电磁驱动串列翼空气动力飞行器的制作方法

本发明属于飞行器动力装置与旋翼翼毂之间直接驱动的技术领域，具体涉及一种利用电磁驱动磁悬浮支撑的串列翼在环形涵道内运动产生升力形成对飞行器的托举力或推力的电磁驱动串列翼空气动力飞行器技术，应用该空气动力技术的飞行器具有空气动力效率高、全电驱动、融合翼身、垂直升降、低空通过安全、重载长滞空时间等特性。

背景技术：

固定翼飞机和直升机是现在可供人们选择的主要空中交通工具。固定翼飞机的空气动力效率远远高于直升机，这是二者之间升力产生的差异造成的，但在飞行器空气动力效率提高的途径上都存在难以解决的问题。

固定翼飞机的升力绝大部分是由主机翼产生的，空气流在机翼前缘分成上、下两股绕流，在机翼后缘重新汇合向后流去。空气流绕过机翼凸形上表面流速加快压力减小；而机翼下表面空气流速减慢而压力增大，机翼上下表面压力差形成固定翼飞机的升力。固定翼飞机在匀速飞行中的推力和阻力、升力和重力其作用力大小相等方向相反两两平衡，升力与推力的关系称为升阻比，又称“举阻比”或“空气动力效率”。机翼升力的大小是由飞行参数、机翼翼型、升力面积、迎角和展弦比决定的，固定翼飞机要获得更高的空气动力效率采取措施如下：1、飞行速度控制在0.4马赫左右；2、机翼选用高升阻比翼型；3、机翼阻力占比尽可能大；4、展弦比尽可能大。具有这样高空气动力效率的固定翼飞机就是现实中的 “维珍大西洋环球飞行者号”飞机：大弦展比减小诱导阻力、减小机体横截面积提升推力效率，飞行器的升阻比达到40。其翼展超过机体长度的两倍，机体也非常狭小，这种提高飞行效率的变态方式限制了飞行器的应用。

直升机自诞生就成了低空霸主，垂直起降、机动性强、可停靠的区域广泛，这些特性是固定翼飞机不能比拟的，但其缺点也很显著。直升机桨叶类似机翼绕轴旋转又称旋翼直升机，桨叶采用对称低升阻比翼型（升阻比1~4）。桨叶旋转推动空气加速向下，空气反作用力将桨叶向上提升形成反作用力升力；同时桨叶上表面的空气压力小于下表面空气压力产生压力差形成桨叶机翼升力，桨叶反作用力升力和桨叶机翼升力形成旋翼直升机总升力，但其升力效率是低下的。直升机旋翼在做圆周运动时,翼尖处的线速度达到0.7马赫，但圆心处的线速度为零。升力的大小与速度的平方成正比，旋翼产生的升力集中于翼尖；另外直升机旋翼根部安装桨距控制机构无法安装更多的桨叶，最多桨叶的直升机如米-26只有8片桨叶片。桨叶数量少导致升力面积小，加上桨叶翼尖效应导致有限升力面积的效率进一步降低，令直升机空气动力效率低下。直升机增加载荷就得加大对空气的作用力和反作用力达到需要的升力，这都是以大量消耗能量扰动空气为代价实现的，降低了直升机载荷和续航能力。

达到并超过“维珍大西洋环球飞行者号”飞机的空气动力效率、又同时具备直升机垂直起降功能的飞行器，是人们梦寐以求的空中交通工具。固定翼飞机提高空气动力效率的思路和方案，都是围绕提高飞行器推动效率展开的，机翼和机身在飞行器提高空气动力效率的过程中，成了矛盾问题且难以平衡。能不能将飞行器对机翼的推动和对机体的推动分离，让机翼和机体各自以最优的速度参数而不彼此干扰，获得高效的飞行效率而不伤害机体的形状、尺寸和载荷，具备垂直起降特性满足飞行器的应用领域问题呢。

