CN110678388B - 用于与流体相互作用的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种流体相互作用装置100，包括翼102，所述翼具有第一构型和第二构型，所述第一构型具有第一翼型阻力系数，所述第二构型具有小于所述第一翼型阻力系数的第二翼型阻力系数。所述流体相互作用装置进一步包括具有纵向轴线的本体101，其中，所述本体联接至所述翼。所述流体相互作用装置进一步包括致动器，所述致动器构造为使所述翼从相对于所述本体在第一方向上运动时的所述第一构型改变为相对于所述本体在第二方向上运动时的所述第二构型，所述第二方向具有与所述本体的纵向轴线平行的主要分量。

Description

用于与流体相互作用的装置和方法

背景技术

传统的固定翼飞行器无法悬停，也无法垂直起飞或降落。这种飞行器在水平飞行时的最小速度是失速速度。大的失速速度通常需要长的跑道用于起飞和降落，这明显限制了飞行器的可到达目的地的数量。大于零的失速速度也是安全关注点，因为它对飞行器的操作增加了额外的故障模式。

传统的固定翼飞行器通常还在机身的后部具有尾翼(例如，尾部组件)，其中在一些情况下，尾翼也由机身的延伸部支撑。这些特征部增加了重量并增大了浸润面积(wettedarea)。出于稳定性原因，水平安定面(horizontal stabilizer)会产生向下的力，该向下的力必须由主翼抵消，这样进一步增加了阻力。通过将控制权委托给主翼及其相对于飞行器本体的布置，可以减轻这些损失并且提高飞行器的操纵性。

直升机是目前流行的能够垂直起降(VTOL)的飞行器。前行桨叶压缩性效应和后行桨叶失速限制了传统的直升机的最大巡航速度。在巡航期间，旋翼桨叶的自由流流速的大小周期性地变化。相对于同等的固定翼而言，这增加了平均翼型阻力。由于巡航速度约束还限制了最小诱导阻力，因此相对于重量相同的同等的固定翼飞行器而言，直升机的航程减小了。旋翼桨叶的大端头速度还会引起噪声污染。传统的直升机的尾旋翼是暴露的单个故障点，其消耗了动力而不会有助于推力或升力。桨叶中所含的大量动能也是安全性。为了避免共振效应，传统的直升机的主旋翼通常在整个飞行包线内均以恒定转速操作。这样可能减小飞行包线的大小，并且对一部分飞行包线造成额外的性能损失。

为了解决直升机以及传统的固定翼飞行器的这些问题，已经提出了混合动力飞行器。这些混合动力飞行器通常以固定翼以及能够实现垂直起降操作的一组旋翼为特征。当需要较小的推力时，这些旋翼会在巡航期间收起或减慢速度。与纯巡航优化的固定翼飞行器相比，这种混合动力飞行器更重并且具有更大的翼型阻力。其他垂直起降飞行器在悬停期间消耗更多动力，这限制了续航时间。

与直升机旋翼类似，用于推力的传统的螺旋桨噪音大并且存在压缩性效应。如下所述，翼型阻力与螺旋桨桨叶的诱导阻力的比率也非必须地是大的，这也与在风力涡轮机中使用螺旋桨有关。

发明内容

通过提供一种具有变形翼(例如，其形状或体积在飞行期间改变的翼)的装置，通过本文所述的实施例解决了上述问题。在一些实施例中，通过提供在飞行期间周期性地或连续地(或几乎如此)变形的翼来改进空气动力学或流体动力学特性。

为此，根据一些实施例，提供了一种流体相互作用装置(例如，飞行器、船或风力涡轮机)。所述流体相互作用装置包括翼，所述翼具有第一构型和第二构型，所述第一构型具有第一翼型阻力系数，所述第二构型具有小于所述第一翼型阻力系数的第二翼型阻力系数。所述流体相互作用装置进一步包括具有纵向轴线的本体，其中，所述本体联接至所述翼。所述流体相互作用装置进一步包括致动器，所述致动器构造为使所述翼从相对于所述本体在第一方向上运动时的所述第一构型改变为相对于所述本体在第二方向上运动时的所述第二构型，所述第二方向具有与所述本体的纵向轴线平行的主要分量。

进一步地，根据一些实施例，提供了一种交通工具(例如，飞行器)。所述交通工具包括具有纵向轴线的本体。所述交通工具进一步包括伸缩式翼(telescopic wing)，所述伸缩式翼构造为在所述伸缩式翼相对于所述本体的周期性运动期间沿着所述伸缩式翼的翼展伸展和收缩。所述交通工具进一步支撑构件，所述支撑构件具有可旋转地联接至本体的第一端、以及可旋转地联接至所述伸缩式翼的相对的第二端。

进一步地，根据一些实施例，提供了一种飞行器。所述飞行器包括具有纵向轴线的本体。所述飞行器进一步包括第一伸缩式翼，所述第一伸缩式翼构造为在所述第一伸缩式翼相对于所述本体的周期性运动期间沿着所述第一伸缩式翼的翼展伸展和收缩，其中，所述第一伸缩式翼的翼展基本上垂直于所述本体的纵向轴线。所述飞行器进一步包括第一支撑构件，所述第一支撑构件具有可旋转地联接至所述本体的第一端、以及可旋转地联接至所述第一伸缩式翼的相对的第二端。所述飞行器进一步包括第二伸缩式翼，所述第二伸缩式翼构造为在所述第二伸缩式翼相对于所述本体的周期性运动期间沿着所述第二伸缩式翼的翼展伸展和收缩。所述第二伸缩式翼的翼展基本上垂直于所述本体的纵向轴线。所述飞行器进一步包括第二支撑构件，所述第二支撑构件具有可旋转地联接至所述本体的第一端、以及可旋转地联接至所述第二伸缩式翼的相对的第二端。

进一步地，根据一些实施例，提供了一种与流体相互作用的方法。所述方法包括提供流体相互作用装置，所述流体相互作用装置包括翼，所述翼具有第一构型和第二构型，所述第一构型具有第一翼型阻力系数，所述第二构型具有小于所述第一翼型阻力系数的第二翼型阻力系数。所述流体相互作用装置进一步包括联接至所述翼的本体。所述方法进一步包括：使所述翼沿周期性路径相对于所述本体运动穿过流体，包括在所述周期性路径的第一阶段期间使所述翼在第一方向上运动、以及在所述周期性路径的第二阶段期间使所述翼在第二方向上运动，所述第二方向具有与所述流体的速度平行的主要分量。所述方法进一步包括使所述翼从在所述第一方向上运动时的所述第一构型改变为在所述第二方向上运动时的所述第二构型。

进一步地，根据一些实施例，提供了一种流体相互作用装置。所述流体相互作用装置包括翼，所述翼具有第一构型和第二构型，所述第一构型具有第一翼型阻力系数，所述第二构型具有小于所述第一翼型阻力系数的第二翼型阻力系数。所述流体相互作用装置进一步包括联接至所述翼的本体。所述流体相互作用装置进一步包括用于使所述翼相对于所述本体沿周期性路径运动穿过流体的工具，包括在所述周期性路径的第一阶段期间使所述翼在第一方向上运动、以及在所述周期性路径的第二阶段期间使所述翼在第二方向上运动，所述第二方向具有与所述流体的速度平行的主要分量。所述流体相互作用装置进一步包括用于使所述翼从在所述第一方向上运动时的所述第一构型改变为在所述第二方向上运动时的所述第二构型的工具。

进一步地，根据一些实施例，提供了一种流体相互作用装置。所述流体相互作用装置包括翼；联接至所述翼的本体；以及构造为使所述翼周期性地运动的致动器。所述翼在所述路径内的运动方向是在与所述翼的翼展垂直的平面内。所述路径是线性路径或8字形路径之一。

附图说明

为了更好地理解所描述的各种实施方式，应结合下面的附图参考以下具体实施方式，其中在全部图中，相同的附图标记指代对应的部分。

图1是根据一些实施例的具有伸缩式翼的交通工具(例如，飞行器)的透视图。

图2是根据一些实施例的图1所示的交通工具的正视图。

图3是根据一些实施例的图1所示的交通工具的侧视图。

图4是根据一些实施例的图1所示的交通工具的透视图，所述交通工具的伸缩式翼处于缩回构型。

图5是根据一些实施例的图4所示的交通工具的正视图，所述交通工具的伸缩式翼处于缩回构型。

图6是根据一些实施例的图4所示的交通工具的侧视图，所述交通工具的伸缩式翼处于缩回构型。

图7示出了根据一些实施例的、由静止的观察者所看到的处于轨迹期间的不同时间点的图1中的交通工具。

图8是根据一些实施例的图1所示的交通工具的透视图，图示了以交通工具的平均速度行进的观察者所看到的在图7所示的轨迹期间通过交通工具上的点所跟踪的路径。

图9是根据一些实施例的图8所示的交通工具和轨迹的侧视图。

图10是根据一些实施例的图8所示的交通工具和轨迹的俯视图。

图11是根据一些实施例的图8所示的交通工具和轨迹的正视图。

图12是根据一些实施例的图1所示的交通工具的透视图，图示了围绕共用的旋转轴线的伸缩式翼的独立俯仰控制。

图13是根据一些实施例的图12所示的交通工具的侧视图。

图14是根据一些实施例的具有伸缩式翼的另一交通工具(例如，飞行器)的透视图。

图15是根据一些实施例的处于不同构型(例如，其外部伸缩式翼朝向本体缩回并拉入，而其内部伸缩式翼背离本体纵向伸展)的图14所示的交通工具的透视图。

图16是根据一些实施例的具有图14所示的构型的交通工具的正视图。

图17是根据一些实施例的具有图15所示的构型的交通工具的正视图。

图18示出了根据一些实施例的、由静止的观察者所看到的处于轨迹期间的不同时间点的图14所示的交通工具。

图19是根据一些实施例的处于不同构型的图14所示的交通工具的侧视图。还示出了以交通工具的平均速度行进的观察者所看到的在图18所示的轨迹期间通过交通工具上的点所跟踪的路径。

图20是根据一些实施例的图19所示的交通工具和轨迹的俯视图。

图21是根据一些实施例的图19所示的交通工具和轨迹的透视图。

图22是根据一些实施例的处于不同构型的图14所示的交通工具的透视图。

图23是根据一些实施例的图14所示的交通工具的侧视图。

图24是根据一些实施例的处于不同构型的图14所示的交通工具的侧视图。

图25图示了根据一些实施例的用于对飞行器进行控制的计算机实现的控制***。

图26图示了根据一些实施例的与流体相互作用的方法的流程图。

具体实施方式

现在将详细参考实施方式，附图中图示了这些实施方式的示例。在以下具体实施方式中，阐述了许多具体细节以便提供对所描述的不同实施方式的透彻理解。然而，对于本领域普通技术人员而言将明显的是，可以在没有这些具体细节的情况下实施所描述的不同的实施方式。在其他实例中，并未详细描述公知的方法、程序、部件、电路和网络，以防不必要地使实施方式的各方面不清楚。

如对本领域技术人员显而易见的，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以对本发明进行许多修改和变化。本文描述的特定实施方式仅通过示例方式提供，并且本公开仅受所附权利要求的以及这类权利要求所赋予的等同物的全部范围的限制。

可以定义惯性参考坐标系。当相对距离和速度足够小时，可以忽略地球的旋转。在一些实施例中，“惯性坐标系”位于地球表面上。在一些实施例中，惯性坐标系的X轴被定义为指向北方，而Y轴指向西方。在一些实施例中，Z轴指向与当地重力加速度相反的方向。

本文所用的术语“流体”包含展现出流体特性的所有类型的材料。例如，流体可以指比如水等液体或比如空气等气体。

本文所用的术语“流体相互作用装置”或“FIA”可以适用于由于与流体相互作用而受到力的任何装置。注意，FIA可以同时与几种不同类型和种类的流体(比如在船的情况下是水和空气)相互作用。除非另有说明，否则为简单起见，将不同流体的集合称为“流体”。例如，力可以包括浮力、空气动力学或流体动力学升力或阻力。阻力可以包括粘性阻力、压力阻力或波阻力等。注意，如果几种不同类型的力在特定时刻抵消掉，则FIA的净力可以为零。FIA的一个示例是可以使周围的流体移位并由于流体中的压力梯度而受到力的装置，例如航空器。这种装置还可能受到比如源自空气动力学或流体动力学的升力和阻力等其他类型的力。FIA的另一个示例包括翼或翼片(foil)。FIA还可以包括通过电磁力使流体中的各个颗粒加速的装置。示例是霍尔效应推力器。注意，不以与流体相互作用为主要目的的机身或任何装置也是FIA，只要它由于与流体相互作用而受到力即可。实施例中的FIA的数量是定义问题，并且可以不同。因此，FIA可以包括其他几种FIA。例如，传统的螺旋桨可以被看作是一个FIA，同时每个螺旋桨桨叶也被视为FIA。整个实施例也可以被认为是一个FIA。

可以将涉及至少一个FIA的装置集合定义为“交通工具”。交通工具的示例是飞行器或船。

FIA的位置和取向可以用参考坐标系来描述，所述参考坐标系以瞬时质心为中心，其轴线与瞬时主轴线对齐。通过即刻将FIA看作刚性体来获得这些轴线。轴线标签是根据上下文确定的，z轴通常指向下方，并且x轴指向前方。这种坐标系被称为FIA坐标系(“FIAF”)。

本文所用的术语“标称水平巡航”描述了一种移动模式，其中交通工具质心的平均速度在一个周期内是恒定的，并且位于与惯性坐标系的XY平面平行的水平面内。为简单起见，默认所述速度向量与惯性坐标系的X轴对齐。术语“标称”指示不存在干扰，这旨在简化对移动模式的描述。

在FIA的运动是周期性的情况下，也可以定义平均FIAF或“AFIAF”。注意，后续周期期间的运动不需要相同，在这种情况下，每个周期都有不同的AFIAF。在指定的周期内，可以计算平均速度和对应的方向向量。在一些实施例中，参考坐标系被定义为以在整个周期时长内以平均速度行进的点为中心。通过使一个周期内FIAF的平均位置与一个周期内AFIAF坐标系的平均位置重合，可以得出此参考坐标系的初始位置。因此，这个新参考坐标系在惯性坐标系中的轨迹是直线。在标称水平巡航期间，这条直线是水平的。这条线与对指定时间段期间FIAF在惯性坐标系中的平均位置进行描述的点重合且被其对半分。AFIAF的x轴与平均速度向量对齐，并且z轴位于包含x轴以及由于当地重力加速度的平面内并且指向下方。

在一些实施例中，惯性坐标系的原点被定义为足够接近瞬时AFIAF原点，使得可以忽略地球的曲率。注意，在标称水平巡航期间，AFIAF的x轴与惯性坐标系X轴对齐，并且AFIAF的z轴与惯性坐标系Z轴平行并指向其相反方向。

本文所用的术语“翼装置”描述了材料集合，材料的一部分可以通过作用在翼装置与流体之间的界面上的接触应力而与周围流体相互作用。在一些实施例中，“翼”或“翼装置”是在与周围流体相互作用时产生升力的机械元件。

本文所用的术语“固定翼”描述了一种特定类型的翼装置。在一些实施例中，“固定翼”飞行器是具有翼装置的飞行器，所述翼装置未构造为相对于飞行器的本体(例如，机身)运动(例如，旋转)(例如，固定翼飞行器的翼可能相对于飞行器的本体变形，但是不使可旋转地联接至飞行器的本体)。在一些实施例中，“固定翼”飞行器不同于旋翼飞行器(例如，直升机)。在一些实施例中，固定翼的部分(例如，襟翼和副翼)可以构造为相对于本体运动。

本文所用的术语“变形翼”是指在指定的一组移动模式期间包括多于一个伪刚性体的任何翼装置。注意，变形翼能够在指定移动模式内的某个时长期间作为固定翼来操作。

“净流体力”或“NFF”是周围的一种或多种流体在指定装置上施加的净力。流体会引起作用在装置上的不同类型的应力。当每种类型的应力整合在流体与装置之间的对应边界上时，可以得到合力。当将每种流体的所有合力加在一起时，可以建立所得NFF。NFF作用于装置的重心(表示“CG”)上。

“净流体力矩”或“NFM”是周围的一种或多种流体在指定装置上在装置重心周围施加的净力矩。由流体施加到装置上的应力可以整合在装置的增量区域或体积上。所得的增量力向量可能在装置的瞬时重心周围产生增量力矩。当所有增量力矩都整合在装置的整个区域或体积上时，就会得到NFM。

第一装置可能受到来自第二装置的应力。这些应力可以整合在第一装置的整个体积上，以产生“内力”(或IF)以及“内力矩”(或IM)。注意，IF和IM作用在第一装置的瞬时重心上或周围。第一装置可能受到来自其他几个装置的IF。当将作用在第一装置上的所有单独的IF加在一起时，得到“净内力”(或NIF)。NIF还作用在第一装置的重心上。类似地，“净内力矩”(或NIM)是作用在第一装置上并作用在其重心周围的所有IM的总和。注意，尽管IF和IM在特定装置的外部，但是它们在交通工具的内部。作用在交通工具的所有元件总和上的所有内力和内力矩的总和为零。

指定的装置受到作用在其重心上或周围的净力和净力矩。通过从净力和净力矩中减去IF和IM，可以得到作用在装置上的净外力和净外力矩。例如，这些可以包括净流体力和净流体力矩以及重力。作用在装置上的净外力和净外力矩促成作用在交通工具上的净外力和净外力矩。

术语“自由流流动”是如果整个交通工具未与流体相互作用时会发生的相对于FIA上的指定点的理论流动。因此，它也可以被称为总体自由流流动。自由流流动可以包括来自FIA在惯性坐标系中的运动的作用。自由流流动还可以包括来自流体在惯性坐标系中的运动(比如风或流)的作用。FIA的不同指定点可能受到不同的自由流流动。例如，FIA可能旋转，使得FIA上的不同点在惯性坐标系中以不同的速度运动并且在理论上静止的流体中受到不同的自由流流速。

术语“局部自由流流动”是如果仅指定FIA未与流体相互作用时会发生的相对于指定FIA的理论流动。局部自由流流动包括自由流流动的作用以及由于交通工具的其余部分与流体相互作用而引起的作用。例如，相对于安装在翼下游的水平安定面，水平固定翼产生的下洗可能影响局部自由流的流速大小和方向。

可以如下定义局部升力和局部阻力。可以通过识别作用在流体与FIA的指定封闭区域或体积之间的应力、并且将所述应力整合在所述区域或体积上来得到流体力。流体力例如可以是作用在指定FIA上的净流体力，或者是作用在指定FIA的指定部分上的增量流体力。在区域或体积的指定参考点(比如区域或体积形心)处，可以得到局部自由流流动的速度向量。默认当流体力是作用在指定FIA上的净流体力时，参考点是FIA的重心。注意，所讨论的FIA也可以是另一个FIA的增量体积或区域。局部阻力是流体力的与局部自由流的流速向量对齐的分量。局部升力是与局部阻力正交的分量。注意，如果局部阻力指向相对局部自由流的流速向量相反的方向，则局部阻力可以为负。例如，比如螺旋桨等产生推力的FIA就是这种情况。

可以如下定义指定FIA或其指定部分的总体升力和总体阻力。当明显的是引用NFF的向量分量时，与NFF本身形成对照，也可以省下术语“总体”。除了是自由流的流速、而不是局部自由流的流速用于解析升力和阻力的分量外，以与局部升力和局部阻力相同的方式来定义总体升力和总体阻力。因此，所述总体阻力是前述流体力的在指定参考点处与自由流流速向量平行的分量。所述总体升力向量是流体力的与总体阻力向量正交的分量。注意，如果指向相对自由流流速向量的相反的方向，则FIA也会产生负的总体阻力。

