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1. (WO2018224033) AIRCRAFT WITH IMITATION BEETLE ELYTRON WINGS
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说明书

发明名称 0001   0002   0003   0004   0005   0006   0007   0008   0009   0010   0011   0012   0013   0014   0015   0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032   0033   0034   0035   0036   0037   0038   0039   0040   0041   0042   0043   0044   0045   0046   0047   0048   0049   0050   0051   0052   0053   0054   0055  

权利要求书

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10  

附图

1   2   3   4   5   6   7   8   9  

说明书

发明名称 : 一种仿甲虫鞘翅机翼航空器

技术领域

[0001]
本发明涉及一种利用仿昆虫翼的机翼作为水平机翼的航空器,具体的是一种仿甲虫鞘翅机翼航空器,属于航空器技术领域。

背景技术

[0002]
航空器可分为固定翼和旋转翼两大类,固定翼常见于水平起降航空器(如喷气式客机),而旋转翼常见于垂直起降航空器(如直升机)。就现有技术水平而言,固定翼航空器飞行速度高、操作简便,但需依托跑道起降;而旋转翼航空器可以垂直起降,不需依托跑道起降,适应性强,但是机理失调,操控复杂,飞行速度慢,燃油效率低。
[0003]
目前,垂直起降航空器还存在一些无法克服的固有缺陷。一是飞行速度有极限:受翼尖绝对速度必须小于音速的限制,旋转翼航空器的理论速度不能超过420公里/小时。二是可靠性低;旋翼桨叶的挥舞产生机械振动,增加了铰链的磨损,使得其可靠性总是不如固定翼航空器。三是横滚稳定性差:两侧旋翼的升力不均匀,会导致旋转翼航空器发生横滚,在几秒钟内就会倾覆失控。四是操控复杂:直升机的旋翼虽然提供了飞行的机动性,但同时也造成了飞行操控的复杂性。使得操控负荷远远大于固定翼飞机,加大了人为失误的概率。五是无法做大:由于旋翼直径和转速受到翼尖速度不能超过音速的限制,旋翼直径一般最大就是十几米,航空器尺寸受限,无法做得更大。六是飞行机理失调:直升机虽然发展了近70年,但是飞行机理内在的协调性差,充满了先天性的矛盾。七是采用固定翼的矛盾:很多新型复合式垂直起降航空器尝试采用固定翼,但却面临小面积固定翼效果有限、而大面积固定翼会对垂直起降时的下洗气流造成遮挡的矛盾。
[0004]
总之,垂直起降航空器的上述缺陷来源于机翼既要兼顾垂直起降又要满足水平飞行两种飞行模式而产生的矛盾,需要一种较有针对性的技术方法来对其进行协调。
[0005]
发明内容
[0006]
本发明要解决的技术问题是如何协调航空器在垂直起降与水平飞行两种飞行模式转换中产生的矛盾,通过提出一种仿甲虫鞘翅机翼航空器,利用仿甲虫鞘翅机翼协调航空器垂直起降与水平飞行转换时的矛盾,并配合片状机身、增加鳍翼和采用收放式旋翼,有效提高飞行控制反应的速度、灵敏度、容错能力和安全性等。
[0007]
为解决上述技术问题,本发明提供一种仿甲虫鞘翅机翼航空器,包括机身1、机翼2、旋转翼4、水平推进装置5,采用仿甲虫鞘翅的机翼作为航空器的水平翼,仿甲虫鞘翅的机翼2与航空器机身1铰接,仿甲虫鞘翅的机翼可在空中根据不同飞行工况的受力情况自 动完成下垂和展平的收放动作;仿甲虫鞘翅机翼航空器上方安装有旋转翼4,通过旋转翼实现垂直起降,航空器垂直起降时仿甲虫鞘翅的机翼在重力和旋翼下洗气流作用下自动下垂收合而与机身趋于平行,避免机翼对下洗气流的遮挡和气弹振动,消除机翼对旋转翼的干扰,减少航空器起降的阻力,并使整个航空器重心下移,大幅提高航空器飞行稳定性;仿甲虫鞘翅机翼航空器安装水平推进装置5,通过水平推进实现水平飞行,航空器水平飞行时仿甲虫鞘翅的机翼在翼型升力作用下自动上翻展平成为固定翼,提供水平飞行所需升力。在航空器悬停状态下,仿甲虫鞘翅的机翼完全下垂以后还可以像风向标一样自动顶风,安全高效。