技术实现要素：

本发明提供了一种具有空气动力效率高，全电驱动、碟状融合翼身、垂直升降、低空通过安全、高效重载、长滞空时间等特性的电磁驱动串列翼空气动力飞行器技术，由该技术形成的电磁驱动串列翼空气动力装置和飞行器。本发明采取以下的技术方案达到飞行器上述技术特性。

串列翼技术方案

飞行器要获得更大的空气动力效率，需要加大推动机翼的推力比重，同时减小对机体的推力比重，极端的方式就是直接推动机翼运动获得最大的推重比。直升机是直接轴驱动旋翼产生升力，其由于桨叶升力面积小、翼尖效应及低升阻比翼型，导致飞行器空气动力效率低下。既然直升机旋翼升力集中在翼尖，那就只保留旋翼运动圆形面靠近翼尖的圆形环，按照翼距在该圆形环圆周上均匀排列布置机翼，机翼翼根在圆形环内圆周首尾连接起来形成串列翼组，该翼组已与固定翼飞行器和直升机的机翼有了本质的不同，其升力面积类似8桨直升机总机翼面积的1.5倍、是翼尖区域升力面积的5倍，直接驱动的串列翼组其空气动力效率达到并超过固定翼飞机，接近纯机翼升阻比值。为便于实现串列翼的支撑和驱动，将串列翼中的每个小翼设计为翼端和驱动端组合成羽翼节，羽翼节之间可以加入无翼端仅有驱动端导向节以调节翼距和总升力面积。翼端采用高升阻比翼型、高强度轻质材料，在运动的方向上保持一定迎角以获得升力。驱动端首尾连接形成串列翼环形面作用是固定、支撑和驱动。串列翼的串列连接方式是由串列翼运动环道的形状和大小决定的，当串列翼运动环道是圆形环道，串列翼驱动端的连接方式可以采用圆形刚性连接；当串列翼运动环道是胶囊形或其他形状环道，串列翼的连接方式应采用柔性连接，羽翼节和导向节通过链接方式连接，有一定角度的偏转以适应环道线性的变化。刚性连接驱动端可以适应更为轻薄的串列翼，其驱动效率更高；羽翼节和导向节驱动端首尾链接柔成性连接串列翼，其机体形状的适应性更多。

磁悬浮支撑系统技术方案

机翼各种翼型在0.4马赫速度左右获得升力的最大值，在这样的线速度下串列翼选择磁悬浮支撑方式是最好的选择，同样磁悬浮空气间隙非常适合电磁电机驱动方式。串列翼磁悬浮支撑系统在静止和正常运动状态提供串列翼驱动端垂直、水平方向的支撑并保持空气间隙，传递串列翼升力至机体。“十”字形断面结构的串列翼驱动端是满足磁悬浮支撑和驱动功能以及轻薄要求的，在驱动端“十字”形的水平面左右两端布置磁铁磁极，磁极方向垂直于驱动端水平面通过磁力传递竖向的重力和升力；在驱动端“十字”形的垂直面上下两端布置磁极，磁极方向垂直于垂直面通过磁力传递水平方向的离心力和翼端阻力形成的侧向力。围绕“十”字形驱动端的磁悬浮支持系统由磁悬浮支撑导轨单元、C型架和机架组成。磁悬浮支撑导轨单元由导轨和固定在导轨上的磁铁磁极组成，该磁悬浮支撑导轨单元在“十”字型驱动端磁极上下、左右对称布置，其磁极两两夹持“十”字型驱动端磁极形成的磁力保持间隙承受垂直方向和水平方向的力。“十字”形驱动端各向布置的磁极以及导轨单元磁铁磁极，采用电磁或永磁体获得磁场吸力或斥力。C型架采用高强度材料固定在机架上，磁悬浮支撑导轨单元固定C型架上，C型架吸收磁悬浮支撑导轨单元挟持串列翼驱动端磁极产生的磁力，并将串列翼产生的升力传递给机架，从而使飞行器获得飞行动力。