净流体力在惯性坐标系的正X方向上的分量被定义为“向前力”FF。净流体力沿着惯性坐标系的正Z方向的分量被定义为“向上力”UF。净流体力在惯性坐标系的负Y方向上的分量被定义为“向右力”RF。注意，FF、UF、RF可以为负。FF、UF和RF作用在指定FIA的重心处。

可以识别FIA的增量体积或区域与流体相互作用以产生增量力的至少两种方式。

第一种类型的流体相互作用是由作用在FIA上的应力引起的，这些应力是由于自由流流体引起，其中通过FIA的作用使静压力梯度移位。采用第一种类型的流体相互作用的FIA的示例是软式飞艇、航空器或热气球。

第二种类型的流体相互作用涉及流体动量的变化率。采用第二种类型的流体相互作用的FIA的示例是直升机主旋翼、火箭发动机、螺旋桨、霍尔效应推力器、风道、飞行器翼、或具有与自由流流动平行的法向向量的加速平板。

“FIA的类型”是指产生NFF的方式。例如，当经由第一种类型的流体相互作用产生NFF的一部分时，FIA类型的一部分可以被描述为航空器或水压调节器，或对于其他流体而言类似。当经由第二种类型的流体相互作用产生NFF的一部分时，可以在向流体施加动量变化率的方式方面进一步区分不同的FIA类型。例如，如果通过传统翼施加动量变化率，可以这样描述FIA的类型。例如，其他FIA类型是螺旋桨式、火箭式。注意，特定的FIA可以是几种类型的混合动力式构型(比如混合动力飞艇就是这种情况)，其受到空气静力学效应和空气动力学效应两者产生的NFF的很大一部分。

在前述升力和阻力向量描述中，与自由流流动对齐的任何推力分量都会影响阻力的大小。此外，浮力可以出现在升力分量和阻力分量两者中。然而，推力和浮力与传统的升力概念更紧密相关。为了补救这一点，可以就在特定时间点结合FIA所消耗的动力方面来描述特定FIA的性能。

可以识别至少两种这样的类型的动力消耗。第一种类型的动力消耗指“与NFF无关的动力”消耗，而第二种类型的动力消耗表示为“与NFF有关的动力”消耗。每个FIA都有同其关联的、与NFF有关的动力消耗和与NFF无关的动力消耗。

指定的FIA的与NFF有关的动力消耗是整个交通工具所消耗的动力的一部分，其与指定FIA与流体的相互作用相关联。与流体的相互作用可以采取几种形式。与流体的相互作用可以包括整个交通工具由于指定FIA对流体流场的影响而消耗的任何动力。与自由流条件相比，这可以包括由于FIA使远尾流中的流体发生动量净变化而消耗的任何动力，这进而引起流体能量的净变化。例如，由FIA所受到的诱导阻力和翼型阻力、以及由于FIA的作用引起的交通工具的其余部分所受到的任何阻力增大可以引起动量净变化。相互作用还包括添加到交通工具的FIA或其余部分上的材料的质量的任何影响，以便有利于FIA与流体之间的相互作用。注意，即使作用于指定FIA上的NFF为零，与NFF有关的动力消耗也可以不为零。

可以通过从交通工具的总动力消耗中减去指定FIA的与NFF有关的动力消耗来计算指定FIA的与NFF无关的动力消耗。与NFF无关的动力消耗是整个交通工具所消耗的动力的一部分，其与在指定时间点的指定FIA与流体之间的相互作用无关。可以将与NFF无关的动力解释为整个交通工具将要消耗的动力，而不论流体与指定FIA之间的相互作用如何。

在以下段落中，描述了本公开的实施例的几个特征。

在一些实施例中，提供了一种流体相互作用装置(FIA)(例如，图1至图13的流体相互作用装置100、或图14至图24的流体相互作用装置200)。

在一些实施例中，FIA与气态流体(例如，空气)相互作用。在一些实施例中，FIA是交通工具。在一些实施例中，FIA是飞行器。在一些实施例中，FIA是风力涡轮机(或风车)。

在一些实施例中，FIA与液体流体(例如，水)相互作用。在一些实施例中，FIA是船/潜艇，并且下述一个或多个翼产生推力(例如，替代传统的螺旋桨来驱动船前进)。在一些实施例中，如下所述，相应的翼成形为翼剖面。在一些实施例中，如下所述，相应的翼成形为水翼。

为此，在一些实施例中，流体相互作用装置具有翼(例如，FIA 100的翼装置106/107中的任一个、或参考FIA 200描述的任何翼装置，比如翼装置202/208/209/210/211/212/213)。翼具有第一构型和第二构型，所述第一构型具有翼型阻力系数(或等效地，零升力阻力的第一等效平板阻力面积)，所述第二构型具有第二翼型阻力系数(或等效地，零升力阻力的等效平板阻力面积)，第二翼型阻力系数小于第一翼型阻力系数(例如，当翼处于第一构型时与其处于第二构型时相比，翼具有不同的空气动力学特性或流体动力学特性)。第一构型和第二构型是不同的构型。在一些实施例中，第一构型和第二构型具有不同的形状。在一些实施例中，第一构型和第二构型具有不同的浸润面积(例如，浸润面积是与外部流体流接触的面积)。然而，注意，以下使用恒定参考面积定义翼型阻力系数。在一些实施例中，第一构型和第二构型具有不同的体积。在第一构型和第二构型下，翼的不同形状、浸润面积和/或体积分别引起第一翼型阻力系数与第二翼型阻力系数之间的差异。

在一些实施例中，翼是伸缩式翼，第一构型是伸展构型(例如，翼是伸展的)，并且第二构型是收缩构型(例如，翼是收缩的)。例如，如图1至图2所示，翼装置106/107是伸展的伸缩式翼，而如图4至图5所示，翼装置106/107是收缩的。图7还示出了翼装置106/107的伸展和收缩。例如，快照126图示了处于收缩构型的翼装置106/107，而快照129示出了处于伸展构型的翼装置106/107。与收缩构型相比，翼装置在伸展构型下具有不同的形状、体积和浸润面积，从而引起两种构型的翼型阻力系数不同。

类似地，图14至图24图示了其中翼装置202/208/209/210/211/212/213是伸展和收缩的伸缩式翼装置的示例。图18还示出了翼装置202/208/209/210/211/212/213的伸展和收缩。例如，快照257图示了翼装置209/210/212/213处于收缩构型、而翼装置208/211处于伸展构型，并且快照261图示了翼装置209/210/212/213处于伸展构型、而翼装置208/211处于收缩构型。

FIA还包括本体。在一些实施例中，本体是另一翼(或机身、或飞轮的空气动力学整流装置、和/或配重物)。例如，在一些实施例中，本体是机身(例如，图1至图13的机身101或图14至图24的机身201)。在一些实施例中，可能没有独立的机身。在这种情况下，参考图1，翼装置102可以被认为是“翼”，而动量储存装置103可以被认为是“本体”。在其他这样的情况下，参考图14，翼装置202可以被认为是“翼”，而翼装置212可以被认为是“本体”。在一些实施例中，本体具有纵向轴线(例如，将机身140的前部连接至机身141的后部的轴线，图3；将机身281的前部连接至机身282的后部的轴线，图14)。在一些实施例中，本体是细长的(例如，纵向轴线基本上平行于交通工具的行进方向)(例如，本体在x方向上比在y方向上更长)。在一些实施例中，本体具有泪滴形状。在一些实施例中，在使用中，本体的纵向轴线基本上平行于在惯性坐标系中测量的、自由流流动相对于翼质心的平均方向，其中计算(例如，考虑)在翼的周期性运动的一个周期内的平均值(例如，FIA是交通工具，并且本体的纵向轴线基本上平行于交通工具的行进方向)。如本文所使用的，基本上平行是指大致平行(或在20度内)。

在例如流体相互作用装置是风力涡轮机的一些实施例中，本体的纵向方向基本上平行于平均风流方向(例如，FIA的设计操作使得在使用中本体的纵向方向基本上平行于风流方向)，其中计算(例如，考虑)在翼的周期性运动的一个周期内的平均值。

翼还可以具有纵向轴线(例如，与翼的翼展不同)。如本文所使用的，纵向轴线被定义为位于本体的本体固定坐标系的xz平面内，其中根据航空公约并且如本文所述的定义所述坐标系。在标称操作期间，本体坐标系的xz平面平行于本文定义的惯性坐标系的XZ平面。在一些实施例中，xz平面也是流体相互作用装置的对称平面。因此，即使翼在不同方向(例如，y方向)上更长，翼的纵向轴线也是通常基本上沿着翼的翼弦的方向。在一些实施例中，纵向轴线基本上平行于本体的本体坐标系的x轴，其中所述坐标系是根据航空公约定义的。

本体联接至翼。在一些实施例中，本体通过支撑构件(例如，图1至图13的杆装置104；图14至图24的杆装置204/205/206/207)联接至翼。在一些实施例中，支撑构件(例如，支撑装置)具有与翼联接(例如，经由旋转接头112/227/228可旋转地与翼联接)的第一部分(例如，第一端，例如，杆装置端头110)以及与本体联接(例如，经由旋转接头215/217可旋转地与本体联接)的第二部分(例如，第二端，例如，杆装置基部122/219/221)。例如，参考图1至图13，翼装置106/107两者均联接至杆装置104并且可以相对于杆装置104独立地旋转。

在一些实施例中，支撑构件将一对伸缩式翼联接至本体。例如，如图1所示，杆装置104与翼装置106和翼装置107联接。翼装置106和翼装置107是(例如，纵向地)同轴的，但是具有可独立控制的迎角(例如，如图12-13所示)。

在一些实施例中，支撑构件是伸缩式支撑构件。例如，图3示出了杆装置104是部分伸展的。另外，如图7所示，杆装置104在快照126中是收缩的，并且在快照128中是伸展的。如图18所示，在一些实施例中，杆装置204/205一起伸展和收缩，而杆装置206/207一起伸展和收缩。

FIA进一步包括第一致动器，所述第一致动器构造为使翼从在第一方向(例如，朝向FIA的后部)上运动时的第一构型改变为在第二方向(朝向FIA的前部)上运动时的第二构型。

如本文所使用的，致动器是负责使机构或***运动并对其进行控制的任何部件。简言之，致动器是“推动器”。例如，本文所述的致动器可以包括线性步进电机(例如，用于平移运动)、旋转步进电机(例如，用于旋转运动)、传统电机、或内燃发动机、或涡轮轴发动机。本文所述的致动器可以包括一个或多个液压部件。

第二方向具有与本体的纵向轴线平行的主要分量(例如，朝向FIA的前部或后部运动)。在一些实施例中，当第二方向在本体的纵向轴线的45度内时，第二方向具有与本体的纵向轴线平行的主要分量。在一些实施例中，第二方向朝向FIA的前部。在一些实施例中，第二方向与自由流流动相对于翼质心的平均位置(例如，相对于本体的质心的平均位置)的平均方向相反。

在一些实施例中，FIA包括构造为使翼相对于本体运动的一个或多个致动器。例如，在一些实施例中，FIA包括构造为使支撑构件围绕其旋转轴线(例如，相对于本体)旋转的第二致动器、以及包括构造为使支撑构件在周期性运动期间伸展和收缩的第三致动器。支撑构件围绕本体旋转(例如，其中翼联接至支撑构件的另一侧)与支撑构件伸展和收缩的组合运动提供了翼相对于本体的运动。

在一些实施例中，翼相对于本体沿周期性路径周期性地运动。在此，周期性是指间隔发生并且旨在包括准周期性运动(例如，具有不规则的周期性)。例如，翼的端头沿周期性路径相对于本体周期性地运动(例如，翼装置端头120/121沿周期性路径相对于本体运动，如相对路径133/134所示，图8至图11；另外，相对路径265至270图示了翼端头相对于本体的周期性路径，图19至图21)。在一些实施例中，周期性路径是产生升力或产生推力的周期性路径。在一些实施例中，翼以小于1分钟、小于10秒或小于1秒的周期而周期性地运动。在一些实施例中，翼在周期性路径的第一阶段期间(例如，巡航阶段，在该时间期间翼是伸展的)期间相对于本体在第一方向上运动，并且在周期性路径的第二阶段期间(例如，加力阶段(forcing phase)，在该时间期间，翼是收缩的)在第二方向上运动。在其他实施例中，一个周期可以包括几个这样的阶段。例如，周期可以包括第一阶段、第二阶段、第三阶段和第四阶段，其中在第三阶段中翼构型类似于在第一阶段中的翼构型，并且其中在第四阶段中的翼构型类似于在第二阶段中的翼构型。在一些实施例中，自由流流体相对于翼的流速大小和和方向在第一阶段期间是基本上恒定的并且在第二阶段期间是基本上恒定的。在这样的实施例中，翼相对于本体的速度大小和方向也可以在第一阶段期间是基本上恒定的并且在第二阶段期间是基本上恒定的。在一些实施例中，第一致动器在小于1分钟、小于10秒或小于1秒的时间范围内使翼从第一构型改变为(例如，不同于第一构型的)第二构型。在一些实施例中，第一致动器使翼从第一构型改变为第二构型的时间范围只要是可行的就尽可能地短，其中可行性由结构约束或致动器约束决定。这种改变构型例如在第一阶段与第二阶段之间发生，并且表示为“转变阶段”。

例如，翼在周期性路径的第一阶段期间(例如，在此第一阶段期间，自由流流体相对于翼的流速大小和方向是基本上恒定的)相对于本体在第一方向上运动，并且在周期性路径的第二阶段期间(例如，自由流流体相对于翼的流速大小和方向是基本上恒定的)在第二方向上运动。在第一阶段与第二阶段之间是第一转变阶段，在此第一转变阶段期间翼从第一构型改变构型为第二构型，并且在第二阶段与第一阶段之间是第二转变阶段，在此第二转变阶段期间翼从第二构型改变构型为第一构型。在一些实施例中，在第一阶段期间，翼保持处于第一构型。在一些实施例中，在第二阶段期间，翼保持处于第二构型。

在一些实施例中，这样的结构约束或致动约束可以扩展到转变阶段的时长，其程度为阶段(例如第二阶段)的时长可忽略不计，使得第一转变阶段紧随第二转变阶段。在这样的实施例中，周期性路径和/或改变构型可以被描述为是连续的。

在一些实施例中，翼在第一阶段中产生的推力大于翼在第二阶段中产生的推力。在一些实施例中，翼在第一阶段中受到的升力大于翼在第二阶段中受到的升力。在一些实施例中，翼在第一阶段中受到的净流体力大于翼在第二阶段中受到的净流体力。

在一些实施例中，翼在第二阶段中比在第一阶段中相对于静止物体运动得更快(例如，翼在第二阶段中在惯性空间中的平均速度的分量的大小比在整个第一阶段中更小)。

在一些实施例中，翼相对于风的速度(例如，自由流的流速大小)在整个第一阶段中是基本上恒定的。在一些实施例中，翼相对于风的速度(例如，自由流的流速大小)在整个第二阶段中是基本上恒定的。在此，“基本上恒定”是指翼相对于风的速度不会由于翼的受控运动而改变(例如，风可能会自行改变，但是翼相对于静止参照物的速度保持不变)。

在一些实施例中，FIA是交通工具。第一方向朝向交通工具的后部，并且第二方向朝向交通工具的前部。即，在一些实施例中，翼以周期性运动朝向和背离交通工具的前部运动。第一致动器使翼在朝向交通工具的前部运动时(例如，当其相对于流体的速度较快时)运动到其具有相对较低的翼型阻力系数(或零升力阻力的等效平板阻力面积)的第二构型，并且在朝向交通工具的后部运动时运动到其具有相对较高的翼型阻力系数(以及更大的升力或推力)的第一构型。

在一些实施例中，翼的周期性路径相对于本体是基本上线性的(例如，沿着在本体的纵向轴线的+/-45度内的轴线向前和向后)(例如，在沿行进方向延伸的竖直平面内，例如在XZ平面内)。在一些实施例中，翼的周期性路径是闭合的非线性周期性路径。在一些实施例中，翼的周期性路径是8字形的(例如，在沿行进方向上延伸的竖直平面内，例如，在XZ平面内)。在一些实施例中，8字形是在一个点处连接两个单独的封闭环(例如，8字形包括无穷大符号的形状)。在一些实施例中，翼的周期性路径是非圆形的和/或非椭圆形的。如下所述，对于不同的飞行模式，翼的周期性路径可以是不同的。例如，FIA可以是能够以第一操作模式和第二操作模式进行垂直起降(VTOL)的交通工具，在第一操作模式下，翼的周期性路径从侧面看是线性的、或者是无穷大符号的形状(如图9中所示)，在第二操作模式下，周期性路径是非线性闭环。

注意，在一些实施例中，非变形翼沿线性或8字形的周期性路径行进(例如，在沿行进方向延伸的竖直平面内，例如，在XZ平面内)。例如，翼不会从第一构型变为第二构型。

在一些实施例中，如上所述，翼是伸缩式翼。伸缩式翼构造为在伸缩式翼相对于本体的周期性运动期间沿着伸缩式翼的翼展(例如，总体上沿着主轴线)伸展和收缩。在一些实施例中，伸缩式翼的翼展基本上垂直于本体的纵向轴线。

在一些实施例中，FIA包括第二本体(例如，配重物)。在一些实施例中，本体是另一个翼(附加伸缩式翼，其构造为在附加伸缩式翼相对于本体的周期性运动期间沿着附加伸缩式翼的翼展伸展和收缩，其中附加伸缩式翼的翼展基本上平行于所述伸缩式翼的翼展)。例如，在一些实施例中，参考图14，翼装置202可以被认为是“翼”，机身282可以被认为是本体，并且翼装置212可以被认为是“第二本体”。在一些实施例中，第二本体不是翼(例如，图1至图13的动量储存装置103)。在一些实施例中，第二本体包括货物和/或燃料/电源(例如，电池或涡轮轴发动机)。在一些实施例中，第二本体相对于本体沿周期性路径运动(例如，如图8至图9的MSA 103的相对路径135所示)。

在一些实施例中，FIA包括附加支撑构件(例如，附加伸缩式支撑构件，比如杆装置105)，所述附加支撑构件具有可旋转地联接至本体的第一端(例如，杆装置基部123)以及可旋转地联接至第二本体的相对的第二端。因此，附加支撑构件将本体联接至第二本体。例如，参考图1，杆装置105一端联接至机身101，并且相对的端联接至动量储存装置103。在一些实施例中，FIA包括一个或多个用于使附加支撑构件伸展和收缩和/或使附加支撑构件相对于本体旋转的致动器。

在一些实施例中，在预定义的操作周期(例如，巡航操作周期)期间，控制支撑构件的伸展和收缩以产生飞行器的本体的水平巡航路径。在巡航期间，在一个整个周期性运动周期中，飞行器的质心在惯性坐标系中的位置的变化(例如，相对于静止物体，比如地面上的物体)可能是水平的。