[0008]
所述仿甲虫鞘翅的机翼模仿甲虫鞘翅功能设计,包括一组悬臂2-1与翼体2-2,悬臂2-1的一端固定在机身1上,另一端通过自由铰链6与翼体2-2连接,翼体2-2可以围绕自由铰链6自由转动、在空中根据不同飞行工况的受力情况自动完成下垂收合或上翻展平。当所述翼体2-2的下垂空间受限时,可将翼体2-2设计为折叠式或伸缩式结构,使整个机翼展开时能够长度大于机身高度,突破机身高度对于机翼翼展的限制,从而提高航空器升力。
[0009]
所述悬臂2-1的长度需保证翼体2-2完全下翻后在机身1之间留出足够的空间,以减少对下洗气流的遮挡;作为优选,翼体2-2内侧与机体1的间距一般应大于机体1宽度的1/2,具体根据实际需要确定。
[0010]
所述仿甲虫鞘翅的机翼2转动时,通过设置限位装置2-3控制其转动的精确位置,并保证左右两侧机翼同步翻转。限位装置2-3为普通拉杆或限位卡槽、限位凸块等限位机构,具体根据实际需要确定。限位装置在限制机翼上下翻动后固定位置的同时,避免由于受力不平衡而出现的横滚失稳,并保证航空器左右两侧的刚性机翼能够展平到某一稳定的位置。
[0011]
所述仿甲虫鞘翅的机翼2的下垂收合和上翻展平的完成,既可以利用机翼重力自然下垂、利用翼型升力克服机翼重力自然上翻,利用物理原理机翼可在相应的飞行状态下自动变形,让航空器具备自适应能力,降低人工操作的繁复程度,提高容错率。此外,仿甲虫鞘翅的机翼2的下垂收合和上翻展平也可以通过普通机械式或电动操控机构人工操作强制完成,即在机翼进行自适应调整的同时运用人工操作辅助,提高机翼工作的灵活性和可靠性,大大提高航空器飞行的协调性与鲁棒性。
[0012]
所述航空器的机身1为片状,机身的宽度远远小于高度和长度,其正断面和横断面呈窄长形,机身外形的高宽比和长宽比一般均应大于4(具体根据实际需要确定),从而大幅 减小飞行器水平飞行或垂直起降时的空气阻力。作为立式机身高宽比大于长宽比,而作为卧式机身则长宽比大于高宽比;通过所述飞行器机身的特殊几何形状,保证机身对于水平方向和垂直方向的气流均无遮挡,形成良好的垂直起降和水平飞行气动特性。
[0013]
所述片状的航空器机身1为整体式结构或机舱1-1与导流板1-2的组合结构,导流板1-2为连续表面结构。即飞行器机身外形尺寸满足高度和长度远远大于宽度,可以采用满足条件的整体式机身结构实现,也可采用导流板与机舱组合形成机身,通过导流板延伸机身的长度或宽度,满足机身外形高宽比和长宽比要求。采用导流板延伸机身的长度或宽度时,可将导流板设置于机舱的上部、下部、中部、前部、后部的任一位置,具体根据实际需要选择。所述机身1和导流板1-2的迎风面断面为对称的楔形、迎风面轮廓线为流线型,以减少空气阻力。
[0014]
所述航空器的旋转翼4为收放式旋翼,采用一组可以在飞行中完全展开和完全收合的旋翼桨叶4-3,旋翼桨叶4-3则通过桨叶轴套4-2与旋翼驱动轴4-1连接。航空器起降时驱动轴4-1正向旋转,并通过桨叶轴套4-2依次驱动旋翼桨叶4-3正向旋转,使所有桨叶完全展开产生最大升力;航空器水平飞行时,驱动轴4-1停止旋转,旋翼桨叶4-3将在迎面气流的作用下反向自由回旋,最终完全收合重叠,变形为一个空气阻力很小的形状。收放式旋翼通过桨叶轴套的棘轮作用和利用离心力和风力的作用实现旋翼的自动收放,可以根据飞行工况自动调整旋翼桨叶的工作状态,显著消除垂直起降航空器旋翼水平飞行的阻力和振动。
[0015]
