们就梦想像鸟类那样在天空中飞翔，但直到目前还无法实现像鸟类那样灵活又高效的运用扑翼飞行，尤其大型扑翼受制于高强度材料和结构等技术瓶颈，无法以固定的翼面主动扑动促进飞行。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题或不足，本发明公开一种被动式扑翼装置，采用往复偏转俯仰角或循环变换上下外凸翼面的扑翼，在迎流中促使上下翼面的压强循环互换而被动的扑动产生动力，实现以常规的结构材料构成大型扑翼装置。

本发明的扑翼装置是通过以下技术方案得以实现的：一种被动式扑翼装置，包括机体和活动连接在机体的扑翼，机体控制扑翼可往复偏转俯仰角或可循环变换上下外凸翼面，促进在迎流中可循环互换上下翼面的压强，而驱动扑翼扑动产生机械能构成扑翼发电机，或结合后掠摆动的反作用力产生升推力而构成扑翼飞行器。

优选地，扑翼由翼根侧第一翼段和翼尖侧第二翼段通过副舵活动连接组成双凸翼或对称翼；第一翼段设有前梁、后梁和中梁，且前梁、后梁的前端头设有主舵活动连接机体，后端头设有副舵活动连接第二翼段；中梁前端头上下两侧设有悬架活动连接机体，后端头设有铰链活动连接第二翼段；主舵以悬架为支点推挽驱动第一翼段的俯仰角循环摆动，利用迎流产生在上下翼面的压强循环互换而驱动扑翼扑动。

优选地，中梁前端头设有可伸缩传动杆，传动杆尾部通过轴套设有曲柄摇杆机构，尾部末端设有导轨，与舵机、悬架将扑翼活动连接在机体上，且通过曲柄摇杆机构连接动能回收装置构成扑翼发电机，回收迎流驱动扑翼扑动的机械能进行发电。

优选地，第二翼段翼尖前缘向翼根后缘斜向设有驱动部件，驱动第二翼段俯仰角和掠角偏转控制姿态，提高第一翼段的升力，且利用后掠摆动的反作用力产生推进。

优选地，扑翼包括前梁、后梁、翼肋和蒙皮，且前梁、后梁沿翼展方向构成可前后偏转的弧形翼梁，翼肋沿上弧线方向构成可上下翻转的弧形翼肋；前梁和后梁设有多个蜗杆传动机构，通过万向联轴器活动连接翼肋且蒙上蒙皮构成可变换上下外凸翼面的扑翼；前梁和后梁在翼根端端头内侧设有驱动部件，以及在翼根端端头上下两侧设有悬架，将扑翼活动连接机体；驱动部件驱动前梁、后梁同步向后偏转来回摆动，且通过蜗杆传动机构增速驱动翼肋上下翻转，实现将上下凹凸翼面来回变化，促进利用迎流产生在上下翼面的压强循环互换而驱动扑翼扑动，以及利用后掠的反作用力产生推进。

优选地，前梁、后梁的前端头内侧通过横梁合并设有可伸缩传动杆，传动杆尾部设有曲柄摇杆机构，尾部末端设有导轨，与舵机、悬架将扑翼活动连接在机体上，且通过曲柄摇杆机构连接动能回收装置构成扑翼发电机，回收迎流驱动扑翼扑动的机械能进行发电。

优选地，蜗杆传动机构外部设有可变形材料构成扑翼的前后缘平滑连接蒙皮；翼肋套有滚轴穿在上下翼面的蒙皮之间，且挠性连接构成可变外凸翼面；蒙皮为一种柔性蒙皮，具有一定弹性加强表面张力，且与万向联轴器构成翼肋的平衡拉力，加强扑翼整体结构。

优选地，动能回收装置由制动机构和电能回收装置构成，且通过机体设有尾翼和推进器构成扑翼飞行器，在上升气流或下降飞行中回收迎流的动能发电储能增加续航；动能回收装置通过制动机构可控制所述扑翼为固定翼模式，适应不同飞行环境提高飞行效率。