在一些实施例中，FIA是飞行器。飞行器包括具有纵向轴线的本体(例如，机身282，图14至图24)。FIA进一步包括第一伸缩式翼(例如，翼装置209/210/212/213中的任何一个)，所述第一伸缩式翼构造为在第一伸缩式翼相对于本体的周期性运动期间沿着第一伸缩式翼的翼展(例如，纵向地，从翼装置端头252指向翼装置端头255，图14)伸展和收缩。在一些实施例中，第一伸缩式翼的翼展基本上垂直于本体的纵向轴线(例如，其中纵向轴线是将机身281的前部连接至机身282的后部的轴线，图14)。在一些实施例中，第一伸缩式翼的翼展是弯曲的。在一些实施例中，第一伸缩式翼的翼展与本体的纵向轴线成向后的角(例如，5-30度)。FIA包括第一支撑构件(例如，杆装置206/207中的任一个)，所述第一支撑构件具有可旋转地联接至本体的第一端以及(例如，通过水平支撑件214)可旋转地联接至第一伸缩式翼的相对的第二端。在一些实施例中，第一支撑构件可以完全地围绕其与本体的联接而旋转(例如，360度旋转)(例如，至少一个旋转分量在XZ平面内)。FIA包括第二伸缩式翼(例如，翼装置208/211中的任一个)，所述第二伸缩式翼构造为在第二伸缩式翼相对于本体的周期性运动期间沿着第二伸缩式翼的翼展(例如，纵向地)伸展和收缩。在一些实施例中，第二伸缩式翼的翼展基本上垂直于本体的纵向轴线(例如，平行于第一伸缩式翼的翼展，或者是弯曲的，或者后缩，如参考第一伸缩式翼的翼展所描述的)。FIA包括第二支撑构件(例如，杆装置204/205中的任一个)，所述第二支撑构件具有(例如，通过水平支撑件)可旋转地联接至本体的第一端、以及可旋转地联接至第二伸缩式翼的相对的第二端。

在一些实施例中，第二支撑构件可以完全地围绕其与本体的联接而旋转(例如，360度旋转)(例如，至少一个旋转分量在XZ平面内)。

在一些实施例中，FIA包括联接至第一支撑构件的一对伸缩式翼。例如，如图17所示，杆装置207与翼装置212和213(例如，伸缩式翼)联接。

本发明无限制地适用于流体相互作用装置(或FIA)的设计和操作。相互作用可以包括作用在流体与装置之间的力。可以在涉及装置和方法两者的几个不同实施例中实现本发明。

交通工具在任何时候都可能以特定移动模式(比如悬停、爬升或巡航)操作。根据移动模式以及其他相关的标准，前述FIA可以以几种不同的方式来操作。在整个移动模式中，FIA可能以周期性的方式来操作。

一些实施例包括具有零升力阻力的FIA。在一些实施例中，FIA能够更改其零升力阻力。例如，这可以通过改变FIA在惯性空间中的速度来实现，或者通过重新改变FIA的形状而改变浸润面积来实现。

在一些实施例中，FIA能够产生升力。在一些实施例中，FIA能够通过改变翼元件的形状来更改其升力。在一些实施例中，FIA通过使翼元件变形来实现这一点。可以使用襟翼、副翼或伸缩式翼元件来完成。在一些实施例中，FIA还能够通过改变翼元件的迎角或通过改变FIA在惯性空间中的速度来更改其升力。

在一些实施例中，FIA具有升力诱导阻力(lift dependent drag)分量。在一些实施例中，FIA能够通过更改升力来更改升力诱导阻力。另外，FIA可能能够通过更改翼元件的形状来更改升力诱导阻力。

可以得到参数空间中的几个对这种FIA的操作进行描述的周期性轨迹。

例如，在一个周期期间的一段时长期间，与其他阶段相比，FIA可能受到大的净流体力大小。此净力可能部分地由于升力引起。此升力可能部分地是改变翼元件的构型的结果。这种构型改变也可能会增加浸润面积，这进而也可能会造成与其他阶段相比更高的零升力阻力分量。与产生更小的升力或推力的其他阶段相比，升力诱导阻力分量在此阶段期间可能也较大。例如，构型改变可以包括增大翼的翼展。与产生相同量的升力的其他构型相比，这可以减小翼展负载并减小诱导阻力。在当前示例的背景下，为方便起见，这个时长将被称为“加力阶段”。注意，在其他实施例中，在加力阶段期间的较大的净力也可以基本上是由于阻力引起。由于较大的零升力阻力的构型以及任何升力诱导阻力，与其他阶段相比，FIA在加力阶段期间每单位水平行进距离可能消耗能量更大的量。在NFF的大小不足以将加力阶段与另一阶段区分开的情况下，可以将加力阶段定义为交通工具的总能量增加的阶段。可替代地，加力阶段是NFF在交通工具的平均运动方向上具有较大分量的阶段。

在一个周期期间的另一时长内，FIA可能会在不同状态下操作。在这种状态下，与在加力阶段期间相比，FIA每单位水平行进距离可能消耗能量的更少的量。与加力阶段相比，这样一种状态的特征可以是零升力阻力小得多。零升力阻力的减小可能部分地是由于将FIA的构型改变为具有浸润面积减小的形状。在当前示例的背景下，此时长将表示为“巡航阶段”。在巡航阶段期间，与加力阶段相比，FIA可能产生比较小的或可忽略不计的量的升力和升力诱导阻力。

注意，FIA在巡航阶段期间可能依赖净内力和力矩以便抵消掉一部分作用在其上的阻力和重力。此净内力可以由交通工具内包含的其他装置来提供。

例如，交通工具可以包括具有与第一FIA相似的特征的第二FIA。第二FIA可以在加力阶段中操作，而第一FIA在巡航阶段中操作。在此时间期间，第二FIA可以提供第一FIA所需的净内力和净内力矩的一部分或全部。

可替代地，交通工具可以包括第二装置。此装置可以被称为能量储存装置(ESA)，并且构造为允许FIA对ESA做功，反之亦然。ESA可以回收、储存和释放能量。ESA还可以对除所述FIA之外的其他元件或装置做功。在加力阶段期间，ESA可能受到通过与FIA相互作用而产生的净内力，从而增加其动能或势能或动能和势能两者。在巡航阶段期间，ESA可以通过对FIA做功(涉及所需净内力)来减少能量。注意，这种能量传递需要ESA与FIA之间的相对运动。平均而言，ESA在一个周期内受到来自至少前述FIA的净内力以抵消比如重力或作用在ESA上的任何净流体力等任何外力。注意，ESA也可以归类为FIA，但是不需要具有前述FIA的所有可能属性。

在第三示例中，FIA本身用于储存能量。在加力阶段期间，FIA可以使用NFF来增加其自己的势能或动能。此能量随后在巡航阶段期间被消耗。

如果要使航程最大化，则成本是在惯性空间中每单位水平行进距离消耗的能量。在此示例的背景下，一个周期内的成本将被指定为“Jp”，而加力阶段内的成本表示为“Jf”，并且巡航阶段内的成本表示为“Jc”。可以将基线成本定义为“Jb”，其可以对应于流体中的传统推进方法，比如螺旋桨。根据一些实施例，成本Jf可能大于Jb，并且Jc可能小于Jb。总成本Jp是Jf和Jc的水平距离加权总和。如果与加力阶段相比FIA在巡航阶段期间覆盖了足够更大的水平距离，则成本Jp可以小于Jb。在标称水平巡航期间，为了周期性，这可能需要FIA在巡航阶段沿至少AFIAF的正x方向运动、并且在加力阶段期间沿负x方向运动。在比如爬升等其他移动模式期间，FIA可能在巡航阶段期间必须基本上沿平均运动方向运动，以便实现这种改进。对于实施例而言使航程最大化的平均速度也可能高于基线交通工具的速度。在另一个实施例中，还可以通过类似的方法实现续航时间的提高。

除了可能的航程提高之外，对某些实施例还有其他益处。一些实施例可以实现噪音的降低。在空中飞行的情况下，可以实现最小速度的降低。例如，FIA在加力阶段期间可以以超过FIA的失速速度的速度行进，而AFIAF在悬停期间可以以较慢的速度运动或保持静止。FIA相对于AFIAF的相对运动还可以产生增大的有效盘形面积，这也可以减小交通工具的诱导阻力。

可以通过使目标函数或“目标”最小化来使特定FIA的性能最大化。特定的FIA构型的目标可以是交通工具在惯性坐标系中每单位水平行进距离所消耗的平均能量。这可以使交通工具的航程最大化。另一个目标可以是交通工具每单位时间消耗的平均能量。这可以使交通工具的续航时间最大化。另一个目标可以是使交通工具在惯性坐标系中从点A到达点B所需的平均时间最小化。FIA的另一个目标可以是使从流体中提取的动力最大化，比如风力涡轮机就是这种情况。其他目标函数也是可能的。目标也可以是前述函数中的几个不同函数的组合。例如，平均时间、制造成本和每单位水平行进距离所消耗的能量的加权总和可能是另一个目标。

在使目标最小化的同时，特定FIA装置和操作方法可能需要满足约束。约束可以适用于操作方法以及FIA的构型。

对于给定的FIA构型，一个约束可以确定FIA在惯性坐标系中的瞬时平移速度方向和大小。例如，指定的FIA可以包括传统的固定翼飞行器的与流体接触的主翼结构。在这种情况下，主翼刚性地附接至机身，并且因此对机身的位置、速度或加速度的任何约束也适用于主翼。注意，主翼被认为是与比如副翼或襟翼等任何附加装置孤立的，使得主翼可以被认为是伪刚性体。在标称水平巡航期间，机身的加速度可以被限制为零。根据定义，惯性坐标系的X轴平行于机身的速度向量。机身在Z方向和Y方向上的速度因此被限制为零。由于交通工具的特定构型，此约束也适用于与流体接触的主翼结构。

一个约束可以确定在周期性运动的一个周期期间FIA在惯性坐标系中的平均平移速度方向和大小。例如，在悬停期间，可能需要FIA平均保持静止。例如，此约束也适用于FIA是风力涡轮机的情况。在另一个示例中，在标称水平巡航期间，可能需要FIA沿惯性坐标系的Z方向和Y方向以零平均平移速度行进。在行进穿过流体的交通工具的标称水平巡航期间，还可以存在呈X方向上的给定平均速度形式的对FIA的平均速度约束。

对于某些速度分量，可以没有对指定FIA的瞬时速度或平均速度约束。例如，在标称水平巡航期间，飞行器的平均巡航速度(即，飞行器的重心的在惯性坐标系中沿X方向平均速度)可以采取由飞行器的性能包线所指定的范围内的任何值。

可能有适用于FIA的瞬时净内力或净内力矩约束。例如，交通工具可以包括第一FIA和第二FIA。在特定移动模式期间，可以在每个时间点对第一FIA的加速度加以约束。第一FIA在惯性坐标系中的瞬时加速度还约束了第二FIA施加在第一FIA上的瞬时净内力或瞬时净内力矩。例如，在标称水平巡航期间，第一FIA可能包括需要在惯性坐标系中受到零加速度的机身。为了保持零净力作用在机身上，在任何时刻都需要由交通工具的其余部分(即，第二FIA)在机身上施加恒定的净内力以便抵消净外力。净外力可能会随时间而变化，例如，受到来自机身上的重力和阻力的作用。如果指定的FIA是机身，则需要在某个时刻施加在机身上的内力是瞬时净内力约束。在这种情况下，对第一FIA的内力约束产生对第二FIA的相等且相反的瞬时内力约束。传统的机身也可能需要零净力矩以作用在重心周围。如果净外力矩在任何时刻都为零，则需要由交通工具的其余部分(即，第二FIA)在机身上施加恒定的零净内力矩，以在标称水平巡航期间保持机身的零角加速度。

另一个约束可以采取平均净内力或平均净力矩约束的形式。例如，交通工具可以包括第一FIA和第二FIA。在周期性运动的一个周期内，第一FIA的平均加速度可以被限制为给定值，比如零。这将对第二FIA产生平均内力约束。例如，在标称水平巡航期间，可能需要第二FIA在周期性移动的一个周期期间对第一FIA传送与作用在第一FIA上的重量和阻力冲量相等且相反的内力冲量。注意，可以允许作用在第一FIA与第二FIA之间的瞬时内力采取在可接受值的范围内的任何值，其中所述范围例如受到结构考虑的限制。

也可能没有适用于FIA的瞬时或平均内力或瞬时或平均力矩约束。例如，风力涡轮机螺旋桨可以不需要平均地或瞬时地将一定量的内力传递给其支撑件。这将允许涡轮机在与固定的外部强制性推力完全相对的不同推力水平范围内操作。由于结构考虑或空气动力学考虑等，对推力水平或前述内力的范围可能存在上限约束或下限约束。

还有众多其他类型的约束，比如对峰动力消耗的约束、对交通工具成本的约束、对机械复杂性的约束、或对FIA与交通工具重心的相对位置的约束。

对于给定的一组约束，可以存在可以采用的各种FIA构型和操作方法。

在一些实施例中，包括指定的FIA的装置以如下方式被构造：FIA可以在瞬时NFF和瞬时局部自由流流速的向量空间中的至少两个不同点处操作，使得一个周期内的目标的平均值低于基线目标，所述基线目标是针对FIA在前述向量空间中的单个点处操作同时还满足约束的情形而计算的。

前述构型可以采取几种形式。在一些实施例中，以如下方式来构造交通工具，即，平均内力约束或平均自由流速度约束适用于至少一个FIA。有许多方式可以实现这一点。例如，可以采用动量储存装置(MSA)来平衡特定FIA传送给交通工具的其余部分的内力的任何峰和谷，使得始终满足指定的瞬时内力约束。这会将对FIA的任何瞬时内力约束转换为只需要平均在一个周期内满足的平均内力约束。动量储存装置可以是构造为吸收、储存和传送动量冲量的任何装置。例如，参考图14，可以通过允许(比如FIA 202等的)FIA与至少一个其他(比如FIA 203等)的FIA相互作用来促进这一点。在其他实施例中，可以用类似于FIA 202和FIA 203的方式来操作三个FIA。例如，参考图1，可以通过允许(比如FIA 102等的)FIA与类似于MSA 103的装置相互作用来促进这一点。MSA可以用于吸收线性动量或角动量，并且根据需要传送全部或一部分所述动量。在第三示例中，可以通过允许FIA本身用作动量储存装置来促进这一点。在第四示例中，可以通过允许FIA(比如FIA 102)与使用周围流体作为动量储存装置的装置相互作用来促进这一点。例如，通过增大以恒定的自由流速度运动的第二FIA的增加后的质量，可以增大第二FIA的动量。可以通过再次减小第二FIA的增加后的质量来恢复此动量。

前述构型还可以更改或有利地影响任何自由流流速约束。通过合适的连接装置，FIA可以构造为满足惯性坐标系中的平均速度，或者如果需要，可以满足平均自由流流速约束。这样的连接装置可以允许FIA与AFIAF之间的相对运动。

所述构型可以包括指定的FIA受到平均内力约束或平均自由流流速约束的构型。该FIA构型还可以包括附加特征，比如FIA相对于流体更改其形状的能力。

FIA在包括描述了FIA的构型、瞬时自由流速度和瞬时NFF的参数的向量空间中的精确轨迹取决于特定的目标函数以及任何附加约束。

在以下段落中，将会描述一个特定交通工具实施例。在图14至图22中描绘了此实施例。

交通工具包括几个装置，这些装置可以通过它们在标称水平巡航期间执行的功能加以区分。如稍后将解释的，可以识别机身装置和连接装置(例如，支撑构件)。尽管这两个装置按照定义都是FIA，但为清楚起见，它们均以前述方式被提及。其余装置将是指FIA，其可以被描述为两个FIA，标记为202和203。

机身装置包括图14所示的机身201以及水平支撑件214。机身201可以包括能量源、动力源或有效负载。有效负载可以包括货物或一个或多个乘客。注意，一些前述物件也可以位于交通工具的其他装置内。

可以如下定义“机身坐标系”。在一些实施例中，机身坐标系x轴与连接机身281的前部与机身282的后部的线平行，并且指向前部。机身坐标系z轴指向下方并且位于包含机身坐标系的x轴以及在标称水平巡航期间重力加速度的平面内。机身坐标系在前述取向下相对于机身是固定的。机身坐标系的原点位于机身装置的瞬时质心。

FIA 202包括2个独立的翼装置：图15所示的一个左翼装置211和一个右翼装置208。FIA 203包括4个翼装置：图14所示的一个最左翼装置212、一个中间左翼装置213、一个中间右翼装置210以及一个最右翼装置209。

对于FIA 202和FIA 203两者，AFIAF按前面所定义地定向和定位。

在一些实施例中，每个翼装置的形状可以被改变以改变浸润面积。注意，在一些移动模式下(比如针对某个交通工具速度范围的恒定速度慢速飞行)，FIA不需要在标称操作期间改变浸润面积。在其他交通工具实施例中，FIA不能大幅度改变浸润面积。有各种各样的方法可用于改变翼装置的形状以改变浸润面积。

在一些实施例中，翼装置包括伸缩机构。每个翼装置包括至少一个“子”翼元件，其构造为至少部分地被“母”翼元件包围。也有几个不同的伸缩机构实施例。在一些实施例中，子元件可以包括附接至蒙皮元件的结构元件。

可以将结构元件设计为承载大部分负载。这些负载可以是沿着翼的翼展积聚的弯曲力矩和剪切应力。蒙皮元件可以构造为将作用在翼装置的翼展的一小部分上的周围流体的负载传递到结构元件。子元件的结构元件可以构造为以伸缩方式至少部分地被的母元件的结构元件包围。

有几个选项可用于改变蒙皮元件的构型。在一些实施例中，可以使用轴向变形来改变蒙皮元件的构型。当结构元件缩回时，蒙皮元件可以在轴向方向上弹性变形并且因此减小其浸润面积。轴向变形的另一个示例是使用压电材料。

在另一个实施例中，可以使用剪切变形来改变蒙皮元件的构型。当结构元件缩回时，蒙皮元件会发生弹性离面弯曲(out of plane bending)。可替代地，可以通过使用压电材料来实现剪切变形。可以以至少子元件的浸润面积被减小的方式控制折叠。例如，蒙皮元件可以沿着基本上在弦向方向上对齐的轴线折叠到子元件的先前未占用的空间中。因此，仅一小部分蒙皮元件与周围流体接触。

蒙皮元件也可能仅包含刚性元件。刚性元件可以沿预定义轴线以受控方式折叠。例如，有利于弹性弯曲的旋转接头或局部区域可以沿着那些轴线布置，以允许刚性蒙皮元件如下方式的受控可逆屈曲，即，减小至少子元件的浸润面积。

在其他实施例中，避免了蒙皮元件所围住的结构元件的复杂性和结构损失。在这种情况下，结构元件与蒙皮元件之间没有区别，就像受力蒙皮结构的情况一样。因此，与蒙皮仅包括刚性元件的前述情况相比，蒙皮还被用作结构元件。在一些这样的实施例中，子元件可能仅包括一个与流体接触的刚性元件，并且可以以伸缩方式至少部分地被母元件的结构元件包围。

母翼元件相对于另一个元件可以是子元件。没有作为其他翼元件的子元件的翼元件是基部元件。在一些实施例中，每个翼装置最多有一个翼基部元件。例如，翼装置211具有图15所指示的基部元件242，翼装置209具有图14所指示的基部元件240，并且翼装置210还具有基部元件240。翼装置212具有图15所指示的基部元件243。在一些实施例中，翼装置209总共具有9个子元件，翼装置208具有8个子元件，并且翼装置210具有8个子元件。其他实施例可以具有任何数量的子元件。由虚线246示意性地指示翼元件的端头的理论位置，以便更清楚地图示针对此交通工具实施例所选择的伸缩变形方法的操作。翼装置209具有翼装置端头252，并且翼装置212具有翼装置端头255。