所述旋翼桨叶4-3的数目可以根据需要确定为1、2、3、4、5、6、7、8甚至更多(具体数量根据实际需要选择),旋翼桨叶的正向依次展开的自动锁位可以通过在桨叶驱动轴套上或桨叶根部设置锁位机构的方法实现。可以将每个桨叶均通过桨叶轴套4-2与旋翼驱动轴4-1连接,桨叶轴套4-2具有类似棘轮的单向锁止功能,可以正向驱动旋转展开锁位和逆向自由旋转收合后顺;单向锁止结构包括但不限于每个桨叶轴套4-2具有上下两个结合面分别与上下两个相邻桨叶的桨叶轴套相配合,下结合面4-2-1与下桨叶轴套的上结合面配合,上结合面4-2-2与上桨叶轴套的下结合面配合;最下一叶桨叶为主动桨叶,其余为从动桨叶;旋翼驱动轴4-1与主动桨叶的轴套相连接,当旋翼驱动轴驱动主动桨叶的轴套时,根据上下桨叶轴套之间的相互配合关系,下方的桨叶轴套将依次驱动上方的桨叶轴套带动旋翼桨叶旋转,当旋翼桨叶正向完全展开后各相邻桨叶的夹角均分360°圆周角。也可采用三角形桁架连接三片桨叶与驱动轴,三片桨叶分别与桁架的三个角铰接,可由驱动轴带动展开相互间呈120°夹角等。当旋翼驱动轴停止驱动时,桨叶在迎面风力作用下 逆向自由回旋,后顺收合,相互重叠,各相邻桨叶的夹角为零;根据桨叶与驱动轴之间连接关系的不同,一组桨叶逆向收合自然复位至旋翼原始状态后,整个旋翼可以呈折扇形、矩形、圆形、或多边形形状。
[0016]
所述旋翼桨叶的工作状态与航空器的飞行状况保持同步,旋翼桨叶的工作机理与航空器的飞行相互协调,使得旋翼具有根据航空器飞行状况自动改变气动外形的自适应能力,在飞行过程中完全展开或者完全收缩,转化过程自然、平稳、连续,旋翼工作状态可根据航空器飞行状况自动调整,该开时开,该合时合,自然转换,平稳过渡,不需要额外的人工干预,具有自适应性,使得飞行操控简化、安全性高、可靠性好。所述航空器的收放式旋翼,设计合理,简洁自然,实现了垂直起降和水平飞行两种工作模式下旋翼工作状态的自然转换、平稳过渡和有效兼容。
[0017]
所述航空器的片状机身上安装有一个或多个大面积片状鳍翼3(具体数量根据实际需要选择),通过转动鳍翼改变鳍翼与气流的相对运动状态产生作用力或通过改变鳍翼的组合状态产生力矩,使鳍翼产生的力或力矩施加于片状机身,控制航空器的航行姿态。所述鳍翼3可围绕鳍翼轴转动,可以通过常规机械或电动式操控机构人工操作,以鳍翼轴为轴心转动,展开或收平与片状机身形成一体。鳍翼3可设置于机身1的头部、背部、腹部、尾部、腰部,也可以前后成对使用或上下成对使用,具体根据实际需要确定。
[0018]
所述仿甲虫鞘翅机翼航空器垂直起降和水平飞行时可以分别操控、无缝衔接,垂直起飞时可以关闭水平推进装置5,升高到合适高度后启动水平推进,水平飞行达到一定速度后再逐渐关闭旋转翼4,降落过程则相反,通过仿甲虫鞘翅的机翼2的自适应工作,降低垂直起降的驱动机构和水平飞行的驱动机构之间的强烈耦合关系,使得飞行模式的转换更加自然,更加顺畅,更加简易,更加安全。
[0019]
本发明通过采用仿甲虫鞘翅的机翼,可以在空中根据飞行工况完成下垂和展平的收放动作,机翼在航空器垂直起降时下垂收合而与机身趋于平行,回避对下洗气流的遮挡和气弹振动,有效消除机翼对旋转翼的干扰,减少起降的阻力,并使整个航空器重心下移,大幅提高航空器飞行稳定性;在航空器水平飞行时,仿甲虫鞘翅的机翼上翻展平成为固定翼,可以提供水平飞行所需升力。在航空器悬停状态下,完全下垂的仿甲虫鞘翅的机翼还可以像风向标一样自动顶风,安全高效。
[0020]
本发明片状机身的配合使用,可以保证机身对于水平方向和垂直方向的气流均无遮挡,大幅减小飞行器正向飞行或垂直起降时的空气阻力,形成良好的垂直起降和水平飞行气动特性;而导流板的采用则可以延伸机身的长度或宽度,满足机身外形高宽比和长宽比要求。 收放式旋翼的采用,既可以在航空器起降时展开桨叶而产生最大升力,也可以在航空器水平飞行时收合桨叶而减小空气阻力,根据飞行工况调整旋翼桨叶的工作状态,消除旋翼水平飞行阻力和振动。
[0021]
与现有技术相比,本发明能有效地协调垂直起降与水平飞行两种状态转换时所产生的矛盾,解决旋转翼与固定翼之间的相互影响,并能根据飞行状态进行自适应性地自动改变机翼的形态和气动特征,解除了垂直起降驱动机构和水平飞行驱动机构之间的强烈耦合关系,有效避免了正交驱动之间的相互冲突,有效减少了人工操作介入,有效提高了飞行控制的容错能力、飞行安全和飞行效率;具有机理协调、结构简单、成本低廉、可靠性高、适应性好等优点,可广泛应用于载人航空器或无人机等。