本发明与现有技术相比所具有的有益效果是：采用非固定的扑翼翼面利用迎流来回互换上下翼面的压强，促使扑翼随着压强变化而产生被动式的扑动，实现以常规的结构材料构成大型扑翼装置。

附图说明

图1是本发明被动式扑翼装置第一种实施例的示意图。

图2是本发明被动式扑翼装置第一种实施例的结构示意图。

图3是本发明被动式扑翼装置第二种实施例的示意图。

图4是本发明被动式扑翼装置第二种实施例的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案更加清楚，下面结合附图对本发明实施例做进一步说明。

下面通过参考附图描述的实施例仅是本发明的参考示例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内做出简介修改或等同变化，均属于本发明技术方案的范围内。

图1、图2示出本发明第一种实施例，由机体和可变俯仰角的扑翼本体构成的一种扑翼飞行器。扑翼本体由翼根侧较大面积的主升力作用的第一翼段，和翼尖侧较小面积的姿态控制的第二翼段，通过副舵4及铰链活动连接构成对称翼型。第一翼段设有前梁1、后梁2和中梁3。前梁1和后梁2的前端头向下设有由液压缸构成的主舵5通过铰链活动连接机体，后端头设有由气缸构成的副舵4通过铰链活动连接第二翼段。中梁3的前端头设有分别由上下两侧的避震器构成的悬架6通过铰链活动连接机体，末端头通过具有一定阻尼和刚性的铰链活动连接第二翼段，加强扑翼本体的结构。前后梁的两个主舵5以悬架6为支点推挽驱动第一翼段的俯仰角循环摆动，促使上下翼面的压强循环互换而带动扑翼本体随着扑动，利用反作用力产生升推力，且以被动方式扑动可大大减小翼面承受的压力，降低扑翼结构及材料强度的高要求。

如图2所示，中梁3的前端头固定连接传动杆7，传动杆7的尾部设有轴套且在轴套上设有连接轴，活动连接曲柄摇杆机构8的摇杆，确保在扑翼本体偏转俯仰角等运动时可灵活传动。传动杆7尾部末端设有弹簧杆通过滚轮活动连接导轨10，可自动伸缩长度稳定连接，控制扑翼本体在上下方向的往复运动，且与主舵5、悬架6将扑翼本体活动连接机体，构成杠杆传动机构支撑扑动。曲柄摇杆机构8通过离合器变速箱连接由发电机、蓄电池构成的动能回收装置9，在上升气流和下降飞行中，扑翼飞行器利用迎流扑动所产生的机械能通过传动杆7驱动曲柄摇杆机构8，带动动能回收装置9进行发电储能增加续航。动能回收装置9还设有制动装置控制扑翼本体异步扑动，结合副舵4主动控制第二翼段的掠角，促进扑翼飞行器的飞行姿态控制。

如图1、图2所示，第二翼段翼尖前缘向翼根后缘斜向设有由气缸导轨和配重块构成的驱动部件11，在主舵5驱动第一翼段为俯角而下扑的上半周期时，设在后梁2的副舵4气缸活塞杆伸出控制第二翼段向前掠，同时驱动部件11驱动配重块顺着离心力加速向翼尖前缘滑动，驱动第二翼段为俯角加速第一翼段下扑动作。在舵机5驱动第一翼段为迎角而上扑的下半周期时，设在前梁1的副舵4气缸活塞杆伸出控制第二翼段向后掠的同时，驱动部件11驱动配重块又顺着离心力加速向翼根后缘滑动，利用后掠的反作用力产生推进，且驱动第二翼段为迎角加速第一翼段上扑动作。副舵4和驱动部件11还可以控制第二翼段产生与第一翼段相反的俯仰角，减小第一翼段扑动幅度而提高扑动频率，促进姿态控制。

如图1所示，本发明实施例的扑翼飞行器模仿鸟类滑翔翼的特点构成大展舷比翼型，通过在机体尾部设有尾翼控制方向和升降，以及设有推进器16促进迎流作用在翼面上产生压强实现扑动。本发明实施例的扑翼飞行器还通过动能回收装置9的制动装置锁定扑翼本体，构成上反角或下反角的前掠翼或后掠翼等固定翼模式，适应不同环境提高飞行效率。