在一些实施例中，杆装置(例如，支撑构件)，比如杆装置204，包括杆装置基部219、杆装置224以及杆装置端头227。

可以如下定义“杆装置基部坐标系”或“RABF”。原点位于杆装置基部的中心。这个点位于描述杆装置基部与水平支撑件214之间的相对运动的旋转轴线上。所述点位于此轴线穿过杆装置基部的行程的中间点。类似地，杆装置端头的中心可以在描述翼装置基部与杆装置端头之间的相对运动的旋转轴线方面来定义。在一些实施例中，在标称水平巡航期间，RABF的xz平面平行于机身坐标系xz平面。RABF的x轴平行于对杆装置端头中心和杆装置基部中心的相对位置进行描述的向量在杆装置xz平面上的投影。

杆装置基部221将杆装置206可旋转地连接至水平支撑件214。在一些实施例中，在杆装置基部221与水平支撑件214之间存在一个旋转自由度。在一些实施例中，所述一个旋转自由度包括在标称操作期间围绕相对于机身坐标系固定的轴线的旋转。在一些实施例中，所述旋转轴线此外平行于机身坐标系的y轴。因此，存在将杆装置基部221连接至水平支撑件214的旋转接头217。在一些实施例中，所允许的旋转角度范围为360度。在其他实施例中，对机身坐标系与RABF之间的相对旋转进行描述的角度的范围可以被限制为小于360度的范围。

可以用相同的方式来描述其他三个杆装置基部与水平支撑件214之间的相对运动。在一些实施例中，所有旋转轴线也被定位成位于机身坐标系中的同一条线上。在其他实施例中，只要满足其他标准(比如避免翼装置之间的干扰)，这些轴线就可以在机身的xz平面内相对于彼此偏移。

还有旋转接头231，其将杆装置204的杆装置端头227连接至翼装置208。这种旋转也具有1个自由度，其中旋转轴线也固定在与机身坐标系的y轴平行的方向上。在一些实施例中，翼装置208的基部元件239可以相对于杆装置端头227围绕此轴线旋转360度。可以用相同的方式来描述其他三个杆装置端头与对应的翼装置基部元件之间的相对运动。

整流装置236减小了由于翼装置基部元件中的间隙引起的阻力。整流装置可逆地被动地或主动地变形，以允许杆装置端头的颈部在旋转期间穿过翼装置基部元件。此间隙允许杆装置端头的大小独立于翼装置，并且可以有助于减小交通工具的浸润面积和重量。在其他实施例中，杆装置端头弦长足够大，使得杆装置端头的颈部不会干扰翼装置基部元件。

在一些实施例中，杆装置可以改变构型。杆装置端头能够沿RABF的x轴相对于杆装置基部平移。此轴向伸展机构有几个可能的实施例。例如，可以采用类似于前述翼装置变形机构的伸缩机构。

因此，在一些实施例中，每个翼装置基部元件相对于机身坐标系具有2个平移自由度和1个旋转自由度。

翼装置基部元件的所述1个旋转自由度允许独立于交通工具的其余部分的姿态来确定翼装置的迎角。

所述2个平移自由度允许翼装置基部元件和杆装置端头相对于机身坐标系在二维空间内运动。注意，在这种背景下，杆装置端头中心描述杆装置端头的位置。杆装置基部也是如此。杆装置端头的“相对范围空间”、即杆装置端头在机身坐标系中相对于杆装置基部的可能相对位置的集合受每个杆装置的最大长度和最小长度以及杆装置基部相对于机身坐标系的最大允许角度和最小允许角度的约束。在这种情况下，由于允许的角度范围跨360度，因此相对范围空间位于与机身坐标系的xz轴平行的平面内，并且包括2个同心圆之间的区域，这些同心圆的半径等于每个杆装置的最大长度和最小长度。注意，这假设当杆完全缩回时机身不会干扰翼装置。当不是这种情况时，“内边界”不再是圆形，而是随机身形状、翼装置形状和构型以及杆装置构型而变的路径。注意，结构上的考虑也可能使真正的“外边界”形状为非圆形。注意，在其他实施例中，杆装置的相对范围空间不需要是二维的，而是当所允许的相对位置描述一条线时可以是一维的。注意，在其他实施例中，杆装置的相对范围空间也可以是三维的。在其他实施例中，在杆装置端头与机身之间可以仅存在1个平移自由度。换句话说，杆装置端头相对于杆装置基部的位置可以被约束为沿着规定路径运动。在这种情况下，相对范围空间可以取决于曲线的形状是二维的或一维的，也可以是三维的。在二维情况下，杆装置端头与AFIAF或机身之间的规定的相对路径的形状可以采用与图8至图11或图19至图21所示的形式类似的周期性形式。路径还可以采用其他形状，比如8字形、无穷大符号形、直线形或曲线形。

FIA 202或FIA 203的重心位置取决于包含在其中的翼装置的构型。对于一些实施例，通过改变翼装置基部相对于对应的杆装置端头的旋转角度，可以对FIA的重心的中心投影到机身坐标系的xz平面上的位置进行调整。通过改变翼装置的翼展或伸展部分，可以对FIA的重心投影到机身坐标系的y轴上的位置进行调整。因此，FIA的重心在机身坐标系中具有3个平移自由度，这样允许其相对于机身坐标系在三维空间中运动。在标称水平巡航期间，对于所描绘的实施例，翼装置以关于机身坐标系的xz平面对称的方式构造。

2个平移自由度的益处在于，几种不同的轨迹形状是可能的，这些轨迹形状描述FIA202和FIA 203相对于它们的相应AFIAF的运动。FIA 202和FIA 203两者都能够在AFIAF坐标系的xz平面内周期性地运动。例如，对于悬停飞行，FIA相对于AFIAF的最佳轨迹可能位于AFIAF坐标系的xz平面内。标称水平巡航也可能如此。但是，最佳轨迹的形状可能不同。因此，更改轨迹形状的能力可以引起性能改进。

在标称水平巡航期间，杆装置端头相对于杆装置基部的位置是在与机身的xz平面平行的平面上的周期性路径。此路径可以根据目标而采用几种形状。

对于此交通工具实施例，在标称水平巡航的一个轨迹实施例期间的运动可以被如下描述。在此轨迹实施例中，假设交通工具平均比其行进在的介质更致密。换句话说，在一个周期内，组合的两个FIA的平均NFF需要在竖直方向和在水平方向上具有分量，并且NFF的一部分竖直分量需要由流体的加速度引起。例如，轨迹实施例可以适用于在空中行进的交通工具。

机身可以构造为在惯性坐标系中以恒定速度运动，其中所述速度与一个周期内每个FIA的水平平均速度向量相同。在此示例中，AFIAF的x轴、y轴和z轴与机身的x轴、y轴和z轴对齐。机身受到来自外源的阻力和重力。在一些实施例中，机身还受到升力。为了保持恒定的速度，机身需要受到恒定的净内力以便抵消恒定的净外力。机身受到来自FIA 203和FIA 202的此净内力。注意，在一些实施例中，在这种形式的标称水平巡航期间，作用在机身上的净内力在任何时刻都需要是恒定的。在其他实施例中，机身不需要以恒定的速度运动，并且因此不需要受到来自内源和外源的零净力。

为了描述FIA 202和FIA 203的周期性运动，可以在4个阶段方面来描述一个周期。这4个阶段分别标记为“加力阶段1”，“转变阶段1”，“巡航阶段1”和“转变阶段2”。

在“加力阶段1”期间，与“巡航阶段1”相比，FIA 202构造为产生大得多的净流体力。净流体力具有由于升力、零升力阻力和升力诱导阻力引起的分量。FIA 202中包含的两个翼装置208和211均处于在产生给定的净流体力的同时减小阻力的构型。例如，这等于它们的翼展被最大化，其中所有伸缩子元件相对于其母元件是完全伸展的。注意，在其他轨迹实施例中，翼展在加力阶段1期间可能没有被最大化。在其他实施例中，NFF的大小不是加力阶段1与巡航阶段1之间的充分区分因素。在这种情况下，可以将加力阶段定义为平均NFF在惯性坐标系的正X方向上具有较大分量的阶段。

在加力阶段1期间，有净内力作用在FIA 202上。净内力在AFIAF的负x方向和正z方向上具有分量。相等且相反的力作用在交通工具的其余部分上。此力的一部分指向机身，在此抵消了重力和阻力。另一部分作用在连接装置和FIA 203上。由于与其元件相关联的任何质量，还有重力作用在FIA 202上。此重力与AFIAF的z轴对齐。还有所需净力作用在FIA 202上。此净力的大小和方向决定了FIA 202在惯性坐标系中的加速度，并且取决于FIA 202在加力阶段1期间的所需轨迹。注意，在其他实施例中，在加力阶段1期间作用在FIA 202上的净力在至少一部分加力阶段1期间基本上为零。为了为给定重量和内力提供此净力，需要产生适当的净流体力。在一些实施例中，FIA 202上的净流体力在AFIAF的正x方向和负z方向上具有分量。

有多种方式可以产生作用在FIA 202上的前述净流体力分量。在一些实施例中，FIA202在惯性坐标系的正X方向和负Z方向上具有速度分量。利用包含在FIA 202内的翼装置的适当构型，这可以产生在惯性坐标系的正X方向和正Z方向上具有分量的升力向量。阻力向量在负X方向和正Z方向上具有分量。由于净流体力在正X方向和正Z方向上具有分量，因此升力向量在X方向上比阻力向量具有更大的分量。

在一些实施例中，在标称水平巡航期间，惯性坐标系中FIA 202的转速平行于Y轴。

在加力阶段1期间，FIA 203构造为相比FIA 202在更小的净流体力下操作。FIA203中包含的所有四个翼装置209、210、212和213处于使给定净流体力的阻力最小的构型。在一些实施例中，这等于最小化的翼展，其中所有伸缩的子元件相对于其母元件处于缩回位置。注意，在其他实施例中，所需净流体力可能需要在加力阶段1期间不使FIA 203中的翼装置的翼展最小化。在一些实施例中，来自FIA 203的净流体力也具有升举分量。在其他实施例中，其不具有升举分量。

在一些实施例中，FIA 203的净流体力在负X方向上具有分量。FIA 203由于与其元件相关联的任何质量而受到净重力。净内力也作用在FIA 203上。当所有这些作用在FIA203上的力加在一起时，便得到了净力。此净力说明了FIA 203在惯性坐标系中沿其所需轨迹的任何减速度或加速度的原因。注意，在其他实施例中，在加力阶段1期间的至少一部分时间期间，此净力基本上为零。

FIA 203的速度在惯性坐标系中在正X方向上具有分量。由于周期性约束以及FIA202在负Z方向上具有速度分量，所以FIA 203在正Z方向上具有速度分量。在一些实施例中，FIA 203在正X方向上的速度分量大于FIA 202的相同的速度分量。在Y方向上的分量始终为零。

在以上描述中，升力被更改，这可以通过几种方式来实现。在一些实施例中，使用以下方法。流体与翼装置之间的相对速度对升力的大小和方向进行控制。翼装置的翼形状和迎角以及流体的特性主要影响升力的大小。

如果目标是在标称水平巡航期间使交通工具的航程最大化，则成本可能是每单位水平行进距离所消耗的能量。在这种情况下，在加力阶段1期间，FIA 203可能以低于FIA202的成本操作。与FIA 202相比，FIA 203的在惯性坐标系中的更大水平速度可以使FIA203行进更远的水平距离。与FIA 202和FIA 203相关联的组合成本是单独成本的水平距离加权总和。在一些实施例中，通过基于前述原理操作交通工具而使组合成本最小化。例如，组合成本可以小于同等的传统螺旋桨驱动固定翼交通工具的假设组合成本。这证明了FIA沿至少AFIAF坐标系的X方向相对于其AFIAF运动的能力的有用性。与更改FIA的零升力阻力的能力相结合(在这种情况下是通过对FIA的浸润面积进行更改来实现的)，可以实现航程的改进。

FIA 202和FIA 203在惯性坐标系中的前述速度引起以下相对于AFIAF的速度。在加力阶段1期间，FIA 202具有相对于AFIAF的速度，所述速度具有沿着AFIAF的正Z方向和负X方向的分量。FIA 203具有相对于AFIAF的速度，所述速度具有沿着AFIAF的负Z方向和正X方向的分量。

在标称水平巡航期间，阶段“巡航阶段1”与“加力阶段1”相同，其中FIA 203与FIA202转换角色。“转变阶段1”与“转变阶段2”之间的关系也一样。因此，两个FIA(比如FIA 202和FIA 203)的操作需要将一个FIA的加力阶段与另一个FIA的巡航阶段进行匹配。为简单起见，假设转变阶段需要的时间可忽略不计，则加力阶段的时长与一个周期的时长的比率将必须为0.5。如果此比率(表示为“xt”)对于单独的FIA而言不是最佳比率，则可用几种方法来提高交通工具的性能。在第一示例中，可以以类似于FIA202和FIA 203的方式操作“N”个FIA，其中N是大于2的任何数字。在这种情况下，N个FIA的轨迹相位相差360/N度。N个FIA中的每一个FIA的周期性运动可以在“加力阶段1”、“转变阶段1”、“巡航阶段1”和“转变阶段2”方面来加以描述。为简单起见，假设转变阶段的时长可忽略不计，则在加力阶段中在任一时间都可以有“Q”个FIA，其中Q大于或等于1且小于N。在巡航阶段中在任一时间都可以有“P”个FIA，其中P＝N-Q。在第二示例中，FIA 202和FIA 203可以根据不同的轨迹实施例操作，其包含FIA 202和FIA 203两者都同时处于巡航阶段的时长。后一种情况类似于FIA 102和MSA103的巡航阶段。例如，FIA 202的一个周期可以在以下阶段方面加以描述：“加力阶段1”、“转变阶段1”、“巡航阶段1”、“转变阶段2”、“巡航阶段2”、“转变阶段3”、“巡航阶段3”、“转变阶段4”。FIA 203的一个周期与FIA 202的轨迹相位相差180度，使得FIA 203的加力阶段1与FIA 202的巡航阶段2一致。在第三示例中，FIA 202和FIA 203在其与流体的相互作用及其操作方面不需要基本上相同。例如，可以用如下方式来构造FIA 202：FIA 202的最佳xt为0.6，而FIA 203的最佳xt为0.4。可以使用优化方法来获得这样的布置。在第四示例中，转变阶段的长度可以用于调整xt的值。

在转变阶段1期间，FIA 202的被改变构型为在加力阶段1中采用FIA 203的构型，反之亦然。在一些实施例中，转变阶段的时长尽可能短，因为与加力阶段1或巡航阶段1相比，转变阶段可能涉及交通工具的暂时不太理想的操作。在转变过程中交通工具的操作可以随致动约束或结构约束而变。例如，可能对作用在FIA 202上的净内力的大小有约束。这限制了为了将其速度改变为由FIA 203最初保持的速度而需要受到的加速度的大小。对在伸缩式翼元件缩回或伸展期间的加速度也可能有限制。翼装置围绕俯仰轴线的角加速度也可能受到限制。在转变阶段期间交通工具的最合适的操作取决于特定的实施例。

现在可以描述惯性坐标系中的更详细示例轨迹。图18示出了在标称水平巡航期间的交通工具处于不同的等间隔时间点。该图从顶部到底部包含交通工具的侧视图、接着是俯视图、接着是透视图。在侧视图和俯视图中，交通工具从左到右行进，而在透视图中，交通工具从左下方到右上方行进。还示出了在惯性坐标系中通过交通工具上的点跟踪的路径。

注意，所示的轨迹是草图，意在图示具有类似特征的交通工具可能采用的基本原理。满足约束的最合适的轨迹取决于实施例和目标。

示出了惯性坐标系中的相同轨迹的三个不同视图。顶部的序列示出了在图中从左向右运动的交通工具的右侧。中间的序列是在与顶部的序列相同的时间点示出的交通工具的俯视图。底部的序列是从交通工具后上方看到的投影视图。每个构型快照都示出了在惯性坐标系中静止的观察者所看到的处于不同位置的交通工具。所示的轨迹是机身201的路径271、翼装置208的端头的路径272、翼装置209的端头的路径273、翼装置210的端头的路径274、翼装置211的端头的路径275、翼装置212的端头的路径276以及翼装置213的端头的路径277。快照257描绘了在加力阶段1期间的交通工具，其中FIA 202的翼装置208和211处于其完全伸展的构型，而FIA 203的翼装置处于其完全缩回的构型。快照258至260示出了转变阶段1期间的交通工具。快照261例示了巡航阶段1，其中翼装置208和211现在处于其完全缩回的构型，而其余的翼装置处于其完全伸展的构型。快照262至263图示了在转变阶段2期间发生构型改变。快照264再次示出了在加力阶段1期间的交通工具。

杆装置204的杆装置端头中心相对于机身坐标系的轨迹表示为“杆装置端头相对轨迹1”(或RATRT 1)。类似地，可以分别为杆装置205、206和207定义RATRT2、RATRT3和RATRT4。可以将RATRT的“总体幅度”定义为RATRT在任何方向上的最大范围的度量。更具体地，总体幅度是仍包含RATRT的所有点的最小可能半径的球体的直径。注意，总体幅度不是沿机身坐标系的任何特定轴线的最大范围的度量。也可以将RATRT的“x幅度”定义为RATRT在机身坐标系的x轴上的投影的最大范围与最小范围之差。可以以类似的方式定义RATRT的“y幅度”和“z幅度”。

FIA 202的FIAF的原点相对于机身坐标系的轨迹表示为“FIA相对轨迹1”(或FIART1)。类似地，可以为FIA 203定义FIART2。

回顾一下，对于此交通工具实施例，杆装置的相对范围空间位于与机身坐标系的xz轴平行的平面内，并且包括“内边界”与“外边界”之间的区域。对于此实施例，在标称水平巡航期间，每个RATRT形成周期性路径。此路径可以具有任何形状，只要其保持位于相对范围空间内即可。路径的曲率可以随着在构型空间中的位置而变化。可能的RATRT的这个较大范围为交通工具提供针对不同移动模式优化其轨迹的自由。注意，此路径在周期内可以自身交叉任意次数或一次都不交叉。例如，路径可以形成8字形图形，并且在周期内自身交叉至少一次。注意，一个RATRT的路径还可以在一个周期的时长内连续“自身交叉”，所述时长还可以包括整个周期。换句话说，路径可以包含杆装置端头在周期内在两个方向上都至少穿过一次的部分。例如，路径可以是直线，杆装置端头沿着所述直线在加力阶段期间沿一个方向运动，并且在巡航阶段期间沿另一个方向运动，其中在转变阶段期间在直线的每一端都发生方向反转。路径的这样的部分不需要是直的，而可以是弯曲的或看似任意的形状。

对于此交通工具实施例，在标称水平巡航期间，RATRT1和RATRT2在机身坐标系的xz平面上的投影是相同的。在此构型下，为方便起见，RATRT被称为是“镜像的”。这是由于交通工具关于机身坐标系的xz平面的对称性以及RATRT1和RATRT2两者都连接至FIA 202。类似地，RATRT3和RATRT4也是镜像的。在此轨迹实施例中，尽管FIART1和FIART2不需要相对于机身坐标系占据相同的位置，但是它们在形状和规模上是相同的。例如，FIRART1可以位于机身上方，而FIART2可以位于机身下方。