附图说明

[0022]
图1是本发明航空器机翼处于下垂收合状态示意图。
[0023]
图2是本发明航空器机翼处于上翻展平状态示意图。
[0024]
图3是本发明机翼同步机构原理图。
[0025]
图4是本发明航空器正视示意图。
[0026]
图5是本发明实施例收放式旋翼收合状态示意图。
[0027]
图6是本发明实施例收放式旋翼旋转展开示意图。
[0028]
图7是本发明实施例收放式旋翼桨叶的上下两轴套相互配合剖视图。
[0029]
图8是本发明实施例收放式旋翼桨叶的上下两轴套相互配合A-A剖视图。
[0030]
图9是本发明实施例收放式旋翼桨叶的上下两轴套相互配合B-B剖视图。
[0031]
图中标号:1-机身,1-1-机舱,1-2-导流板,2-机翼,2-1-悬臂,2-2-翼体,2-3-限位装置,3-鳍翼,4-旋转翼,4-1-桨叶轴,4-2桨叶轴套,4-2-1-桨叶轴套的下结合面,4-2-2-桨叶轴套的上结合面,4-3桨叶,5-水平推进装置,6-自由铰链。

具体实施方式

[0032]
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详尽描述,实施例中未注明的技术或产品,均为现有技术或可以通过购买获得的常规产品。
[0033]
实施例1:参见图1-9,本仿甲虫鞘翅机翼航空器包括机身1、机翼2、旋转翼4、水平推进装置5,采用仿甲虫鞘翅的机翼作为航空器的水平翼,仿甲虫鞘翅的机翼2与航空器机身1铰接,仿甲虫鞘翅的机翼可在空中根据飞行工况自动完成下垂和展平的收放动作;仿甲虫鞘翅机翼航空器上方安装有旋转翼4,通过旋转翼实现垂直起降,航空器垂直起降时仿甲虫鞘翅的机翼在重力和旋翼下洗气流作用下自动下垂收合而与机身趋于平 行,避免机翼对下洗气流的遮挡和气弹振动,消除机翼对旋转翼的干扰,减少航空器起降的阻力,并使整个航空器重心下移,大幅提高航空器飞行稳定性。仿甲虫鞘翅机翼航空器安装水平推进装置5,通过水平推进实现水平飞行,航空器水平飞行时仿甲虫鞘翅的机翼在翼型升力作用下自动上翻展平成为固定翼,提供水平飞行所需升力。航空器悬停状态下,仿甲虫鞘翅的机翼完全下垂以后还可以像风向标一样自动顶风。仿甲虫鞘翅的机翼在相应的飞行状态下自动变形,让航空器具备了自适应能力,降低人工操作的繁复程度,提高容错率。
[0034]
仿甲虫鞘翅机翼航空器垂直起降和水平飞行时可以分别操控、无缝衔接,垂直起飞时可以关闭水平推进装置5,升高到合适高度后启动水平推进,水平飞行达到一定速度后再逐渐关闭旋转翼4,降落过程则相反,通过仿甲虫鞘翅的机翼2的自适应工作,降低垂直起降的驱动机构和水平飞行的驱动机构之间的强烈耦合关系,使得飞行模式的转换更加自然,更加顺畅,更加简易,更加安全。
[0035]
仿甲虫鞘翅的机翼模仿甲虫鞘翅功能设计,包括一组悬臂2-1与翼体2-2,悬臂2-1的一端固定在机身1上,另一端通过自由铰链6与翼体2-2连接,翼体2-2可以围绕自由铰链6自由转动、在空中根据不同飞行工况的受力情况自动完成下垂收合或上翻展平。翼体2-2设计为常规折叠式结构,使整个机翼展开时能够长度大于机身高度,突破机身高度对于机翼翼展的限制,从而提高航空器升力。悬臂2-1的长度保证翼体2-2完全下翻后,其内侧与机体1的间距大于机体1宽度的1/2,在机身1之间留出足够的空间。仿甲虫鞘翅的机翼2转动时,通过设置普通拉杆限位装置2-3,控制其转动的精确位置,并保证左右两侧机翼同步翻转。限位装置在限制机翼上下翻动后固定位置的同时,避免由于受力不平衡而出现的横滚失稳,并保证航空器左右两侧的刚性机翼能够展平到某一稳定的位置。
[0036]
航空器的机身1为片状,机身的宽度远远小于高度和长度,其正断面和横断面呈窄长形,机身外形的高宽比和长宽比均>4,从而大幅减小飞行器正向飞行或垂直起降时的空气阻力。航空器的机身1为立式片状整体式结构,机身的高宽比大于长宽比,通过机身的特殊几何形状,保证机身对于水平方向和垂直方向的气流均无遮挡,形成良好的垂直起降和水平飞行气动特性。
[0037]