按照三点决定面的原则，驱动端“十字”形结构三个方向的磁极就可以稳定串列翼节悬浮运动姿态，在第四个方向的磁极作为电磁驱动磁极（次级），也可以“十字”形结构三个方向上选择一个方向另行布置直线电机驱动磁极（次级），“十字”形结构减少一个方向的磁极变成 “┸”形状，磁极结构和功能未改变。

电磁电机驱动系统技术方案

磁悬浮支撑状态下的串列翼沿机体外沿做环形回转运动，其轨迹线中既有弧线、又可能有直线，串列翼运动的直线段驱动用电磁直线电机是最佳方案选择。电磁直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能而不需通过中问任何转换装置的电机，它具有系统结构简单、反应速度快、灵敏度高，随动性好、磨损少、噪声低、组合性强、工作安全可靠、寿命长、免维护等优点。电磁直线电机原理是从转子电机初、次级展开成直线而成，在机翼运动弧线段同样采用电磁直线电机，只是电机初、次级展开不再是直线而是需要的弧形，类似分段的轮毂电机初次级。这种环形驱动轨迹中有弧线和直线，采用电磁直线电机驱动方式的驱动系统权且称之为电磁电机驱动系统。电磁电机驱动系统由电机驱动模块、初级绕组、电机次级、组成。该电机初级绕组固定在C型架上，沿驱动端磁极环面串列均布；该电机的次级是驱动端磁极，其磁极的极性方向正反向交错布置。电能通过电磁电机驱动系统初级绕组产生旋转磁场，直接推动次级串列翼驱动端磁极，带动串列翼在环形轨道中运动产生升力。电磁电机驱动系统初级绕组对次级产生推力的同时，也对次级产生5~10倍推力的吸力，圆形刚性串列翼可以采用电磁电机初级绕组单列串列布置，柔成性连接串列翼应采用电磁电机初级绕组双列列串列布置以平衡初次级间的吸力。

电磁驱动串列翼空气动力装置技术方案

上述串列翼、磁悬浮支撑系统、电磁电机驱动系统形成的空气动力装置的翼展较小，比较适合于沿飞行器机体的外沿布置并和机体融为一体。为进一步减小诱导阻力对串列翼的影响，在串列翼在环形运动面的外沿设置涵道外壁，涵道外壁与翼尖保持间隙；在串列翼在环形运动面的内沿设置涵道内壁，同样防止串列翼下方气流串至机翼上部。这样形成了串列翼内置的电磁驱动串列翼空气动力装置。该动力装置串列翼在环形涵道内做线性运动，机体在串列翼运动的反方向自转。相同串列翼在垂直方向上或水平纵向布置且运动方向相反，电磁驱动串列翼空气动力装置获得反扭转力矩保持平衡并通过两组串列翼差速控制机体运动方向。相同串列翼在垂直方向上布置且运动方向相反的电磁驱动串列翼，称为“同环道反向串列翼组”，其空气动力装置为“同环道反向串列翼空气动力装置”。多组同环道反向串列翼组在同一涵道内布置，可以在不增加机体投影面积情况下，成倍增加载荷能力。

电磁驱动串列翼空气动力飞行器组合技术方案

电磁驱动串列翼空气动力飞行器由电磁驱动串列翼空气动力装置组合而成，电磁驱动串列翼空气动力装置完全融合于飞行器机体内，串列翼升力方向同翼端迎角方向一致且与串列翼的运动面垂直，在水平方向布置两个同环道反向串列翼电磁驱动空气动力装置形成的飞行器将获得垂直方向的托举力，通过调整两个串列翼电磁驱动空气动力装置升力大小和速差，该飞行器具备垂直起降、悬停、仰俯和水平转向控制能力；在水平方向三角形布置三个同环道反向串列翼电磁驱动空气动力装置形成的飞行器，该飞行器具备垂直起降、悬停、仰俯、水平转向和横滚控制能力；在垂直方向布置电磁驱动串列翼空气动力装置飞行器将获得水平方向推力。将空气动力装置水平布置和垂直布置组合在一起的飞电磁驱动串列翼空气动力行器，将获得不依赖作用力和反作用力的实现垂直起降和推进——这是一种全新的空气动力飞行器。