在以下讨论中，RATRT1和RATRT3在机身坐标系的xz平面上的投影将会被用作FIART1和FIART2的替代，因为两者密切相关。这些投影将被标记为“投影RATRT”(或PRATRT1和PRATRT3)。由于镜像，PRATRT1可以用来描述PRATRT1和PRATRT2两者，并且PRATRT3可以用来描述PRATRT3和PRATRT4两者。在此背景下，内边界和外边界也被视为在xz平面上的投影，以便在二维中进行更简单的描述。在没有指定编号的情况下，PRATRT是指适用于任何或所有PRATRT1至PRATRT4的通用情况。

为了改进性能，可能期望使花费在转变阶段的时间最小化为周期的一小部分。对于给定的相对范围空间，这样可以转化为使PRATRT的总体幅度最大化。为此，可以在范围空间内对PRATRT的位置和形状进行优化。

在一些实施例中，由PRATRT形成的周期性路径围住一个区域并且自身不交叉。在一些轨迹中，路径可能完全围住杆装置的相对范围空间的内边界。是否允许路径实际上围住机身取决于零平均净外力矩考虑，这些考虑将稍后被介绍并且约束机身相对于PRATRT的可能位置。比如重量、阻力和复杂性等其他因素也决定了是否期望PRATRT围住内边界。

在内边界被PRATRT1围住至少一次的情况下，可能期望使PRATRT1的整体幅度最大化。这样可能引起PRATRT1与外边界重合至少一次。在一些实施例中，这种优化可能引起PRATRT1与PRATRT3基本上相同。

在PRATRT围住内边界至少一次的情况下，连接装置可以包括呈PRATRT形状的轨道。在这种情况下，交通工具可能包括至少2个带有位于中心的安装件的伸缩式翼装置。翼装置可以构造为根据每个FIA的所需轨迹沿着轨道运动。

对于交通工具和轨迹的一些实施例而言，可能不可能或不期望PRATRT完全围住杆装置的相对范围空间的内边界。

例如，考虑以下情况：所需PRATRT1至PRATRT4是相同的直线，并且PRATRT1和PRATRT2的范围空间在形状和规模上与PRATRT3和PRATRT4的范围空间相同。为简单起见，考虑内边界和外边界是同心圆的情形。在这种情况下，通过将PRATRT与内圆相切地布置，使直线的两端都位于外圆上，可以使其总体幅度最大化。注意，这种构型还需要遵守其他约束，比如零平均净外力矩约束，这可能需要缩短PRATRT的总体幅度，并且PRATRT的仅一端位于外圆上。注意，在此示例中，为了避免两个FIA之间的干扰，PRATRT1可以位于内圆的一侧，并且PRATRT3可以位于另一侧。更具体地，PRATRT1可以被定位成与内圆的一个点相切，并且PRATRT3可以被定位成与内圆的一个不同点相切。在转变阶段期间，这可以在连接至两个FIA的任何装置上引起较大的内力矩冲量。如果此力矩冲量是不令人期望的，则PRATRT3可以与PRATRT1位于内圆的同一侧，但是至少在与直线形PRATRT1垂直的方向上具有偏移以便避免干扰。在一些实施例中，PRATRT3可以被布置成在与直线形PRATRT1的方向向量垂直的方向上的偏移可忽略不计，而在平行方向上具有至少PRATRT1的全长的偏移。因此，在平行方向上而不是垂直方向上避免了PRATRT1与PRATRT3重叠。

注意，在此示例中使用直PRATRT描述的构思也与不是直的而是弯曲的、或围住一个区域的PRATRT相关。它们还适用于内边界和外边界不是圆形的情况。

在图18至图21所图示的轨迹示例中，由PRATRT形成的周期性路径围住一个区域并且在标称水平巡航期间不会自身交叉。在一些实施例中，PRATRT1和PRATRT3在形状和规模上基本上相同。在这种情况下，将PRATRT放置在相对范围空间的内边界上方，并且不会一次围住内边界。如前所述，两个PRATRT也都可以位于内边界的相反侧。在所描绘的实施例中，PRATRT的x幅度大于z幅度。在此轨迹实施例中，PRATRT1和PRATRT3可以在机身坐标系中占据相同位置，并且因此根据前述定义可以被称为是镜像的。在这种情况下，可以使用PRATRT1来描述PRATRT1、PRATRT2、PRATRT3和PRATRT4。注意，在PRATRT1上，与FIA 202相关联的杆装置端头的位置相对于与FIA203相关联的杆装置端头的位置偏移了半个周期。仅当两个杆装置端头沿PRATRT1的运动都不会导致FIA与杆装置之间发生碰撞或过多的流体动力学干扰时，“镜像”才是可能的或令人期望的。为了简单起见，碰撞以及不期望的流体动力学干扰水平被表示为“干扰”。镜像的益处可能是两个FIA都可以在具有相当大的总体幅度的相似优化轨迹上操作。这种镜像的损失可能是增加连接装置的结构和阻力，连接装置本身需要避免干扰。如果特定移动类型的最佳PRATRT1不是无干扰的，则对PRATRT1形状的折衷也会导致成本损失。

有几种可以避免涉及连接装置的干扰的方式。在一些实施例中，杆装置相对于彼此偏移。一个杆装置基部中心相对于另一个杆装置基部中心的相对位置具有沿着至少机身坐标系y轴的分量。可以将杆装置基部角定义为围绕机身坐标系y轴的旋转，这是将机身坐标系与杆装置基部坐标系对齐所需的。通过将内边界放置在PRATRT1的外部和下方，沿着PRATRT1有一个点，在这个点处，杆装置204和杆装置206的相对于机身坐标系的杆装置基部角是相等的。此角被定义为“交叉角”。由于杆装置的伸展足够不同，因此在翼装置之间没有不期望的干扰。在加力阶段1期间，杆装置204在所述交叉角下比杆装置206伸展得更远。如图17所示，通过翼装置210处于完全缩回状态、并且通过使杆装置206的基部相对于杆装置204在机身坐标系正y方向上偏移足够的距离来避免杆装置204与翼装置210之间的干扰。翼装置209不受任何伸展限制，但是在轨迹的这个点也处于完全缩回状态。类似地，避免了杆装置205与翼装置213之间的干扰。在巡航阶段1期间，杆装置206在交叉角下比杆装置204伸展得更远。如图16所示，通过翼装置208处于完全缩回状态、并且通过使杆装置206的基部相对于杆装置204在机身坐标系正y方向上偏移足够的距离来避免杆装置206与翼装置208之间的干扰。类似地，避免了杆装置206与翼装置211之间的干扰。

注意，以上分析假设FIART1和FIART2在标称水平巡航期间在形状上是相同的。情况不必须如此。

图19至图21示出了与机身坐标系一起运动的观察者所看到的与图18相同的轨迹。所述路径指示在一个周期期间翼装置端头在机身坐标系中的相对运动。示出了翼装置208的端头的相对路径265、翼装置209的端头的相对路径266、翼装置210的端头的相对路径267、翼装置211的端头的相对路径268、翼装置212的端头的相对路径269以及翼装置213的端头的相对路径270。还示出了交通工具的快照。

图19示出了在标称水平巡航期间的相对路径265至270以及交通工具快照的侧视图。机身坐标系y轴指向页面外，并且x轴指向右侧。注意，在此简化表示中，从侧面看时，路径是重叠的。实际上，翼装置及其关联的杆装置在形状、重量和阻力上的差异将导致FIA202和FIA 203的相对路径不同。注意，尽管在这种情况下翼装置端头的路径与杆装置端头中心紧密相关，但是图19并未示出投影的杆装置端头相对轨迹。在所示的构型下，交通工具处于转变阶段1，其中FIA 202通过缩回翼装置208和211减小了其浸润面积。在一些实施例中，出于结构原因，FIA 203的翼装置209、210、212和213在此减速阶段期间仍然处于其缩回状态。在其他轨迹实施例中，转变阶段期间的构型改变将是不同的。在此特定视图中，翼装置的端头沿着相对路径265至270朝逆时针方向运动。这由叠加在路径上的箭头来指示。

图20示出了图19的相对路径以及交通工具快照的俯视图。机身坐标系z轴指向页面内，并且机身坐标系y轴指向右侧。通过叠加在路径上的箭头来指示沿着每个路径的运动方向。特别明显的是通过翼装置的伸缩性伸展和缩回来改变浸润面积。例如，还应注意水平支撑件214在将翼装置208的端头从杆装置206分离并将翼装置210的端头从杆装置204分离以及减少杆装置204与206之间的流体动力学干扰方面的功能。

图21是图19和图20所示的场景的透视图。

图22示出了处于图示了一些实施例的单独的自由度的构型的交通工具。注意，一些或所有杆装置可以独立于其他杆装置旋转和伸展。翼装置也可以相对于其相应的杆装置端头而围绕机身y轴旋转任何所需角度。它们还可以伸展所需量。

图23是根据一些实施例的图14所示的交通工具的侧视图。图24是根据一些实施例的处于不同构型的图14所示的交通工具的侧视图。共同地，图23至图24图示了翼装置208/209的基本上线性的周期性路径/路径285。在一些实施例中，通过根据需要使杆装置204/206伸展(例如，图24)和收缩(图23)以维持翼装置208/209在平面(例如，X-Y平面)内的运动来实现基本上线性的周期性路径。

FIA 202、FIA 203之间的相对运动在作用在FIA 202上的净外力与作用在FIA 203上的净外力之间以及在与作用在机身和连接装置上的净外力之间引起位置偏移。这样会在交通工具重心周围引起净外力矩。由于在这种情况下相对位置和力位于机身坐标系的xz平面内，因此净外力矩将平行于机身坐标系的y轴。在机动飞行期间，这样的力矩可以用于控制交通工具的俯仰取向。在以下关于力矩的讨论的背景下，术语“AFIAF”是指与整个交通工具相关联的平均FIA坐标系。

在标称水平巡航期间，在一个周期内作用于交通工具的重心周围的平均净俯仰力矩应为零。这也适用于翻滚力矩和偏航力矩。可以通过以在一个周期内使平均净外力矩为零的方式将机身相对于AFIAF定位来实现这一点。在一些实施例中，机身可以沿着AFIAF的xz平面内的线定位在任何地方来实现这一点。

作用在交通工具重心周围的任何瞬时俯仰力矩也是不令人期望的。有许多方式减轻对交通工具姿态的任何不令人期望的影响。

例如，可以使用至少一个飞轮以根据瞬时外俯仰力矩来更改整个交通工具围绕AFIAF的y轴的角动量。例如，飞轮可以安装在机身中。飞轮也可以安装在杆装置基部或杆装置端头中。飞轮的旋转轴线可以与飞轮的主轴线对齐，但是不必通过另一个飞轮来抵消(如果有的话)不期望的瞬时力矩。旋转轴线可以是相对于机身坐标系固定的。所述轴线可以平行于机身坐标系的y轴。飞轮可以包括比如电池或燃料等能量储存材料。这样可以有助于使与这种惯性力矩抵消设备相关联的重量的增加最小化，从而潜在地使其比使用比如升降舵等依赖于与流体相互作用并承载重量和阻力损失的设备更有吸引力。飞轮还可以包括结构材料以及用于操作飞轮的致动器。致动器可以向飞轮施加力矩，飞轮在交通工具的其余部分上施加相等且相反的力矩，这样进而可以抵消任何外力矩对交通工具的其余部分的姿态的影响。由于在标称水平巡航期间的一个周期内没有平均俯仰力矩，因此飞轮速度平均保持恒定。

飞轮的形状取决于阻力和结构考虑等。当放置在机身内部时，飞轮关于旋转轴线对称以使空间利用最大化可能是有利的。例如，飞轮可以是球形或圆柱形的形状。飞轮不需要被包住，而是可以与流体相互作用并受到由于作用在交通工具上的净外力和净外力矩所引起的净流体力和净流体力矩。在这种情况下，最合适的飞轮形状可能具有三个不同的主惯性力矩。

当采用多于一个飞轮时，它们的旋转轴线不需要全部平行。飞轮的旋转轴线可以以任何方式定向，只要是至少一个轴线至少具有沿着机身y轴的分量、并且机身xz平面内的任何角速度分量可以被布置为在标称水平巡航期间彼此抵消即可。这种构型的优点是可获得沿机身坐标系的x轴或z轴的瞬时动量冲量用于操纵和其他轨迹。

更改交通工具围绕AFIAF的y轴的角动量的另一种方法是使用陀螺效应。在一些实施例中，交通工具包括至少一个飞轮，所述飞轮的第一旋转轴线构造为围绕不与第一轴线平行的第二轴线旋转。在一些实施例中，第一旋转轴线可以与飞轮的主轴线对齐。飞轮的安装方式允许其围绕第一轴线旋转。第一轴线的安装被构造的方式允许第一轴线围绕不与第一轴线平行的第二轴线旋转。在一些实施例中，第二轴线与第一轴线正交。在一些实施例中，第二轴线相对于机身坐标系是固定的。可以如下更改交通工具的围绕机身坐标系的y轴的角动量。

如果第一旋转轴线具有沿机身坐标系的y轴的分量，则可以通过改变飞轮围绕第一轴线的旋转速率来更改沿y轴的角动量。这类似于前面提到的传统飞轮。

也可以在不改变飞轮围绕第一轴线的旋转速率的情况下更改所述角动量。如果围绕第一轴线的旋转速率非零、并且如果第二轴线在机身坐标系的xz平面内具有非零分量，则第一轴线围绕第二轴线的旋转将会更改交通工具围绕机身坐标系的y轴的角动量。

注意，这些操作还可以改变此“陀螺仪装置”对于交通工具的围绕机身坐标系的x轴或z轴的净角动量的作用。在一些实施例中，交通工具可以包括至少另一个这样的陀螺仪装置，所述陀螺仪装置以如下方式被构造，即，使得一个装置如期望地抵消其他陀螺仪装置对交通工具的围绕机身坐标系的x轴或z轴的净角动量的作用。

作为具体示例，考虑包括陀螺仪装置A(或GAA)以及陀螺仪装置B(或GAB)的交通工具。两者都可以位于机身中。它们可以沿机身中心线按顺序放置。它们包括结构材料、比如电池等能量储存材料、以及致动器部件。在此示例中，为方便起见，它们是相同的。它们是球形形状，以便使机身内部的空间利用以及最大惯性力矩最大化。第一旋转轴线与对应于最大主惯性力矩的主轴线对齐。它们关于第一旋转轴线对称，使得两个较小的主惯性力矩相等。在其标称位置，GAA和GAB的角动量都抵消了。在一些实施例中，GAA的第二旋转轴线与GAB的第二旋转轴线和机身坐标系的x轴平行。GAA和GAB的第一旋转轴线垂直于它们各自的副轴线。在标称位置，第一旋转轴线平行于机身坐标系的z轴。在标称位置，GAA的角速度指向机身坐标系正z方向。GAA和GAB以指定的转速围绕其第一旋转轴线旋转，并且因此具有指定的角动量。在一些实施例中，GAA和GAB的转速相等。

当需要增加交通工具围绕机身坐标系y轴的角动量时，GAA可以围绕机身坐标系的x轴朝负方向旋转，而GAB可以围绕相同的轴线朝相反的方向以与GAA相同的角位置和速率旋转。GAB的角动量中未与机身y轴对齐的任何分量都将被GAA的相等且相反的分量抵消。GAB和GAA的与机身y轴对齐的分量加在一起，从而根据需要产生围绕此轴线的净角动量。

在其他实施例中，交通工具包括具有第一旋转轴线的至少一个飞轮，所述第一旋转轴线构造为围绕第二旋转轴线旋转，所述第二旋转轴线进而构造为围绕第三旋转轴线旋转。第二轴线既不平行于第一轴线也不平行于第三轴线。标称水平巡航期间的操作原理与前述具有第一轴线和第二轴线的情况相同。注意，由于围绕机身坐标系的所有三个轴线的角动量的可用性，3轴陀螺仪的益处可以是提高操纵性。注意，这些轴线可以是理论轴线，并且不需要具有相同的物理表现。

注意，存在改变整个交通工具的角动量的其他方法。相对于惯性坐标系加速并且具有不穿过交通工具重心的加速度向量的任何增量质量都将有助于交通工具的角动量的变化率。此效果可以用于减轻由于交通工具上的净外力矩引起的交通工具的其余元件的姿态的任何不期望的变化。

交通工具还可以包括附加流体相互作用装置，以便产生附加外力矩，以使净瞬时外力矩或平均外力矩为零。例如，交通工具可以另外包括至少一个升降舵、或产生净流体力和重力的翼装置，所述净流体力和重力的作用线不穿过交通工具的瞬时重心。可以操作此升降舵或翼装置以确保在某个时刻在重心周围的净俯仰力矩为零。如果需要的话，这样的设备还可以用于确保零平均俯仰力矩，只要是采用其他方法抵消瞬时俯仰力矩即可。注意，这样会增加交通工具的阻力和重量。交通工具也可以以在任何时刻都不产生俯仰力矩的方式***作。然而，这样可能导致性能损失。

图9示出了处于图示了一些实施例的单独的自由度的构型的交通工具。注意，每个杆装置可以独立于任何其他杆装置旋转和伸展。翼装置也可以相对于其相应的杆装置端头而围绕机身y轴旋转任何所需角度。它们还可以伸展所需量。

有几种不同的致动器类型和位置。考虑杆装置基部与水平支撑件之间的旋转接头(比如旋转接头217)的致动。在一些实施例中，此接头通过容纳在接头周围的结构内的电机来致动。在一些实施例中，此电机是无刷DC类型。在其他实施例中，可以使用比如AC感应电机等其他类型的电机。

类似的选项可用于对杆装置端头与翼装置之间的旋转接头(比如旋转接头231)进行致动。

杆装置内的伸缩机构也可以使用电动致动器来致动。致动器可以是线性型致动器或者是径向型。其也可以被以液压方式或气动方式致动。在这种情况下，储存器和泵可以位于杆装置中的致动器的位置，泵的动力是电力供应的。在其他实施例中，管道可以将加压流体从另一位置(比如机身)传递给致动器。加压流体可以为位于杆内的活塞提供动力，这样进而为伸缩装置的母元件与子元件之间的相对运动提供动力。在其他实施例中，加压流体可以填充杆装置内的空间，使得伸缩装置的伸展和缩回类似于充气和放气。

类似的选项可用于对翼装置内的伸缩机构进行致动。

几种能量储存方法是可用的。在至少一个电动致动器的情况下，可以使用电池来储存能量。交通工具还可以以燃料的形式储存能量，所述能量可以用于为涡轮轴喷气发动机或内燃发动机提供动力，这样进而为发电机提供动力，所述发电机为致动器提供动力。能量储存和传送的其他方法包括压缩气体、飞轮或燃料电池。

一些实施例应用了一种用于对由于FIA 203、FIA 202与机身之间的相对运动而产生的能量进行回收的方法。这在标称水平巡航期间的转变阶段期间特别相关，其中可以回收一个FIA的动能，随后将其给予第二FIA。在一些实施例中，在标称水平巡航期间，当两个装置之间的净内力在与装置之间的相对速度相反的方向上具有分量时，可以回收能量。