航空器的旋转翼4为收放式旋翼,采用一组可以在飞行中完全展开和完全收合的旋翼桨叶4-3,旋翼桨叶4-3则通过桨叶轴套4-2与旋翼驱动轴4-1连接。航空器起降时驱动轴4-1正向旋转,并通过桨叶轴套4-2依次驱动旋翼桨叶4-3正向旋转,使所有桨叶完全展开产生最大升力;航空器水平飞行时,驱动轴4-1停止旋转,旋翼桨叶4-3将在迎面气 流的作用下反向自由回旋,最终完全收合重叠,变形为一个空气阻力很小的形状。收放式旋翼通过桨叶轴套的棘轮作用和利用离心力和风力的作用实现旋翼的自动收放,可以根据飞行工况自动调整旋翼桨叶的工作状态,显著消除垂直起降航空器旋翼水平飞行的阻力和振动。
[0038]
旋翼桨叶4-3的数目为两片,旋翼桨叶的正向依次展开的自动锁位通过在桨叶驱动轴套上或桨叶根部设置锁位机构的方法实现,即将每个桨叶均通过桨叶轴套4-2与旋翼驱动轴4-1连接,桨叶轴套4-2具有类似棘轮的单向锁止功能,可以正向驱动旋转展开锁位和逆向自由旋转收合后顺;每个桨叶轴套4-2具有上下两个结合面分别与上下两个相邻桨叶的桨叶轴套相配合,下结合面4-2-1与下桨叶轴套的上结合面配合,上结合面4-2-2与上桨叶轴套的下结合面配合;最下一叶桨叶为主动桨叶,其余为从动桨叶;旋翼驱动轴4-1与主动桨叶的轴套相连接,当旋翼驱动轴驱动主动桨叶的轴套时,根据上下桨叶轴套之间的相互配合关系,下方的桨叶轴套将依次驱动上方的桨叶轴套带动旋翼桨叶旋转,当旋翼桨叶正向完全展开后各相邻桨叶的夹角均分360°圆周角。当旋翼驱动轴停止驱动时,桨叶在迎面风力作用下逆向自由回旋后顺收合,呈相互重叠、夹角为零的折扇形。
[0039]
旋翼桨叶的工作状态与航空器的飞行状况保持同步,旋翼桨叶的工作机理与航空器的飞行相互协调,使得旋翼具有根据航空器飞行状况自动改变气动外形的自适应能力,在飞行过程中完全展开或者完全收缩,转化过程自然、平稳、连续,旋翼工作状态可根据航空器飞行状况自动调整,该开时开,该合时合,自然转换,平稳过渡,不需要额外的人工干预,具有自适应性,使得飞行操控简化、安全性高、可靠性好。航空器的收放式旋翼,设计合理,简洁自然,实现了垂直起降和水平飞行两种工作模式下旋翼工作状态的自然转换、平稳过渡和有效兼容。
[0040]
航空器的片状机身背部安装有一个大面积片状鳍翼3,通过转动鳍翼改变鳍翼与气流的相对运动状态产生作用力或通过改变鳍翼的组合状态产生力矩,使鳍翼产生的力或力矩施加于片状机身,控制航空器的航行姿态。鳍翼3可围绕鳍翼轴转动,通过常规机械式操控机构人工操作,以鳍翼轴为轴心转动,展开或收平与片状机身形成一体。
[0041]
实施例2:参见图1-9,本仿甲虫鞘翅机翼航空器包括机身1、机翼2、旋转翼4、水平推进装置5,采用仿甲虫鞘翅的机翼作为航空器的水平翼,仿甲虫鞘翅的机翼2与航空器机身1铰接,仿甲虫鞘翅的机翼可在空中根据飞行工况自动完成下垂和展平的收放动作;仿甲虫鞘翅机翼航空器上方安装有旋转翼4,通过旋转翼实现垂直起降,航空器垂直起降时仿甲虫鞘翅的机翼在重力和旋翼下洗气流作用下自动下垂收合而与机身趋于平行,避免 机翼对下洗气流的遮挡和气弹振动,消除机翼对旋转翼的干扰,减少航空器起降的阻力,并使整个航空器重心下移,大幅提高航空器飞行稳定性。仿甲虫鞘翅机翼航空器安装水平推进装置5,通过水平推进实现水平飞行,航空器水平飞行时仿甲虫鞘翅的机翼在翼型升力作用下自动上翻展平成为固定翼,提供水平飞行所需升力。航空器悬停状态下,仿甲虫鞘翅的机翼完全下垂以后还可以像风向标一样自动顶风。
[0042]
仿甲虫鞘翅机翼航空器垂直起降和水平飞行时可以分别操控、无缝衔接,垂直起飞时可以关闭水平推进装置5,升高到合适高度后启动水平推进,水平飞行达到一定速度后再逐渐关闭旋转翼4,降落过程则相反,通过仿甲虫鞘翅的机翼2的自适应工作,降低垂直起降的驱动机构和水平飞行的驱动机构之间的强烈耦合关系,使得飞行模式的转换更加自然,更加顺畅,更加简易,更加安全。
[0043]