图3、图4示出本发明第二种实施例，由机体和可变凹凸翼面的扑翼本体构成的一种扑翼飞行器。扑翼本体包括前梁1、后梁2、翼肋12和蒙皮，且前梁1和后梁2沿翼展方向构成可前后偏转的弧形翼梁，翼肋12沿翼型上弧线构成可上下翻转的弧形翼肋。前梁1和后梁2设有多个蜗杆传动机构，通过万向联轴器活动连接翼肋12。前梁1和后梁2的翼根端端头在上下两侧分别设有避震器构成悬架6，且通过铰链将扑翼本体活动连接在机体。前梁1和后梁2的翼根端端头合并设有横梁，且在横梁上设有两个液压马达构成驱动部件11，分别通过齿轮啮合前梁1和后梁2端头的齿轮，驱动循环偏转90°，同时通过前梁1和后梁2上的蜗杆传动机构增速驱动翼肋12循环偏转180°，将上凸下凹翼面与上凹下凸翼面来回变换，促使上下翼面的压强循环互换而带动扑翼本体扑动，且结合翼尖后掠的反作用力产生升推力，实现以被动方式扑动而大大减小翼面承受的压力，降低扑翼结构及材料强度的高要求。

如图4所示，前梁1和后梁2的翼根端端头合并构成的横梁固定连接传动杆7，传动杆7的尾部设有轴套且在轴套上设有连接轴，活动连接曲柄摇杆机构8的摇杆，确保在扑翼本体运动时可灵活传动。传动杆7尾部末端设有弹簧杆通过滚轮活动连接导轨10，可自动伸缩长度稳定连接，控制扑翼本体在上下方向的往复运动，且与悬架6将扑翼本体活动连接机体，构成杠杆传动机构支撑上下扑动。曲柄摇杆机构8通过离合器变速箱连接由发电机、蓄电池构成的动能回收装置9，实现扑翼飞行器在上升气流和下降飞行中，扑翼本体利用迎流扑动的机械能通过传动杆7驱动曲柄摇杆机构8，带动动能回收装置9进行发电储能增加续航。动能回收装置9还设有制动装置控制扑翼本体异步扑动及后掠动作，实现扑翼飞行器的飞行姿态控制。

如图3、图4所示，蜗杆传动机构活动连接前梁1和后梁2，且外部设有可变形材料构成扑翼本体的前后缘平滑连接上下蒙皮构成平滑的翼面。翼肋12套有滚轴穿在上下蒙皮之间，且挠性连接构成可变凹凸翼面。蒙皮为一种柔性蒙皮具有一定弹性加强表面张力，且与所述万向联轴器构成翼肋12的平衡拉力加强扑翼结构，促进在驱动部件11控制扑翼本体为上凹下凸翼面而下扑的上半周期时，扑翼本体的中部向前掠增强迎面气流促进下扑动作，尾部向后掠利用反作用力产生推进。驱动部件11控制扑翼本体的翼面为上凸下凹而上扑的下半周期时，扑翼本体的中部回正向上拱，尾部回正变长翼展且下垂减小翼尖气流上绕，进一步提高向上升力产生上扑动作。

如图4所示，本发明实施例的扑翼飞行器模仿鸟类负重翼的特点构成较宽翼弦的凹凸翼型，通过在机体尾部设有尾翼控制方向和升降，以及设有推进器16促进迎流作用在翼面上产生压强实现扑动。本发明实施例的扑翼飞行器还通过动能回收装置9的制动装置锁定扑翼本体为固定翼模式，适应不同环境提高飞行效率。

Claims (8)

1.一种被动式扑翼装置，包括机体和活动连接在所述机体的扑翼，其特征在于，所述机体控制所述扑翼往复偏转俯仰角或循环变换上下外凸翼面，促进在迎流中可来回互换上下翼面的压强，而驱动所述扑翼扑动产生机械能构成扑翼发电机，或结合后掠摆动的反作用力产生升推力而构成扑翼飞行器。