有几种能量回收方法。在一些实施例中，致动器本身可以用于能量回收。例如，如果至少一个交通工具装置由电机致动，此电机可以作为发电机操作来回收能量。在其他实施例中，可以将电机添加到不同类型的现有致动器中以实现能量回收功能并提供冗余。回收的能量可以直接递送到另一个致动器供直接消耗。能量也可以使用电池、电容器或其他电能储存设备机载储存。能量也可以被递送到电能转换设备，所述电能转换设备将能量转换成另一种形式进行储存。例如，其可以为压缩气体并因此将能量储存为势能的辅助电机提供动力。辅助电机也可以为飞轮提供动力，所述飞轮将能量储存为旋转动能。在一些情况下，电机可以是线性电机。电机也可以是旋转电机。有多种电动致动器类型可以用于此目的。

在其他实施例中，可以使用机械设备来回收能量。当涉及较大的力时，比如在转变阶段期间，这样的设备将会是合适的。电机可能具有转矩、力、电流、速度或动力限制，并且可能只能回收一小部分可用能量。这样一种机械设备可以是弹簧。弹簧可以是平移的、或是旋转的。弹簧可以通过在所施加的负载下弹性变形将能量转换为势能。然后此能量可以随后被释放，或者通过例如使用闩锁阻止弹簧的运动持续指定时间量来储存供稍后使用。

例如，旋转螺旋弹簧可以位于杆装置基部与水平支撑件214之间的连接处并位于与机身的xz平面平行的平面内，并且能够围绕与机身坐标系的y轴平行的轴线产生力矩。例如，弹簧可以刚性地附接至水平支撑件214。杆装置基部相对于机身的角度可以围绕与机身坐标系的y轴平行的轴线并且相对于机身坐标系的x轴进行测量。可能存在“死区”、或者杆可以在不与弹簧接合的情况下运动的角度范围。在死区的任一端可以有两个“止动件”，以有利于杆装置与弹簧之间的负载传递。可能存在下限角和上限角，杆装置会将弹簧压缩到低于下限角，杆装置使弹簧伸展超出上限角，反之亦然。这些角是“捕获角”。上限捕获角与下限捕获角之间的角度范围是死区。例如，此范围可以对应于加力阶段1和巡航阶段1。捕获角可以是可调节的，以适应不同的轨迹类型以及相关联的角度范围和界限。在一些实施例中，止动件附接至杆装置基部，并且可以通过致动器拆卸、运动和重新附接至任何其他周向位置。弹簧可以包括用于与附接至杆装置基部的止动件接合的径向突起。在另一个实施例中，但只有附接至杆装置基部的止动件能够沿周界改变其位置。在这种情况下，弹簧基部也可以被拆卸、相对于水平支撑件围绕与机身坐标系的y轴平行的轴线旋转、和重新附接。因此，可以根据需要独立地更改上限捕获角和下限捕获角。止动件或弹簧的位置也可以调整以便储存能量以备操纵。例如，弹簧可以储能以准备起飞期间所需的较大动力输出。

当杆装置基部运动超过止动件及其相关联的捕获角时，弹簧接合并提供力矩，所述力矩与杆装置基部相对于水平支撑件214的旋转运动相反。在一些实施例中，此力矩是超过捕获角的角位移的线性函数。在其他实施例中，力矩是所述角位移的非线性函数。这可以通过非线性弹簧来实现，并且可以更好地匹配随时间而变的所需力矩曲线。随着杆角速度相对于机身减速，以势能的形式回收相对旋转动能，直到相对运动停止。随着杆装置基部角在与其原始方向相反的方向上加速，可以随后释放储存在弹簧中的势能。注意，在此过程中，单独的致动器也可以围绕杆装置基部提供力矩。这样允许以更详细的方式控制力矩来获得所需轨迹。单独的致动器优选地还拥有能量回收能力。注意，可以同时使用几种不同的能量回收方法。前述功能也可以通过不同的致动或能量回收方法来执行。

注意，包括死区和弹簧的类似机构可以用于包含在杆装置中的伸缩机构。在这种情况下，如果使用缆线将旋转运动变换为平移运动，则弹簧也可以是螺旋弹簧。在其他实施例中，可以使用线性弹簧。

可以使用相关的弹簧机构来辅助伸缩式翼装置的伸展和缩回。代替在一定位移范围中弹簧未接合的死区，可以有一个“锁定区”、或者弹簧位移处于单独的致动器或机构的完全控制之下的时间周期。考虑对一个子元件相对于母元件的位置进行控制的致动器装置。注意，在随后的讨论中，除非另有说明，否则为简单起见，可以将子元件与母元件之间的相对运动以及致动装置的任何其他元件相对于母元件的相对运动假设为是一维的并且沿着直线。致动器装置包括至少一个锁定机构，所述锁定机构在接合时能够针对翼上的标称负载情况而基本上约束子元件相对于母元件的位置。可以对锁定机构相对于母元件的相对位置进行调节和控制。致动器装置进一步包括能量回收、储存和传送方法(或ERSDM)，其也能够对子元件做功和从子元件回收能量。ERSDM可以包括外部能量输入与回收方法，所述外部能量输入与回收方法能够独立于子元件的相对位置或流入和流出子元件的能量流而改变ERSDM中的能量的量。

前述装置可以按以下方式使用。ERSDM可以从其外部能量源接收能量，而通过锁定装置使子元件相对于母元件的位置固定。一旦ERSDM已达到所期望的储存能量水平、并且在期望的时间，锁定装置可以释放子装置。ERSDM随后可以对子装置做功。在此示例中，可以使用ERSDM内储存的能量做功。子装置可以相对于母装置加速并增加其动能。在预定义时间之后，ERSDM可以从将能量传送到子元件转换为从子元件回收能量。在此示例中，可以通过ERSDM内包含的能量的初始量来控制此切换时间。ERSDM随后可以回收一定量的能量，或者可以经过一定量的时间，直到锁定机构再次接合。在相对运动期间，ERSDM中包含的一些能量已对周围环境做功。在锁定机构已接合并且循环自己重复之后，可以通过外部能量源来补充此能量。在周期性运动期间，可以周期性地重复前述序列。益处是回收周期性耗尽的能量，以使总能量消耗最小化并降低致动器的峰动力需求。

注意，在其他示例中，在母元件与子元件的相对运动期间，外部能量源可以补充ERSDM中的一些能量或全部能量。后一种情况可以避免在标称操作期间需要可调节锁定机构，但是可能增加对外部能量源的峰动力需求。

在一些实施例中，ERSDM可以是弹簧。弹簧端头可以经由联动装置连接至子元件。在其他实施例中，使用缆线与滑轮***，缆线的两端分别附接至子装置基部和端头的两端。缆线与滑轮***构造为使得子元件相对于母元件的伸展和缩回分别引起弹簧的伸展和压缩。弹簧基部可以经由可调节基部附接至母元件，所述可调节基部可以固定到母元件，也可以相对于母元件运动。锁定机构可以附接至前述联动装置。当接合时，锁定机构可以固定联动装置、弹簧端头以及子元件相对于母元件的位置。当脱离时，可以允许联动装置、弹簧端头以及子元件相对于母元件运动。锁定机构可以像离合器一样操作。锁定机构可以包括带有制动衬块的制动机构，所述制动机构可以应用于联动装置，从而使用接触应力将其锁定在位。锁定机构还可以采取至少一个闩锁的形式，所述至少一个闩锁可以与联动装置上的至少一个接收座接合。

前述装置的操作可以如下描述。考虑子元件相对于母元件处于完全伸展的位置。通过闩锁防止子元件缩回，并且通过伸展的弹簧的力将联动装置压靠闩锁来阻止子元件进一步伸展。在此时间期间，致动器可以使用外部致动器“加载”弹簧以增加弹簧基部相对与闩锁之间的距离。因此可以在缩回之前将弹簧的能量的量调节到所需水平。在所需时刻，例如在翼装置208的加力阶段1结束时或之后，闩锁可以释放子元件。弹簧作用在子元件上的力导致来自弹簧的势能转变为子元件的动能。子元件的随后轨迹可以比作轻阻尼谐振子的轨迹。在大约四分之一周期之后，弹簧从伸展状态切换到缩回状态，子元件上的力切换方向。随着子元件的动能再次减小，子元件的线性动量继续压缩弹簧。一些动能被弹簧回收，剩余的能量例如由于摩擦而损失。一旦子元件的速度降低到大约为零，就可以接合第二闩锁。通过第二闩锁防止子元件伸展，并且通过压缩弹簧的力将联动装置压靠闩锁来防止子元件进一步缩回。在一些实施例中，设定弹簧的初始能量，使得子元件现在处于大致完全缩回的位置。现在可以通过减小弹簧基部相对与第二闩锁之间的距离来进一步压缩弹簧。这解释了在先前的缩回期间的能量损失。在下一个所期望的时间，例如在翼装置208的巡航阶段1结束时或之后，可以释放第二闩锁，子元件可以再一次伸展直到被第一闩锁捕获。这种“停止的谐振子”能够在减小能量消耗和致动器峰动力的情况下使翼装置周期性地缩回和伸展。

在对相对于杆装置端头的翼装置角度进行控制时，也可以采用类似的机构。

在以上示例中，还可以使用非线性弹簧以便实现所期望的力曲线。还可以使用其他可以被建模为非线性弹簧的能量储存与释放机构，比如磁体或使用电场来储存能量的设备。

在其他移动模式期间也可以使用能量回收。在一些移动模式下，甚至可能会有过剩的能量可用，其可以被交通工具回收。例如，在下降飞行期间，可以回收一部分势能。在减速飞行期间，交通工具可以用类似的方式回收其一些动能。流体相对于交通工具的FIA的运动可以引起FIA与交通工具的其他部分之间的相对运动。致动器可以对此相对运动提供一些抵抗力，这样进而可以允许其提取能量。这样一种致动器可以是像发电机一样被驱动的电机。也可以使用比如弹簧等其他致动器类型。

现在可以更详细地描述几个其他实施例或应用。

注意，交通工具也可能能够行进穿过不同的介质(例如水)。在这种情况下，为了考虑水中较高的雷诺数，交通工具可以减小其翼的翼展。由于机身在水中标称水平巡航期间所需的内力不同，可以得到不同的轨迹，在水中标称水平巡航可能由于浮力的原因而需要较小的升力，而由于粘性阻力较高而需要更大的推力。

例如，不同的交通工具实施例可能仅包括2个与例如杆装置204相同类型的杆装置，其中一个杆装置的基部可旋转地安装到机身的前部，而另一个杆装置的基部可旋转地安装到后部。杆装置不再需要在机身的y方向上偏移以避免干扰。因此，它们的中心线都可以位于机身的xz平面内，只要它们在机身的xz平面内偏移足够大的距离使它们在机身坐标系中的轨迹不相交即可。这些杆装置中的一些或全部可以可旋转地连接至两个翼装置。在一些实施例中，这两个翼装置以它们可以围绕与机身y轴平行的轴线彼此独立地旋转的方式安装到杆装置端头。翼装置还可以构造为例如通过伸缩机构来改变其形状。这样的连接装置的益处可以包括通过不需要水平支撑件并且只采用2个杆装置而不是4个来减小浸润面积和重量。缺点会是杆装置基部相对于机身坐标系的允许角度和伸展度减小。杆装置在这种构型下将不再能够旋转360度，因为需要避免杆装置和相关联的翼装置对机身、另一杆装置以及其他两个翼装置的可能干扰。减小的构型空间是否对性能有影响取决于该构型空间中的所期望的理想轨迹是否受到影响。另一个缺点可能是由于翼装置之间沿机身x轴的偏移而产生更大的瞬时外力矩引起。

在另一个实施例中，交通工具还具有2个、而不是4个杆装置。一个杆装置可以连接至FIA 202，而另一个杆装置可以连接至FIA 203。一些或所有FIA可以包含一个翼装置、或构造为相对于杆装置端头独立旋转的左翼装置和右翼装置。杆装置基部可以位于机身的任一侧，这样将允许轨迹的镜像。由于阻力不对称而引起的任何外部偏航力矩都可以被抵消。

在另一个实施例中，交通工具具有2个、而不是4个杆装置。在这种情况下，杆装置基部中心可以重合并且位于机身坐标系的xz平面内。接头组件可以允许杆装置基部的相对旋转，并且杆装置基部的颈部提供仅有的干扰源。杆装置基部是圆形的，而机身可能是翼剖面形状的。这样在机身中在杆装置的颈部需要能够***的区域中产生间隙。可以将类似于236的整流装置添加到机身上，以便封闭间隙的未占用区域并避免阻力增大。相应的PRATRT1和PRATRT2可以位于内边界的不同侧，或者以在杆装置或其关联的翼装置之间没有干扰的方式偏移。杆装置的数量减少可以减小交通工具的重量和浸润面积。放置PRATRT可以避免翼装置的改变构型以避免与连接装置发生干扰的复杂性。

在一些实施例中，在转变阶段1期间，FIA 202上的净力的方向在一部分时间内是基本上恒定的。在一些实施例中，作用在FIA 202上的净力的方向在整个转变阶段1内是恒定的。类似的论点可能适用于FIA 203。这对于在加力阶段1期间FIA 202和FIA 203两者的速度向量相对于AFIAF的方向保持基本上恒定的实施例会是有用的。所述速度向量的方向也可以是平行的。在这种情况下，在加力阶段1期间，FIA 202和FIA 203相对于AFIAF的位置在AFIAF中形成直线。在这种情况下，可能期望在转变阶段1和转变阶段2期间FIA 202和FIA203相对于AFIAF的位置也位于AFIAF中的那条线的延长线上。因此，FIA 202和FIA 203相对于AFIAF的位置在整个周期内将位于直线段上。一个益处可能是可以在两个FIA与机身之间传递力的连接装置更简单且在结构上更高效。由于FIA的位置仅需要被控制为沿着直线，因此还可以简化交通工具的致动方法。当AFIAF中表示在一个周期内每个FIA相对于AFIAF的相对位置的线段在与每个线段垂直的方向上相对于彼此偏移了可忽略不计的量或很小的量时，尤其是这样。如果存在可忽略不计的“垂直偏移”，则可能必须平行于每个线段相对于彼此存在偏移，以避免FIA 203与FIA 202之间的干扰。小的垂直偏移也可能足以避免FIA203与FIA 202之间的干扰。这样的小的或可忽略不计的垂直偏移与线性相对运动相结合将会减小在转变阶段1和转变阶段2期间由作用在FIA 202和FIA 203上的大净力引起的任何力矩冲量。

在以上对FIA的一个示例性轨迹实施例的描述中，可以在加力阶段1、转变阶段1、巡航阶段1和转变阶段2方面来描述轨迹。在其他轨迹实施例中，可以在不同的阶段组成方面描述一个周期。例如，如果指定的FIA无法更改其浸润面积，或者如果不期望FIA这样做，则可以在被转变阶段在时间上分开的两个加力阶段方面来描述一个周期。在这种情况下，对于一些移动模式，在两个不同的加力阶段中的每一个期间的NFF向量不需要指向基本上相同的方向。例如，在处于标称水平巡航的FIA的第一加力阶段期间，NFF可以是基本上竖直的，而在第二加力阶段期间，NFF可以是基本上水平的。在这个示例中，对应的自由流流速向量的方向和大小随FIA的类型以及对FIA的运动的任何约束而变。如果FIA是传统翼，则自由流流速向量基本上垂直于NFF向量。在其他移动模式中，在两个不同的加力阶段中的每一个阶段，NFF向量可以指向基本上相同的方向。例如，在悬停的FIA的第一加力阶段和第二加力阶段期间，NFF可以是基本上竖直的。在FIA是传统翼的情况下，每个加力阶段的自由流流速向量可以是平行的、但指向相反的方向，以便满足平均自由流流速约束。在每个加力阶段期间，自由流流速可以是基本上恒定的。注意，对FIA受到的峰净加速度的约束影响转变阶段相对于加力阶段的时长。在一些交通工具实施例或移动模式中，此约束致使加力阶段的时长可忽略不计，并且可以在一连串转变阶段方面来描述轨迹实施例。注意，在转变阶段期间，自由流流速不一定是基本上恒定的。

在以下段落中，将描述另一个具体的交通工具实施例(例如，图1至图13所描绘的)。

交通工具包括几个装置，这些装置可以通过它们在标称水平巡航期间执行的功能加以区分。如稍后将解释的，可以识别机身装置、动量储存装置和连接装置。尽管所有这些装置按照定义都是FIA，但为清楚起见，它们均以前述方式被提及。其余的装置将被称为FIA，在此被图示为一个FIA 102。

图1中的机身装置101(或机身101)在形式、结构组成、内容物和功能方面与已经在图14所示的交通工具实施例中的机身201的背景下描述的相似，反之亦然。机身101与机身201的不同之处在于安装连接装置的方式。

可以如下定义“机身坐标系”。在一些实施例中，机身坐标系x轴与连接机身140的前部与机身141的后部的线平行，并且指向前部。机身坐标系z轴指向下方并且位于包含机身坐标系的x轴以及在标称水平巡航期间重力加速度的平面内。机身坐标系相对于在前述取向下的机身是固定的。机身坐标系的原点位于机身装置的瞬时质心。

FIA 102包括2个独立的翼装置：图1所示的一个左翼装置107和一个右翼装置106。FIA 102的特性以及不同的可能实施例类似于FIA 202和FIA 203的特性以及不同的可能实施例，反之亦然。

FIA 102的AFIAF按先前定义的被定向和定位。

在一些实施例中，FIA 102也能够变形。交通工具的最佳操作可能需要使特定FIA的与NFF有关的瞬时动力消耗最小化。对于给定的瞬时NFF和给定的瞬时自由流速度，给定的FIA类型的组成可以具有相对于流体的最佳形状。这种最佳形状可以随着瞬时NFF或自由流速度的变化而改变。通过变形，FIA能够比其他方式更接近于最佳形状操作，使得消耗更小的与NFF有关的瞬时动力。

在一些实施例中，用两种通用方法之一来更改FIA 102的相对形状。

第一方法涉及翼装置106或107与自由流流动之间的相对取向的改变。相对取向可以但不限于是指每个翼装置的迎角或侧滑角。

例如，局部自由流的流速方向的变化可以引起迎角的变化。例如，由翼装置产生的下洗可以在翼装置处引起诱导迎角。

在另一个示例中，通过改变自由流流速相对于翼装置的方向，翼装置在惯性坐标系中的速度方向的变化可以引起迎角的变化。假设流体相对于惯性坐标系静止，这可以通过翼装置相对于交通工具的重心的平移或旋转运动以及通过翼装置相对于交通工具的重心的平移或旋转运动来实现。然而，在一些实施例中，翼装置相对于交通工具的重心的旋转运动对于翼装置在惯性坐标系中的轨迹没有大的影响，并且因此对自由流流速相对于翼装置的方向没有大的影响。在其他实施例中，影响较大。

在进一步示例中，翼装置106或107相对于惯性坐标系的取向可以引起迎角的变化。为了那个目的，除此之外，翼装置106和翼装置107可以相对于杆装置104的杆装置端头110独立地旋转。杆装置104可以进一步相对于机身101旋转。也可以通过前述这些示例的组合来改变相对取向，并且描述相对取向(比如侧滑)的其他参数也存在类似情形。还存在用于改变相对取向的其他情形，比如涉及改变自由流流动方向的风干扰的情形。在其他实施例中，也可以应用更改相对取向的其他方法。

第二方法涉及翼装置106或107相对于自身的形状变化。

可以用几种方式来更改相对形状。例如，可以通过改变包含在翼装置内的伪刚性体相对于彼此的相对位置和取向来改变形状。在一些实施例中，翼装置106和107能够以例如先前在翼装置208或209的背景下讨论的方式变形。