仿甲虫鞘翅的机翼模仿甲虫鞘翅功能设计,包括一组悬臂2-1与翼体2-2,悬臂2-1的一端固定在机身1上,另一端通过自由铰链6与翼体2-2连接,翼体2-2可以围绕自由铰链6自由转动、在空中根据不同飞行工况的受力情况自动完成下垂收合或上翻展平。翼体2-2设计为常规伸缩式结构,使整个机翼展开时能够长度大于机身高度,突破机身高度对于机翼翼展的限制,从而提高航空器升力。悬臂2-1的长度保证翼体2-2完全下翻后,其内侧与机体1的间距大于机体1宽度的2/3,在机身1之间留出足够的空间。仿甲虫鞘翅的机翼2转动时,通过设置普通带限位卡槽结构的限位装置2-3,控制其转动的精确位置,并保证左右两侧机翼同步翻转。限位装置在限制机翼上下翻动后固定位置的同时,避免由于受力不平衡而出现的横滚失稳,并保证航空器左右两侧的刚性机翼能够展平到某一稳定的位置。仿甲虫鞘翅的机翼2的下垂收合和上翻展平的完成,在利用机翼重力自然下垂、利用翼型升力克服机翼重力自然上翻进行自适应调整的同时,通过常规机械式操控机构人工辅助操作,提高机翼工作的灵活性和可靠性,增强航空器飞行的协调性与鲁棒性。
[0044]
航空器的机身1为片状,机身的宽度远远小于高度和长度,其正断面和横断面呈窄长形,机身外形的高宽比和长宽比均≥6,采用长宽比大于高宽比的卧式机身,从而大幅减小飞行器正向飞行或垂直起降时的空气阻力,保证机身对于水平方向和垂直方向的气流均无遮挡,形成良好的垂直起降和水平飞行气动特性。片状的航空器机身1采用机舱1-1与导流板1-2的组合结构,导流板1-2为连续表面结构,设置于机舱的上部位置,机身1和导流板1-2的迎风面断面为对称的楔形、迎风面轮廓线为流线型,以减少空气阻力。
[0045]
航空器的旋转翼4为收放式旋翼,采用一组可以在飞行中完全展开和完全收合的旋翼桨叶4-3,旋翼桨叶4-3则通过桨叶轴套4-2与旋翼驱动轴4-1连接。航空器起降时驱动 轴4-1正向旋转,并通过桨叶轴套4-2依次驱动旋翼桨叶4-3正向旋转,使所有桨叶完全展开产生最大升力;航空器水平飞行时,驱动轴4-1停止旋转,旋翼桨叶4-3将在迎面气流的作用下反向自由回旋,最终完全收合重叠,变形为一个空气阻力很小的形状。收放式旋翼通过桨叶轴套的棘轮作用和利用离心力和风力的作用实现旋翼的自动收放,可以根据飞行工况自动调整旋翼桨叶的工作状态,显著消除垂直起降航空器旋翼水平飞行的阻力和振动。
[0046]
旋翼桨叶4-3的数目为六片,旋翼桨叶的正向依次展开的自动锁位通过在桨叶驱动轴套上或桨叶根部设置锁位机构的方法实现,即将每个桨叶均通过桨叶轴套4-2与旋翼驱动轴4-1连接,桨叶轴套4-2具有类似棘轮的单向锁止功能,可以正向驱动旋转展开锁位和逆向自由旋转收合后顺;每个桨叶轴套4-2具有上下两个结合面分别与上下两个相邻桨叶的桨叶轴套相配合,下结合面4-2-1与下桨叶轴套的上结合面配合,上结合面4-2-2与上桨叶轴套的下结合面配合;最下一叶桨叶为主动桨叶,其余为从动桨叶;旋翼驱动轴4-1与主动桨叶的轴套相连接,当旋翼驱动轴驱动主动桨叶的轴套时,根据上下桨叶轴套之间的相互配合关系,下方的桨叶轴套将依次驱动上方的桨叶轴套带动旋翼桨叶旋转,当旋翼桨叶正向完全展开后各相邻桨叶的夹角均分360°圆周角。当旋翼驱动轴停止驱动时,桨叶在迎面风力作用下逆向自由回旋后顺收合,呈相互重叠、夹角为零的折扇形。
[0047]
旋翼桨叶的工作状态与航空器的飞行状况保持同步,旋翼桨叶的工作机理与航空器的飞行相互协调,使得旋翼具有根据航空器飞行状况自动改变气动外形的自适应能力,在飞行过程中完全展开或者完全收缩,转化过程自然、平稳、连续,旋翼工作状态可根据航空器飞行状况自动调整,该开时开,该合时合,自然转换,平稳过渡,不需要额外的人工干预,具有自适应性,使得飞行操控简化、安全性高、可靠性好。
[0048]
航空器的片状机身背部和尾部分别安装有一个大面积片状鳍翼3,通过转动鳍翼改变鳍翼与气流的相对运动状态产生作用力或通过改变鳍翼的组合状态产生力矩,使鳍翼产生的力或力矩施加于片状机身,控制航空器的航行姿态。鳍翼3可围绕鳍翼轴转动,通过常规电动式操控机构人工操作,以鳍翼轴为轴心转动,展开或收平与片状机身形成一体。
[0049]
实施例3:参见图1-4,本仿甲虫鞘翅机翼航空器包括机身1、机翼2、旋转翼4、水平推进装置5,采用仿甲虫鞘翅的机翼作为航空器的水平翼,仿甲虫鞘翅的机翼2与航空器机身1铰接,仿甲虫鞘翅的机翼可在空中根据飞行工况自动完成下垂和展平的收放动作;仿甲虫鞘翅机翼航空器上方安装有旋转翼4,通过旋转翼实现垂直起降,航空器垂直起降时仿甲虫鞘翅的机翼在重力和旋翼下洗气流作用下自动下垂收合而与机身趋于平行,避免 机翼对下洗气流的遮挡和气弹振动,消除机翼对旋转翼的干扰,减少航空器起降的阻力,并使整个航空器重心下移,大幅提高航空器飞行稳定性。仿甲虫鞘翅机翼航空器安装水平推进装置5,通过水平推进实现水平飞行,航空器水平飞行时仿甲虫鞘翅的机翼在翼型升力作用下自动上翻展平成为固定翼,提供水平飞行所需升力。航空器悬停状态下,仿甲虫鞘翅的机翼完全下垂以后还可以像风向标一样自动顶风。仿甲虫鞘翅的机翼在相应的飞行状态下自动变形,让航空器具备了自适应能力,降低人工操作的繁复程度,提高容错率。