2.根据权利要求1所述的被动式扑翼装置，其特征在于，所述扑翼由翼根侧第一翼段和翼尖侧第二翼段通过副舵(4)活动连接组成双凸翼或对称翼；所述第一翼段设有前梁(1)、后梁(2)和中梁(3)，且所述前梁(1)、后梁(2)的前端头设有主舵(5)活动连接所述机体，后端头设有所述副舵(4)活动连接所述第二翼段；所述中梁(3)前端头上下两侧设有悬架(6)活动连接所述机体，后端头设有铰链活动连接所述第二翼段；所述主舵(5)以所述悬架(6)为支点推挽驱动所述第一翼段的俯仰角循环摆动，利用迎流产生在上下翼面的压强循环互换而驱动所述扑翼扑动。

3.根据权利要求1或2所述的被动式扑翼装置，其特征在于，所述中梁(3)前端头设有可伸缩传动杆(7)，所述传动杆(7)尾部通过轴套设有曲柄摇杆机构(8)，尾部末端设有导轨(10)，与所述舵机(5)、悬架(6)将所述扑翼活动连接在所述机体上，且通过所述曲柄摇杆机构(8)连接动能回收装置(9)构成扑翼发电机，回收迎流驱动所述扑翼扑动的机械能进行发电。

4.根据权利要求1或2所述的被动式扑翼装置，其特征在于，所述第二翼段翼尖前缘向翼根后缘斜向设有驱动部件(11)，驱动所述第二翼段俯仰角和掠角偏转控制姿态，提高所述第一翼段的升力，且利用后掠摆动的反作用力产生推进。

5.根据权利要求1所述的被动式扑翼装置，其特征在于，所述扑翼包括前梁(1)、后梁(2)、翼肋(12)和蒙皮，且所述前梁(1)、后梁(2)沿翼展方向构成可前后偏转的弧形翼梁，所述翼肋(12)沿上弧线方向构成可上下翻转的弧形翼肋；所述前梁(1)和后梁(2)设有多个蜗杆传动机构，通过万向联轴器活动连接所述翼肋(12)且蒙上所述蒙皮构成可变换上下外凸翼面的所述扑翼；所述前梁(1)和后梁(2)在翼根端端头内侧设有驱动部件(11)，以及在翼根端端头上下两侧设有悬架(6)，将所述扑翼活动连接所述机体；所述驱动部件(11)驱动所述前梁(1)、后梁(2)同步向后偏转来回摆动，且通过所述蜗杆传动机构增速驱动所述翼肋(12)上下翻转，实现将上下凹凸翼面来回变化，促进利用迎流产生在上下翼面的压强循环互换而驱动所述扑翼扑动，以及利用后掠的反作用力产生推进。

6.根据权利要求1或5所述的被动式扑翼装置，其特征在于，所述前梁(1)、后梁(2)的前端头内侧通过横梁合并设有可伸缩传动杆(7)，所述传动杆(7)尾部设有曲柄摇杆机构(8)，尾部末端设有导轨(10)，与所述舵机(5)、悬架(6)将所述扑翼活动连接在所述机体上，且通过所述曲柄摇杆机构(8)连接动能回收装置(9)构成扑翼发电机，回收迎流驱动所述扑翼扑动的机械能进行发电。

7.根据权利要求1或5所述的被动式扑翼装置，其特征在于，所述蜗杆传动机构外部设有可变形材料构成所述扑翼的前后缘平滑连接所述蒙皮；所述翼肋(12)套有滚轴穿在上下翼面的所述蒙皮之间，且挠性连接构成可变外凸翼面；所述蒙皮为一种柔性蒙皮，具有一定弹性加强表面张力，且与所述万向联轴器构成所述翼肋(12)的平衡拉力，加强所述扑翼整体结构。

8.根据权利要求1、3、6任意一项所述的被动式扑翼装置，其特征在于，所述动能回收装置(9)由制动机构和电能回收装置构成，且通过所述机体设有尾翼和推进器(16)构成扑翼飞行器，在上升气流或下降飞行中回收迎流的动能发电储能增加续航；所述动能回收装置(9)通过制动机构可控制所述扑翼为固定翼模式，适应不同飞行环境提高飞行效率。

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