本发明的有益效果是：

电磁驱动串列翼空气动力飞行器技术所述的电磁驱动串列翼空气动力飞行器，电磁电机驱动系统直接驱动采用高强度轻质材料的串列翼以获得较高电机驱动效率，同时串列翼翼端阻力的占比串列翼85~95%，涵道壁与翼端翼尖间隙减小诱导阻力的产生，加上串列翼对诱导阻力有抑制作用，电磁驱动串列翼空气动力飞行器具有较高的空气动力效率，接近纯机翼空气动力效率。串列翼空气动力飞行器较高的空气动力效率将大大降低飞行器电磁电机驱动功率，提高飞行器续航能力。

电磁驱动串列翼空气动力飞行器同环道反向串列翼电磁驱动空气动力装置形成的飞行器机翼升力总面积，可以超过飞行器总投影面积，该飞行器具有小机身重载特性。

电磁驱动串列翼空气动力飞行器串列翼在涵道内运动，涵道完全融合于飞行器机体内，该飞行器低空飞行移动行进中接触或轻微碰撞周围物体不会对该飞行器造成坠机危害，也不会对周围物体造成类似旋翼高速打击造成的机械伤害，该飞行器具有固定翼飞机和外旋翼机无可比拟的低空通过安全性能，特别适合城市以及丛林等狭小空间及复杂情况下的低空安全行进。

电磁驱动串列翼空气动力飞行器具备全电驱动、碟状翼身融合、垂直升降、低空通过安全、高效重载、长滞空时间等特性，将广泛应用于无人机、飞行汽车、空气滑板等领域，在可预见的未来，空中交通将变成一种最为高效和便捷的交通方式而彻底改变人们的生活方式。

附图说明

图1是电磁驱动串列翼空气动力装置示意图， 图中：

1串列翼；2翼端；3驱动端；4驱动端水平磁极（左）；5驱动端水平磁极（右）；6驱动端垂直磁极（上）；7磁悬浮垂直导轨（左）； 8磁悬浮垂直导轨（右）；9磁悬浮水平导轨（右）；10磁悬浮水平导轨（左）；11机架；12涵道外壁；13涵道内壁；14电磁电机初级绕组（左）； 15电磁电机初级绕组（右）；16 C型架。

图2是电磁驱动串列翼空气动力飞行滑板俯视示意图， 图中：

A同圆形环道反向串列翼空气动力装置；B同胶囊形环道反向串列翼组飞行器空气动力装置；C可控制的万向关节。

图3是电磁驱动串列翼空气动力飞行滑板侧视示意图。

图4是电磁驱动串列翼空气动力飞行滑板正视示意图。

具体实施方式

在下面通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，结合说明书附图进一步阐述本发明，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

本实施例按以下步骤组成电磁驱动串列翼空气动力装置如说明书附图1所示。

驱动端（3）采用“十”字型结构，驱动端水平和垂直端面沿运动方向形成圆环面，其水平端面布置有驱动端水平磁铁磁极（4）和驱动端水平磁铁磁极（5），其垂直端面布置有驱动端垂直磁铁磁极（6）和驱动端垂直下磁铁磁极；翼端（2）采用高升阻比翼型机翼翼型结构，翼端（2）的翼根和驱动端（3）水平圆环面的外圆周连接并按等距布置组成圆形刚性串列翼（1）。

磁悬浮垂直导轨（7）和磁悬浮垂直导轨（8）夹持“十”字型驱动端（3）垂直上圆环面磁极，磁悬浮水平导轨（9右）和其对称的右下导轨夹持“十”字型驱动端（3）水平圆环面上右磁极，磁悬浮水平导轨（10左）和其对称的左下导轨夹持“十”字型驱动端（3）水平圆环面上左磁极。