[0050]
仿甲虫鞘翅机翼航空器垂直起降和水平飞行时可以分别操控、无缝衔接,垂直起飞时可以关闭水平推进装置5,升高到合适高度后启动水平推进,水平飞行达到一定速度后再逐渐关闭旋转翼4,降落过程则相反,通过仿甲虫鞘翅的机翼2的自适应工作,降低垂直起降的驱动机构和水平飞行的驱动机构之间的强烈耦合关系,使得飞行模式的转换更加自然,更加顺畅,更加简易,更加安全。
[0051]
仿甲虫鞘翅的机翼模仿甲虫鞘翅功能设计,包括一组悬臂2-1与翼体2-2,悬臂2-1的一端固定在机身1上,另一端通过自由铰链6与翼体2-2连接,翼体2-2可以围绕自由铰链6自由转动、在空中根据不同飞行工况的受力情况完成下垂收合或上翻展平。悬臂2-1的长度保证翼体2-2完全下翻后,其内侧与机体1的间距大于机体1宽度的3/5,在机身1之间留出足够的空间。仿甲虫鞘翅的机翼2转动时,通过设置普通限位凸块式结构的限位装置2-3,控制其转动的精确位置,并保证左右两侧机翼同步翻转。限位装置在限制机翼上下翻动后固定位置的同时,避免由于受力不平衡而出现的横滚失稳,并保证航空器左右两侧的刚性机翼能够展平到某一稳定的位置。仿甲虫鞘翅的机翼2的下垂收合和上翻展平的完成,通过普通电动操控机构人工辅助操作,提高机翼工作的灵活性和可靠性,大大提高航空器飞行的协调性与鲁棒性。
[0052]
航空器的机身1为片状,机身的宽度远远小于高度和长度,其正断面和横断面呈窄长形,机身外形的高宽比和长宽比均>8,采用长宽比大于高宽比的卧式机身,大幅减小飞行器正向飞行或垂直起降时的空气阻力,保证机身对于水平方向和垂直方向的气流均无遮挡,形成良好的垂直起降和水平飞行气动特性。航空器的片状机身采用机舱1-1与导流板1-2的组合结构,导流板1-2为连续表面结构,设置于机舱的后部位置。机身1和导流板1-2的迎风面断面为对称的楔形、迎风面轮廓线为流线型,以减少空气阻力。
[0053]
航空器的旋转翼4为收放式旋翼,采用一组可以在飞行中完全展开和完全收合的旋翼桨叶4-3,旋翼桨叶4-3则通过桨叶轴套4-2与旋翼驱动轴4-1连接。航空器起降时驱动轴4-1正向旋转,并通过桨叶轴套4-2依次驱动旋翼桨叶4-3正向旋转,使所有桨叶完全 展开产生最大升力;航空器水平飞行时,驱动轴4-1停止旋转,旋翼桨叶4-3将在迎面气流的作用下反向自由回旋,最终完全收合重叠,变形为一个空气阻力很小的形状。收放式旋翼通过桨叶轴套的棘轮作用和利用离心力和风力的作用实现旋翼的自动收放,可以根据飞行工况自动调整旋翼桨叶的工作状态,显著消除垂直起降航空器旋翼水平飞行的阻力和振动。
[0054]
旋翼桨叶4-3的数目为三片,旋翼桨叶的正向依次展开的自动锁位通过在桨叶根部设置锁位机构的方法实现,即采用三角形桁架连接三片桨叶与驱动轴,三片桨叶分别与桁架的三个角铰接,由驱动轴带动相互间展开呈120°夹角,使所有桨叶完全展开产生最大升力,航空器水平飞行时则让驱动轴停转,旋翼的桨叶逆向收合自然复位至旋翼原始状态时的三角形,使旋翼的空气阻力降为最小,利用离心力和空气动力的作用而根据飞行工况自动调整旋翼桨叶的工作状态,消除垂直起降航空器旋翼水平飞行阻力和振动。旋翼桨叶的工作状态与航空器的飞行状况保持同步,旋翼桨叶的工作机理与航空器的飞行相互协调,使得旋翼具有根据航空器飞行状况自动改变气动外形的能力,在飞行过程中完全展开或者完全收缩,实现垂直起降和水平飞行两种工作模式下旋翼工作状态的自然转换、平稳过渡和有效兼容。
[0055]
上面结合附图对本发明的技术内容作了说明,但本发明的保护范围并不限于所述内容,在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内,还可以在不脱离本发明宗旨的前提下对本发明的技术内容做出各种变化,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内。