在一些实施例中，每个翼装置有一个翼基部元件。例如，翼装置106具有图1所指示的基部元件116，翼装置107具有图4所指示的基部元件117。在一些实施例中，翼装置106和107总共具有42个子元件。由虚线118或119示意性地指示翼元件的端头的理论位置，以便更清楚地图示针对此交通工具实施例所选择的伸缩变形方法的操作。翼装置106具有翼装置端头120，并且翼装置107具有翼装置端头121。

图1至图3示出了处于完全伸展状态的FIA 102，而在图4至图6中，FIA 102处于完全缩回状态。

如先前在FIA 202和203的背景下所讨论的，翼元件可以用几种不同的方式缩回。

在其他实施例中，FIA 102基本上是固定翼，副翼、襟翼或类似装置提供的变形能力有限。翼装置，无论是否是基本上固定的，都可以具有比如小翼等非平面特征。

动量储存装置103(或“MSA”)构造为接收、储存和传送动量冲量，如稍后将解释的。在一些实施例中，通过使与MSA相关联的质量加速和减速而吸收和释放动量。

与MSA相关联的质量有两个分量。第一分量涉及“内部质量”，即，MSA的结构边界内包含的质量。此质量可以包括比如铝或碳复合材料等结构材料的质量。内部质量还可以包括比如电池或燃料等非结构质量。注意，内部质量会随时间而变化，比如当燃料耗尽和转移到交通工具的其余部分或从中转移出去或转移到环境中时。内部质量的另一个示例是位于MSA内部的一部分有效负载的质量，所述质量可以忍受标称操作期间MSA的周期性加速度。在优选实施例中，大部分内部质量是交通工具包含的质量，而与交通工具的构型无关。这由于MSA的存在而使交通工具的附加质量的增加最小化，这样降低了成本，并且在一些实施例中减少了与NFF有关的动力消耗。如果整个交通工具不包含任何不能忍受这种周期性加速度的材料，则不需要呈图1至图13所图示的形式和功能的单独机身。因此，通过从所描绘的实施例中移除杆装置105和原始MSA 103、并且以与沿所描绘的轨迹操作MSA相同的方式来操作所描绘的实施例的机身，可以形成新的实施例。在其他实施例中，通过整流装置将MSA完全包住，所述整流装置的运动与所描绘的MSA的运动在一定程度上是分开的，这可以被优化。在简化的示例中，在标称水平巡航期间，MSA的整流装置不会在惯性坐标系中加速。在一些实施例中，机身或有效负载也可以被容纳在那个整流装置中，或者如图1-22所示可以被容纳在单独的整流装置中。这种方法的益处是减少了整流装置的元件在一个周期期间所受到的自由流流速的变化。这样可以减少整流装置的与NFF有关的平均动力消耗。此外，可以减小与MSA在惯性坐标系中的运动相关联的摩擦。例如，整流装置可以在MSA周围形成真空，使得MSA相对于整流装置的任何运动都不会产生会抵消此方法的益处的动力消耗。甚至在由于例如比最小的整流装置的体积和浸润面积更大而导致动力消耗增加时，对MSA的分开的整流装置也会有其他益处。一个益处是可以简化交通工具的构造。例如，MSA的整流装置可以刚性地连接至FIA。这种方法可以简化连接装置，不再需要呈流线型。整流装置还可以用于保护连接装置和MSA免受元件影响并且改进交通工具的稳健性。

与MSA相关联的质量的第二分量是“外部质量”，外部质量可以包括例如由于与流体的相互作用引起的MSA的任何附加质量或虚拟质量。外部质量也可以随时间而变化，并且可以随MSA的形状和MSA的局部自由流流速以及其他参数(比如与流体特性相关的参数)而变。

在一些实施例中(例如，如图1至图13所示)，内部质量随时间保持恒定，而外部质量的影响可忽略不计。

在一些实施例中，MSA的形状受制于与机身相似的目标函数。像机身一样，MSA被设计为以交通工具的总阻力减小的方式包含一部分内部质量。

在其他实施例中，不仅可以由使阻力最小化的目标、还可以由在某个特定时刻提供一定量的外部质量的约束来决定MSA的恒定形状。

在一些实施例中，MSA的形状也随时间保持恒定。

在其他实施例中，MSA的形状能够随时间变化。例如，在MSA的内部质量的量随时间变化的前述情况下(比如当消耗或重新填充燃料时，或当去除或添加有效负载时)，期望MSA的体积相应地变化，以便使浸润面积和相关联的阻力最小化。

在另一个实施例的另一个示例中，MSA的形状变化可以用于控制MSA在任何时刻和任何给定的局部自由流速度下的外部质量。这对于减少MSA的与NFF有关的动力消耗会是有利的。通过改变与MSA相关联的质量，甚至在惯性坐标系中以恒定速度(即恒定的自由流速度)行进时，也可以改变MSA的动量。与通过在惯性坐标系中使恒定质量加速和减速来改变动量的方法相比，此方法的益处在于可以减小在一个周期内MSA的自由流速度的变化。通过更接近于平均自由流速度操作，也会减少MSA由于作用在MSA上的阻力而消耗的动力。在一些实施例中，以如下方式来构造MSA：交通工具在改变MSA的外部质量的过程中所消耗的动力最小化。换句话说，以如下方式构造MSA：当MSA的添加质量随后减小时，可以回收在MSA的添加质量增加期间所做的大部分功。通过使用外部质量而不是任何其他与MSA有关的内部质量，也可以减小交通工具的总重量，这样可以进一步减少交通工具的与NFF有关的动力消耗。

MSA与内部质量相比是否更依赖于外部质量以及与恒定形状相比是否更依赖于可变形状，是由整个交通工具的目标功能以及施加在整个交通工具上的约束来决定的。

注意，MSA也是FIA，因此可以构造为受到力并且执行类似于FIA 102的功能。在MSA接近FIA 102的功能的极限中，图1至图13所示的实施例接近图14至图22所示的实施例。图1至图13和图14至图22所示的实施例是可能实施例的连续谱的两个点。注意，所述谱也不受这些点约束或限制。

通过交通工具的其余部分经由连接装置施加在其上的力、通过作用在其上的任何流体力、通过作用在其上的任何其他外力以及通过与其相关联的前述瞬时质量，对MSA在惯性坐标系中的速度进行控制。

在其他实施例中，交通工具包括两个或更多个MSA。

在一些实施例中，交通工具包括连接装置，所述连接装置构造为在翼装置106、翼装置107、MSA 103与机身101之间传递负载并有利于相对运动。

连接装置包括杆装置104和105。杆装置104可旋转地连接至机身101，并且可旋转地连接至翼装置106的基部元件116以及翼装置107的基部元件117。杆装置105可旋转地连接至机身101，并且可旋转地连接至MSA 103。在一些实施例中，杆装置104和105以与图14至图22所示的实施例的杆装置相似的方式被构造。可以以与翼装置的长度可以被调整的相似方式调整一些或所有杆装置的长度。为了清楚起见，用虚线108或109示意性地指示杆元件的端头的理论位置。杆装置104具有19个子元件，而杆装置105具有6个子元件。其他实施例可以具有任何数量的子元件。

杆装置104具有杆装置基部122以及杆装置端头110，所述杆装置端头通过旋转接头112连接至翼装置106和翼装置107的基部。

杆装置105具有杆装置基部123以及杆装置端头，所述杆装置端头嵌入MSA 103的整流装置114内部。整流装置被动地或主动地变形，以允许杆装置的颈部在旋转期间穿过MSA。

存在类似的整流装置115，其允许杆装置104和105围绕机身坐标系的y轴旋转。此整流装置的目的是减小机身中的间隙引起的任何阻力，所述间隙允许杆装置相对于可变形状的机身旋转360度。翼装置处的整流装置113实现了相似目的。

可以如下定义“杆装置基部坐标系”(或“RABF”)。原点位于杆装置基部的中心。这个点位于描述杆装置基部与机身101之间的相对运动的旋转轴线上。所述点位于此轴线穿过杆装置基部的行程的中间点。类似地，杆装置端头的中心可以在描述翼装置基部与杆装置端头之间的相对运动的旋转轴线方面来定义。在一些实施例中，在标称水平巡航期间，RABF的xz平面平行于机身坐标系xz平面。RABF的x轴平行于对杆装置端头中心和杆装置基部中心的相对位置进行描述的向量在杆装置xz平面上的投影。

在一些实施例中，在杆装置104的杆装置基部122与机身101之间存在1个旋转自由度。在一些实施例中，所述1个旋转自由度包括在标称操作期间围绕相对于机身坐标系固定的轴线的旋转。在一些实施例中，所述旋转轴线此外平行于机身坐标系的y轴。在一些实施例中，所允许的旋转角度范围为360度。在其他实施例中，对机身坐标系与RABF之间的相对旋转进行描述的角度的范围可以被限制为小于360度的范围。

可以用相同的方式描述杆装置105的杆装置基部123与机身101之间的相对运动。

在一些实施例中，杆装置104和105的RABF的原点是重合的，因此杆装置基部122和123的旋转轴线也是重合的。杆装置基部122和杆装置基部123构造为能够相对于彼此旋转。相对角度的范围受到杆装置彼此互不干扰的要求的约束。例如，杆装置基部123的前边缘不应与杆装置基部122的后边缘碰撞。相对角度的范围足够大以利于杆装置的标称操作。在一些实施例中，这可能需要不同形式的连接装置、或不同的操作方法。

在其他实施例中，只要是满足其他标准，比如避免翼装置之间以及两个杆装置之间的干扰，杆装置104和105的RABF的原点就能不重合。例如，可以使用沿机身坐标系的y轴在正方向和负方向上偏移的两个杆装置来代替所描绘的杆装置104的一部分或全部。例如，此方法可以用于增加杆装置104与杆装置105之间的允许相对角度的范围。

旋转接头112也具有1个自由度，其中旋转轴线也固定在与机身坐标系y轴平行的方向上。在一些实施例中，翼装置106的基部元件116可以相对于杆装置端头110围绕此轴线旋转360度。可以用相同的方式来描述翼装置107的基部元件117与杆装置端头110之间的相对运动。因此，旋转接头112允许翼装置106和107之间的独立的相对旋转。

在其他实施例中，代替包括两个可以相对于彼此旋转的翼装置，FIA 102可以包括仅一个与翼装置106类型相同(即，具有相同或相似的变形能力)的连续翼装置。在这种情况下，可以通过其他方法(比如副翼或翼翘曲等单独控制表面)来提供翻滚控制。

在MSA 103与杆装置105的端头之间，还有1个旋转自由度，其中旋转轴线固定在与机身坐标系y轴平行的方向上、并且相对旋转范围为360度。

在一些实施例中，杆装置可以改变构型。杆装置端头能够沿RABF的x轴相对于杆装置基部平移。此轴向伸展机构有几个可能的实施例。例如，可以采用类似于前述翼装置变形机构的伸缩机构。

使用变形杆装置的益处是，与杆装置的浸润面积随时间保持恒定的实施例相比，减小了杆装置的浸润面积。在其他实施例中，杆装置可能不能够大幅度改变其浸润面积。这种构型的益处是可以降低机械复杂性。

在连接装置的其他实施例中，使用电磁悬浮。

在一些实施例中，翼装置基部元件相对于机身坐标系具有2个平移自由度和1个旋转自由度。

翼装置基部元件的1个旋转自由度可以独立于交通工具的其余部分的姿态来确定翼装置的迎角。

2个平移自由度允许翼装置基部元件和杆装置端头相对于机身坐标系在二维空间内运动。注意，在这种背景下，杆装置端头中心描述杆装置端头的位置。杆装置基部也是如此。杆装置端头的“相对范围空间”、即杆装置端头在机身坐标系中相对于杆装置基部的可能相对位置的集合受每个杆装置的最大长度和最小长度以及杆装置基部相对于机身坐标系的最大允许角度和最小允许角度的限制。在这种情况下，由于允许的角度范围跨360度，因此相对范围空间位于机身坐标系的xz平面内，并且包含2个同心圆之间的区域，这些同心圆的半径等于每个杆装置的最大长度和最小长度。注意，这假设当杆完全缩回时机身不会干扰翼装置。当不是这种情况时，“内边界”不再是圆形，而是随机身形状、翼装置形状和构型以及杆装置构型而变的路径。注意，结构上的考虑也可能使真正的“外边界”形状为非圆形。注意，在其他实施例中，杆装置的相对范围空间不需要是二维的，而是当所允许的相对位置描述一条线时可以是一维的。注意，在其他实施例中，杆装置的相对范围空间也可以是三维的。在其他实施例中，在杆装置端头与机身之间可以仅存在1个平移自由度。换句话说，杆装置端头相对于杆装置基部的位置可以被约束为沿着规定路径运动。在这种情况下的相对范围空间取决于曲线的形状而可以是二维的或一维的。其还可以是三维的。在二维情况下，杆装置端头与AFIAF或机身之间的规定的相对路径的形状可以采用与图8至图11或图19至图21所示的形式类似的闭合形式。路径还可以采用其他形状，比如8字形、无穷大符号形、直线形或曲线形。

FIA 102的重心位置取决于翼装置106和107的构型。对于一些实施例，通过改变翼装置基部116和117相对于杆装置端头110的旋转角度，可以对FIA 102的重心的中心投影到机身坐标系的xz平面上的位置进行调整。通过改变翼装置106和107的翼展或伸展部分，可以对FIA 102的重心投影到机身坐标系的y轴上的位置进行调整。因此FIA 102的重心在机身坐标系中具有3个平移自由度，这样允许其相对于机身坐标系在三维空间中运动。在标称水平巡航期间，对于所描绘的实施例，翼装置106和107关于机身坐标系的xz平面对称地操作。

类似地，图1至图13中描绘的MSA 103的流线型外壳相对于机身坐标系还具有1个旋转自由度和2个平移自由度。注意，MSA 103可以在流线型外壳内部包含附加自由度。例如，可以有构造为相对于壳体旋转的飞轮。

至少2个平移自由度的益处在于，几种不同的轨迹形状是可能的，这些轨迹形状描述FIA 102和MSA 103相对于其相应AFIAF的运动。FIA 202和MSA 103二者都能够在AFIAF坐标系的xz平面内周期性地运动。例如，对于悬停飞行，FIA 102相对于AFIAF的最佳轨迹可能位于AFIAF坐标系的xz平面内。标称水平巡航也可能如此。但是，最佳轨迹的形状可能不同。因此，更改轨迹形状的能力可以引起性能改进。

在一些实施例中，在推进移动期间，FIA相对于AFIAF的最佳轨迹可以如下描述。如本文所使用的，“推进移动”是指以下情形：平均净流体力的指向基本上平行于FIA在一个周期期间相对于流体流的平均方向运动。术语“流体流”是指自由流流动以及任何诱导流效应，其中诱导流效应可以由相邻的FIA或指定的FIA产生。因此，即使自由流流动为零，也可以将悬停飞行视为推进移动。在一些实施例中，推进移动可以被描述为以下情形：平均净流体力的指向基本上平行于惯性空间中FIA的平均运动方向。推进移动是指可以用传统螺旋桨代替FIA的情形。推进移动还指的是FIA用作风力涡轮机的情形。在推进移动期间，AFIAF的x方向指向流体流动的相反方向。考虑以下简化的情形：一个整个周期内所需的平均推力平行于AFIAF的x轴，并且自由流流动是恒定的。在一些实施例中，在推进移动期间，周期可以包括8个阶段。这8个阶段分别标记为“加力阶段1”、“转变阶段1”、“巡航阶段1”、“转变阶段2”、“加力阶段2”、“转变阶段3”、“巡航阶段2”以及“转变阶段4”。在一些实施例中，在加力阶段1期间，比如FIA 102等指定FIA相对于AFIAF的运动以沿AFIAF的负x方向的大的分量为特征。FIA 102相对于AFIAF的运动还可以以在AFIAF的yz平面内的大的分量为特征。例如，在一些实施例中，yz平面内的分量可以基本上沿AFIAF的正z方向。FIA 102沿x方向的运动的最佳程度取决于平均流体速度的大小、所需平均推力的大小以及结构约束等因素。在加力阶段1期间，如在本文中讨论的所有加力阶段，FIA 102构造为与巡航阶段1相比产生更大的推力。在此示例中，当使用指定FIA用于推进时，在整个周期内所需平均推力沿x方向的分量可以为正，或者当FIA是风力涡轮机或水力发电厂的一部分时可以为负。为此，在加力阶段1期间，FIA 102可以处于零升力阻力的有效平板阻力面积大的构型。换句话说，FIA 102的伸缩元件可以处于伸展位置，从而产生大的净流体力，尽管也产生大的浸润面积和零升力阻力。在巡航阶段1期间，FIA 102相对于AFIAF的相对运动以主要分量沿正x方向为特征。如前所述，在巡航阶段1期间，在整个转变阶段1内进行构型改变之后，与加力阶段1相比，FIA 102构造为处于零升力阻力的有效平板阻力面积小的构型。在一些实施例中，FIA 102在整个巡航阶段1中的运动平行于AFIAF的x轴。在一些实施例中，FIA 102在整个巡航阶段1中的运动基本上平行于AFIAF的X轴。在转变阶段2之后，FIA 102进入加力阶段2。在一些实施例中，加力阶段2可以被认为是加力阶段1的在与AFIAF的xy平面平行的平面内的镜像。换句话说，与加力阶段1相比，FIA 102沿AFIAF的z方向的运动的前述分量的符号以及沿AFIAF的z方向的净流体力分量的符号在加力阶段2中反转。在转变阶段3之后，FIA 102进入与巡航阶段1基本上相似的巡航阶段2，尽管在AFIAF中在负z方向上与巡航阶段1的路径有偏移。在转变阶段4之后，FIA 102已返回到周期的初始状态，在标称操作期间在此时后续周期的加力阶段1开始。在一些实施例中，FIA 102相对于AFIAF的速度的大小和方向在加力阶段或巡航阶段期间可以是基本上恒定的。在这样的实施例中，FIA 102的质心在加力阶段期间投影到AFIAF的xz平面内所遵循的路径为“X”形，其中AFIAF的原点位于中心，四个转变阶段位于“X”的四个顶点，并且AFIAF的x轴水平指向右方、而z轴指向下方。在巡航阶段期间，FIA102质心投影到AFIAF的xz平面内所遵循的路径为“＝”形，每条线代表巡航阶段期间的投影路径，这些线与AFIAF的x轴平行，并且这些线连接连贯的转变阶段。因此，FIA 102的质心投影到AFIAF的xz平面内所遵循的组合路径将围成沙漏形状。在其他实施例中，FIA 102相对于AFIAF的路径也可以被描述为8字型。在悬停飞行期间，平均流体流动的指向沿负Z方向，从而引起前述AFIAF旋转，使得前述路径可以类似于无穷大符号的形状，而不是在惯性空间中的8字形。

在推进移动期间，FIA相对于AFIAF的最佳轨迹也可以采用不同的形状，比如图8至图11所指示的形状。加力阶段可以构造为提供所需的推力冲量的大部分，并且巡航阶段可以构造为提供FIA沿AFIAF的x方向相对于流体的所需运动的大部分。在其他实施例中，结构限制和/或致动限制可能不允许有充足的时间以使翼在整个转变阶段内改变构型。在这样的实施例以及其他实施例中，FIA不能在推进移动或悬停飞行的一个整个周期内改变构型。注意，在一些实施例中，FIA构造为在正迎角和负迎角下提供推力或升力。