磁悬浮导轨固定C型架（15）上，C型架（15）固定在机架上（11），C型架（15）吸收支撑磁悬浮垂直、水平导轨与3驱动端垂直和水平磁极产生磁力；上述磁悬浮导轨、C型架、机架组成圆环形磁悬浮支撑系统如图1所示，磁悬浮导轨及刚性圆环驱动端磁极采用强力永磁体磁极，以减少对电能的需求。

电磁电机初级采用双列短距集中绕组，该初级绕组（14）和初级绕组（15）对称布置于驱动端垂直下磁极环面两侧并保持足够气隙，该初级绕组固定在C型架（15）上，沿驱动端垂直下磁极环面串列均布；电磁电机的次级是驱动端垂直下磁极，该次级磁极采用强力永磁体，磁极的极性方向正反向交错布置。上述电磁电机初级双列短距集中绕组、电磁电机次级（驱动端垂直下磁极）组成串列翼电磁驱动系统系统电磁电机如图1所示，加上电源模块、直流无刷驱动模块，串列翼空气动力装置获得持续驱动动力。

涵道外壁（12）与串列翼翼端翼尖垂直并保持间距和内壁（13）形成两端封闭的串列翼运动环形涵道；该环形涵道在垂直方向上布置同圆形环道反向串列翼组；涵道外壁（12）与内壁（13）形成两端封闭的环形涵道及串列翼组如图1所示。

同圆形环道反向串列翼空气动力装置，该空气动力装置调节串列翼线速度和同环道反向串列翼组差速来控制该飞行器空气动力装置升力或推力大小及方向。

本实施例按以下步骤组合成电磁驱动串列翼空气动力飞滑板。

同圆形环道反向串列翼空气动力装置（A）按上述实施例步骤组合形成成；同胶囊形环道反向串列翼空气动力装置（B）按上述实施例步骤组合形成成，其区别在于动力装置（B）串列翼采用柔性链接，磁悬浮支撑导轨和电磁电机初级双列短距集中绕组有弧线也有直线。同圆形环道反向串列翼空气动力装置（A）和同胶囊形环道反向串列翼空气动力装置（B）在同水平面通过可控制的万向关节（C）连接组合成电磁驱动串列翼空气动力飞行滑板，如图2所示其俯视图。

同胶囊形环道反向串列翼组飞行器空气动力装置（B）为飞行器的主载荷部分，该飞行器空气动力装置（A）与空气动力装置（B）之间采用可控制的万向关节（C）连接。通过调整飞行器空气动力装置（A）、（B）在水平方向上升力大小，飞行器获得的仰俯控制；通过调整万向关节（C）控制飞行器空气动力装置（A）水平角度，飞行器获得行进推力控制；通过调整万向关节（C）控制飞飞行器空气动力装置（A）在轴向上的旋转角度，飞行器获得水平转向推力控制。

电磁驱动串列翼空气动力飞行滑板上表面无运动部件适合于承载人体。飞行器在较小长宽尺寸下，其飞行器空气动力装置（B）串列翼升力总面积达到1m²以上，飞行器最大载荷达到500Kg，起飞载荷300Kg，最大输出功率10Kw，续航时间达到3小时左右。

本发明飞行器与固定翼飞形器比较：串列翼内置和机体完全融合，飞行行进截面小风阻低，飞行效率达到并超过固定翼飞行器。

本发明飞行器与直升机飞行器比较：具有机体垂直升降特性，无外置轴驱动主桨叶和尾桨；具备良好的安全通过性，羽翼内置，低空飞行移动行中接触或轻微碰撞周围物体不会对飞行器造成坠机危害，也不会对周围物体造成类似旋翼高速打击造成的机械伤害，特别适合城市以及丛林等狭小空间及复杂情况下的低空安全行进；飞行器空气动力效率高，等载荷下电磁电机功率输出比电动旋翼直升机减小10倍，续航时间增加10倍。