权利要求书

[权利要求 1]
一种仿甲虫鞘翅机翼航空器,其特征在于:所述航空器包括机身(1)、机翼(2)、旋转翼(4)、水平推进装置(5),采用仿甲虫鞘翅的机翼作为航空器的水平翼,仿甲虫鞘翅的机翼(2)与航空器机身(1)铰接,仿甲虫鞘翅的机翼可在空中根据不同飞行工况的受力情况自动完成下垂和展平的收放动作;仿甲虫鞘翅机翼航空器上方安装有旋转翼(4),通过旋转翼实现垂直起降,航空器垂直起降时仿甲虫鞘翅的机翼在重力和旋翼下洗气流作用下自动下垂收合而与机身趋于平行,避免机翼对下洗气流的遮挡和气弹振动,消除机翼对旋转翼的干扰;仿甲虫鞘翅机翼航空器安装水平推进装置(5),通过水平推进实现水平飞行,航空器水平飞行时仿甲虫鞘翅的机翼在翼型升力作用下自动上翻展平成为固定翼,提供水平飞行所需升力。
[权利要求 2]
根据权利要求1所述的仿甲虫鞘翅机翼航空器,其特征在于:所述仿甲虫鞘翅的机翼模仿甲虫鞘翅功能设计,包括一组悬臂(2-1)与翼体(2-2),悬臂(2-1)的一端固定在机身(1)上,另一端通过自由铰链(6)与翼体(2-2)连接,翼体(2-2)可以围绕自由铰链(6)自由转动、在空中根据不同飞行工况的受力情况自动完成下垂收合或上翻展平;当所述翼体(2-2)的下垂空间受限时,可将翼体(2-2)设计为折叠式或伸缩式结构,使整个机翼展开时能够长度大于机身高度,突破机身高度对于机翼翼展的限制,从而提高航空器升力。
[权利要求 3]
根据权利要求2所述的仿甲虫鞘翅机翼航空器,其特征在于:所述悬臂(2-1)的长度需保证翼体(2-2)完全下翻后在机身(1)之间留出足够的空间,一般翼体(2-2)内侧与机体(1)之间的最小距离应大于机体(1)宽度的1/2。
[权利要求 4]
根据权利要求2所述的仿甲虫鞘翅机翼航空器,其特征在于:所述仿甲虫鞘翅的机翼(2)转动时,通过设置限位装置(2-3)控制其转动的精确位置,并保证左右两侧机翼同步翻转;所述仿甲虫鞘翅的机翼(2)的下垂收合和上翻展平的完成,可以利用机翼重力自然下垂、利用翼型升力克服机翼重力自然上翻,也可以通过操控机构人工操作完成。
[权利要求 5]
根据权利要求1所述的仿甲虫鞘翅机翼航空器,其特征在于:所述航空器的机身(1)为片状,机身的宽度远远小于高度和长度,其正断面和横断面呈窄长形,机身外形的高宽比和长宽比一般均应大于4,从而大幅减小飞行器正向飞行或垂直起降时的空气阻力。
[权利要求 6]
根据权利要求5所述的仿甲虫鞘翅机翼航空器,其特征在于:所述片状的航空器机身(1)为整体式结构或机舱(1-1)与导流板(1-2)的组合结构,导流板(1-2)为连 续表面结构;所述机身(1)和导流板(1-2)的迎风面断面为对称的楔形、迎风面轮廓线为流线型,以减少空气阻力。
[权利要求 7]
根据权利要求1或5所述的仿甲虫鞘翅机翼航空器,其特征在于:所述航空器的旋转翼(4)为收放式旋翼,采用一组可以在飞行中完全展开和完全收合的旋翼桨叶(4-3),旋翼桨叶(4-3)则通过桨叶轴套(4-2)与旋翼驱动轴(4-1)连接;航空器起降时驱动轴(4-1)正向旋转,并通过桨叶轴套(4-2)依次驱动旋翼桨叶(4-3)正向旋转,使所有桨叶完全展开产生最大升力;航空器水平飞行时,驱动轴(4-1)停止旋转,旋翼桨叶(4-3)将在迎面气流的作用下反向自由回旋,最终完全收合重叠,变形为一个空气阻力很小的形状;收放式旋翼通过桨叶轴套的棘轮作用和利用离心力和风力的作用实现旋翼的自动收放,可以根据飞行工况自动调整旋翼桨叶的工作状态,显著消除垂直起降航空器旋翼水平飞行的阻力和振动。
[权利要求 8]
根据权利要求7所述的仿甲虫鞘翅机翼航空器,其特征在于:所述旋转翼(4)的旋翼桨叶(4-3)的数目可以根据需要确定为1、2、3、4、5、6、7、8甚至更多,每个桨叶均通过桨叶轴套(4-2)与旋翼驱动轴(4-1)连接;桨叶轴套(4-2)具有类似棘轮的单向锁止功能,可以正向驱动旋转展开锁位和逆向自由旋转收合后顺;单向锁止结构包括但不限于每个桨叶轴套(4-2)具有上下两个结合面分别与上下两个相邻桨叶的桨叶轴套相配合,下结合面(4-2-1)与下桨叶轴套的上结合面配合,上结合面(4-2-2)与上桨叶轴套的下结合面配合;最下一叶桨叶为主动桨叶,其余为从动桨叶;旋翼驱动轴(4-1)与主动桨叶的轴套相连接,当旋翼驱动轴驱动主动桨叶的轴套时,根据上下桨叶轴套之间的相互配合关系,下方的桨叶轴套将依次驱动上方的桨叶轴套带动旋翼桨叶旋转,当旋翼桨叶正向完全展开后各相邻桨叶的夹角均分360°圆周角;当旋翼驱动轴停止驱动时,桨叶在迎面风力作用下逆向自由回旋,后顺收合,相互重叠,相邻桨叶的夹角为零。
[权利要求 9]
根据权利要求1或5所述的仿甲虫鞘翅机翼航空器,其特征在于:所述航空器的片状机身上安装有一个或多个大面积片状鳍翼(3),通过转动鳍翼改变鳍翼与气流的相对运动状态产生作用力或通过改变鳍翼的组合状态产生力矩,使鳍翼产生的力或力矩施加于片状机身,控制航空器的航行姿态。
[权利要求 10]
根据权利要求7所述的仿甲虫鞘翅机翼航空器,其特征在于:所述仿甲虫鞘翅机翼航空器垂直起降和水平飞行时可以分别操控、无缝衔接,垂直起飞时可以关闭水平推进装置(5),升高到合适高度后启动水平推进,水平飞行达到一定速度后再逐渐关闭旋 转翼(4),降落过程则相反,通过仿甲虫鞘翅的机翼(2)的自适应工作,降低垂直起降的驱动机构和水平飞行的驱动机构之间的强烈耦合关系,使得飞行模式的转换更加自然,更加顺畅,更加简易,更加安全。

附图

[ 图 1]  
[ 图 2]  
[ 图 3]  
[ 图 4]  
[ 图 5]  
[ 图 6]  
[ 图 7]  
[ 图 8]  
[ 图 9]