在图1至图13所描绘的实施例中，可以将装置的组件(或“AA”)定义为整个交通工具，不包括“孤立的机身”。孤立的机身在此上下文中是交通工具的任何在标称水平巡航期间始终受制于零瞬时平移或角加速度约束的部分。孤立的机身是附图中描绘的机身装置101或201的子集。机身装置可以包含不受制于零净加速度约束的装置。例如，在另一个实施例中，MSA的一部分或全部可以是机身装置的一部分并且被机身装置包住。机身装置可以进一步包含飞轮装置或具有类似功能的装置。根据前述定义，这些附加装置不被视为孤立的机身的一部分。在所描绘的实施例中，机身装置101和201包括流线型外壳，外壳的轮廓在附图中可见。外壳围住机身装置的其余部分以及除此之外还有比如部分连接装置等其他装置，并且提供机身装置与流体之间的界面的一部分。在一些实施例中，外壳也是孤立的机身的一部分。

在标称水平巡航期间并且对于给定的平均巡航速度，孤立的机身受制于瞬时内力约束以及瞬时自由流流速向量约束。瞬时自由流流速向量约束起因于要求孤立的机身在标称水平巡航期间受到零加速度的要求。对于惯性坐标系轴线的给定定义，这引起在惯性坐标系的Y方向和Z方向上有零瞬时自由流流速向量分量。由于给定的平均巡航速度，在惯性坐标系的负X方向上的瞬时自由流流速向量分量被约束为等于给定的平均巡航速度大小。通常，瞬时内力约束可以如下计算。可能需要指定装置的重心遵循惯性坐标系中的指定轨迹。根据此轨迹，可以计算作用在重心上的瞬时加速度。根据瞬时加速度以及作用在指定装置的重心上的给定外力，可以计算出瞬时内力约束。在一些实施例中，指定装置是孤立的机身，并且孤立的机身的重心的指定轨迹由沿惯性坐标系的X轴的恒定速度运动给出。因此，在标称水平巡航期间，瞬时加速度被约束为零。换句话说，在标称水平巡航期间，作用在孤立的机身上的净力始终被约束为零。净力是作用在孤立的机身上的内力与外力之和，所以瞬时净内力等于作用在孤立的机身上的净外力并与其相反。在一些实施例中，净外力由作用在孤立的机身上的重力与流体动力学阻力之和给出。

由于AA包括了整个交通工具而没有包括孤立的机身，因此对孤立的机身的瞬时净内力约束转化为AA上的相等且相反的瞬时净内力约束。

考虑以下情形：目标是使交通工具的每单位水平行进行距离所消耗的能量最小化。由于在这种情况下给出了平均自由流速度，此目标的最佳构型与目标是使交通工具所消耗的平均动力最小化的情况的最佳构型相同。对于其他目的，可以使用与以下方法类似的方法。

在一些实施例中，对孤立的机身的这种瞬时内力和自由流速度约束被不必要地传递到AA内的所有FIA。例如，在传统固定翼螺旋桨飞行器的情况下，AA包括固定翼、螺旋桨和尾翼。固定翼刚性地安装在孤立机身上，因此孤立机身的瞬时自由流速度约束被传递到固定翼和螺旋桨上。对机身的瞬时内力约束分布在螺旋桨与固定翼之间，两者在标称水平巡航期间始终向孤立的机身提供恒定的瞬时内力。将限制性瞬时约束从孤立的机身不必要地传递到AA的FIA的问题是，对于交通工具的给定目标函数，各个FIA可以在不同的操作条件下更有效地操作。例如，如果由于交通工具的特定构型，AA的这些FIA构造为在与由孤立的机身决定的内力和自由流速度不同的内力和自由流速度下操作，则交通工具的目标函数可能更低。

为了说明此问题，考虑以下简化的理想情形。注意，这种简化的理想情形仅是理论的考虑，旨在解释和促进图1至图13以及图14至图22所示的示例实施例和示例操作方法。考虑以如下方式构造的AA：其包括至少一个受制于平均内力约束以及平均自由流速度约束的FIA。在其他实施例中，FIA可以是内力，或者自由流速度也可以受制于瞬时约束。

AA的设计者可以使用一系列不同类型的FIA。在这种简化的理想情形下，给定的FIA可以被如下描述。FIA能够基本上经由第二类型的流体相互作用产生NFF，其中流体的动量变化率是通过在与FIA的表面相互作用期间流体流动的偏转而产生的。这种FIA的示例是传统固定翼飞行器的翼。FIA进一步能够更改其相对于流体的形状。可以用几种方法来更改形状。可以通过改变FIA相对于自由流流动的取向来更改形状。在一些实施例中，还可以通过改变浸润面积的大小来更改形状。

在以下段落中，将针对前面段落中所描述的并且在图1至图6中示出的实施例来描述一种可能的操作方法或一个轨迹实施例。在图7至图11中描绘了可能的操作方法，并且为此特定示例选择的移动模式的类型是标称水平巡航。比如悬停等其他移动模式可能需要替代的和/或附加的方法操作。然而，考虑到在此示例中描述的构思，本领域技术人员将能够合成这些其他操作方法。

注意，提供FIA的这些特征仅是为了给出本发明的实施例的清楚且简洁的示例，而无意于以任何方式限制本发明。通过遵循本公开中的见解所建议的以及本公开的指南和示例中所描述的构造和操作交通工具的类似方法，本公开的教导还可以应用于其他类型的FIA的新颖的设计、构型和操作方法，从而使交通工具性能得到改进。

如前所述，孤立的机身受制于瞬时内力约束以及瞬时自由流速度约束。因此，包括整个交通工具(不包括孤立的机身)的AA受制于相等且相反的瞬时内力约束。为了防止这些可能限制性能的瞬时内力和自由流速度约束被传递到FIA 102，AA包括MSA 103和连接装置。通过AA的MSA 103以及尚未成为FIA 102或MSA 103的一部分的任何其他装置，FIA 102与孤立机身的瞬时内力约束分开。MSA 103和前述其他装置构造为向孤立的机身施加孤立的机身所需的瞬时内力或力矩与FIA 102向孤立的机身施加的任何瞬时内力或力矩之间的差。通过连接装置，FIA 102与孤立的机身的瞬时自由流速度约束分开。前面已经描述了在FIA 102的重心与孤立的机身的重心之间以及在MSA 103的重心与孤立的机身的重心之间已经通过连接装置实现的相对运动范围。在标称水平巡航期间，对FIA 102和MSA 103的重心在机身坐标系中的位置的周期性约束等效于恒定的平均速度约束，其中此平均速度等于惯性坐标系中的平均巡航速度或在机身坐标系中等于零。因此，根据一些实施例，对AA的瞬时内力约束和瞬时自由流速度约束已经与包含在AA内的FIA 102分开。因此，FIA 102可以以平均内力约束以及平均自由流速度约束来操作。这也适用于MSA 103。对于某些交通工具和轨迹，这改进了测量的交通工具性能。现在将描述根据一些实施例的特征。

在标称水平巡航期间，杆装置端头与杆装置基部的相对位置是机身xz平面内的周期性路径。对于给定的杆装置，这个路径可以根据目标而采取几种形状。

在一些实施例中，可以如下描述在标称水平巡航的一个轨迹实施例中的运动。FIA102构造为基本上经由第二类型的流体相互作用来产生NFF。

由于对孤立的机身的瞬时零净加速度约束，孤立的机身构造为以恒定的瞬时速度在惯性坐标系中运动，所述瞬时速度等于交通工具的给定巡航速度。

为了描述FIA 102和MSA 103的周期性运动，可以在4个阶段方面来描述一个周期。这4个阶段分别标记为“加力阶段1”，“转变阶段1”，“巡航阶段1”和“转变阶段2”。在其他轨迹实施例中，可以在不同的阶段组成方面描述一个周期。例如，如果指定的FIA无法更改其浸润面积，或者如果不期望FIA这样做，则可以在被转变阶段彼此分开的两个加力阶段方面来描述一个周期。使用专用MSA代替一个或多个附加FIA的益处是提高确定比率xt的自由度，所述比率是加力阶段的时长与一个周期的时长之比。

FIA 102的操作类似于先前所述FIA 202的操作，其中FIA 203的功能由MSA 103来实现。

在加力阶段1期间，MSA 103执行与FIA 203类似的功能。在一些实施例中，作用于MSA 103的NFF主要来自MSA 103所受到的阻力。因此，NFF基本上平行于MSA 103的自由流流速并指向所述自由流流速方向。NFF在负X方向上具有分量。NFF在Z方向上的分量随惯性坐标系中MSA 103的速度而变化。注意，在其他实施例中，作用在MSA上的NFF的不可忽略的部分也可能由其他来源产生，所述来源是比如由于流体动量变化率引起的升力、或者浮力。MSA 103还由于与其元件相关的质量而受到净重力。净内力也作用在MSA 103上。在加力阶段1期间，由FIA 102施加到交通工具的其余部分上的内力的一部分被施加到MSA 103上。施加到MSA 103的内力沿着由FIA 102施加到交通工具的其余部分上的内力具有正分量。施加到MSA 103的内力在正Z方向上具有分量。在一些实施例中，在X方向上的分量比较而言可忽略不计。当所有这些作用在MSA 103上的力加在一起时，便得到了净力。此净力说明了MSA103在惯性坐标系中沿其所需轨迹的任何减速度或加速度的原因。在加力阶段1期间，净力指向正Z方向和负X方向。

在加力阶段1期间，MSA 103的动量在净力方向上增加。

在加力阶段1期间，交通工具的其余部分对MSA 103做功。FIA 102也对交通工具的其余部分做功。

在加力阶段1期间，MSA 103在惯性坐标系中的平移速度在正X方向上具有分量。在Z方向上的分量在加力阶段1开始时为负，并且在加力阶段1结束时为正。在此轨迹示例中，在Y方向上的分量始终为零。

在一些实施例中，在标称水平巡航期间，MSA 103的所描绘的外壳的转速在惯性坐标系中的速度始终平行于Y轴。MSA 103的所描绘的外壳的旋转旨在使MSA 103上的阻力最小化。因此，转速随MSA 103的自由流流速的变化率而变。注意，MSA 103可以包含比如一个或多个飞轮等附加装置，所述附加装置在惯性坐标系中的转速向量独立于所描绘的外壳的转速。

MSA 103在FIA 102的巡航阶段1中执行的功能类似于FIA 203在FIA 202的巡航阶段1期间的功能。FIA 203和MSA 103两者都向交通工具的其余部分提供力，一部分力分别被传递到FIA 202和FIA 102。在MSA 103的情况下，此力的很大一部分由MSA 103的动量变化率提供，与在FIA 203的情况下由流体的动量变化率提供完全不同。与加力阶段1一样，作用在MSA 103上的NFF主要由MSA 103所受到的阻力引起。因此，可以以与在加力阶段1的背景下已经讨论的相同方式来描述NFF。MSA 103还由于与其元件相关的质量而受到净重力。净内力也作用在MSA 103上。施加到MSA 103的内力在负X方向和负Z方向上具有分量。当所有这些作用在MSA 103上的力加在一起时，便得到了净力。此净力说明了MSA 103在惯性坐标系中沿其所需轨迹的任何减速度或加速度的原因。在巡航阶段1期间，净力指向负X方向和负Z方向。

在巡航阶段1期间，MSA 103的动量在净力方向上增加。

在巡航阶段1期间，交通工具的其余部分对FIA 102做功。MSA 103也对交通工具的其余部分做功。当MSA在巡航阶段1期间对交通工具的其余部分做功时，释放在加力阶段1期间交通工具的其余部分对MSA做功时被吸收的部分动量。被吸收并随后释放的一部分对应的功以例如MSA的势能和动能的形式被储存。由于与流体的不完美相互作用(比如导致阻力作用在MSA上的相互作用)，损失了这个功的另一部分。

在巡航阶段1期间，MSA 103在惯性坐标系中的平移速度在正X方向上具有分量。MSA 103在巡航阶段1期间的平移速度的大小小于在加力阶段1期间的大小。在一些实施例中，在整个巡航阶段1中，在Z方向上的分量为负。

在转变阶段1期间，FIA 102和MSA 103的被改变构型为分别采取在巡航阶段1中的FIA 102和MSA 103的构型和状态。在一些实施例中，转变阶段的时长尽可能短，因为与加力阶段1或巡航阶段1相比，转变阶段可能涉及交通工具的暂时不太理想的操作。如前所述，在转变过程中交通工具的操作可以随致动约束或结构约束而变。在转变阶段期间，交通工具的最适合操作取决于交通工具的详细情况。在转变阶段2期间，FIA 102和MSA 103的被改变构型为分别采取在加力阶段1中的FIA 102和MSA 103的构型和状态。

FIA 102和MSA 103在惯性坐标系中的前述速度引起以下相对于AFIAF的速度。在加力阶段1期间，FIA 102具有相对于AFIAF的速度，所述速度具有沿着AFIAF的正Z方向和负X方向的分量。MSA 103具有相对于AFIAF的速度，所述速度具有沿AFIAF的正X方向分量。MSA103相对于AFIAF的速度在Z方向上的分量在加力阶段1开始时为正，而在结束时为负。

在巡航阶段1期间，FIA 102具有相对于AFIAF的速度，所述速度沿AFIAF的负z方向和正x方向具有分量。MSA 103具有相对于AFIAF的速度，所述速度沿AFIAF的负x方向和负z方向具有分量。

MSA 103和FIA 102相对于机身以及相对于彼此的相对定位受制于与已经在FIA202和FIA 203的背景下描述的考虑类似的考虑。

可以使用与已经在FIA 202和FIA 203的背景下描述的方法和构型类似的方法和构型来实现满足对交通工具的一些装置的任何瞬时力矩约束和平均力矩约束。注意，MSA103还可以包含力矩发生装置，比如飞轮或包括陀螺仪的装置。

图1至图13所示的用于对交通工具进行致动的装置和方法受制于与已经在FIA202和FIA 203的背景下描述的考虑类似的考虑。

在图7中，示出了惯性坐标系中的相同轨迹的三个不同视图。移动类型是标称水平巡航。该图从顶部到底部包含交通工具的侧视图、接着是俯视图、接着是透视图。在侧视图和俯视图中，交通工具从左到右行进，而在透视图中，交通工具从左下方到右上方行进。还示出了在惯性坐标系中通过交通工具上的点跟踪的路径。

顶部的序列示出了在图中从左向右运动的交通工具的右侧。中间的序列是在与顶部的序列相同的时间点示出的交通工具的俯视图。底部的序列是从交通工具后上方看到的投影视图。每个构型快照都示出了在惯性坐标系中静止的观察者所看到的处于不同位置的交通工具。所示的轨迹是机身101的路径136、翼装置106的端头的路径137、翼装置107的端头的路径138、MSA 103的路径139。快照124、128、129、130、131、132描绘了在加力阶段1期间的交通工具，其中FIA 102的翼装置106和107处于其完全伸展的构型。快照125示出了在转变阶段1期间的交通工具。快照126例示了巡航阶段1，其中翼装置106和107现在处于其完全缩回的构型。快照127图示了在转变阶段2期间发生的构型改变。

注意，图7所示的轨迹是草图，意在图示具有类似特征的交通工具可能采用的基本原理。满足约束的最合适的轨迹取决于实施例和目标。

图8至图11示出了随机身坐标系一起运动的观察者所看到的与图7相同的轨迹。所述路径指示在一个周期期间在机身坐标系中翼装置端头的相对运动和MSA 103上的参考点。

图8示出了翼装置106的端头的相对路径133、翼装置107的端头的相对路径134以及MSA 103上的参考点的相对路径135的透视图。还示出了交通工具的快照。通过叠加在路径上的箭头来指示沿所描绘的路径的运动方向。

图9示出了在标称水平巡航期间的相对路径133至135以及交通工具快照的侧视图。机身坐标系y轴指向页面外，并且x轴指向右侧。在所示的构型下，交通工具处于转变阶段1，其中FIA 102通过缩回翼装置106和107减小了其浸润面积。

图10示出了图8的相对路径以及交通工具快照的俯视图。机身坐标系z轴指向页面内，并且机身坐标系y轴指向右侧。特别明显的是通过翼装置的伸缩性伸展和缩回来改变浸润面积。

图11是图8至图10所示的场景的正视图。

图12示出了处于图示了各个自由度的构型的交通工具。注意，一些或所有翼和杆装置可以在允许的角度和长度范围内独立于其他翼和杆装置旋转和伸展。

图13是图12所示的场景的侧视图。

图25是图示了计算机实现的控制***2500(例如，飞行控制***)的框图。在一些实施例中，控制***2500用于控制流体相互作用装置(例如，图1至图13的流体相互作用装置100，或图14至图24的流体相互作用的装置200)(例如，飞行器)的运动。虽然图示了某些具体特征，但是本领域技术人员将从本公开中认识到，为了简洁起见以及为了不模糊本文所公开的实施方式的更多相关方面，没有图示各种其他特征。

为此，控制***2500包括一个或多个处理单元(CPU)2502、一个或多个网络或其他通信接口2508、存储器2006、以及一个或多个用于将这些部件和各种其他部件互连的通信总线2504。通信总线2504可以包括互连***部件并控制其之间的通信的电路(有时称为芯片组)。存储器2506包括高速随机存取存储器，比如DRAM、SRAM或其他随机存取固态存储器设备；并且可以包括非易失性存储器，比如一个或多个磁盘存储设备、光盘存储设备、闪速存储器或其他非易失性固态存储设备。存储器2506(包括存储器2506内的非易失性存储器设备和易失性存储器设备)包括非易失性计算机可读存储介质。

在一些实施方式中，存储器2506或存储器2506的非暂时性计算机可读存储介质存储以下程序、模块和数据结构或其子集，包括操作***2516、网络通信模块2518和控制模块2531。

操作***1016包括用于处理各种基本***服务以及用于执行硬件相关任务的过程。

在一些实施例中，控制***2500控制在此描述的任何流体相互作用装置的运动。例如，控制***2500控制飞行器的运动，所述飞行器包括：具有纵向轴线的本体；伸缩式翼，所述伸缩式翼构造为在伸缩式翼相对于本体的周期性运动期间沿着伸缩式翼的主轴线伸展和收缩；以及支撑构件，所述支撑构件具有可旋转地联接至本体的第一端、以及可旋转地联接至伸缩式翼的相对的第二端。控制***2500包括用于对飞行器的运动进行控制的一组模块。例如，在一些实施例中，飞行器包括：第一致动器，所述第一致动器构造为在伸缩式翼相对于本体的周期性运动期间使伸缩式翼沿着伸缩式翼的翼展伸展和收缩；以及第二致动器，所述第二致动器构造为使支撑构件围绕第一旋转轴线旋转。存储器2506存储驱动一个或多个致动器(例如，包括第一致动器)以实现伸缩式翼相对于本体的周期性运动的指令。在一些实施例中，存储器2506存储驱动一个或多个致动器以实现伸缩式翼的伸展和收缩的指令。

在一些实施例中，存储器2506存储用于多种飞行模式的指令。例如，存储器2506存储垂直起降(VTOL)模块2510，所述模块具有驱动飞行器上的致动器以实现垂直起降(VTOL)飞行模式的对应指令集2510-1。另外，存储器2506存储水平巡航子模块2512，所述水平巡航子模块具有驱动致动器以实现水平巡航模式(例如，本体沿水平轨迹行进的模式)的对应指令集2512-1。在一些实施例中，在水平巡航模式下，支撑构件完全地围绕飞行器的本体旋转。在一些实施例中，存储器2506存储用于模式的指令集，在所述模式下，支撑构件并不完全地围绕飞行器的本体旋转(例如，实现翼的线性路径)。

网络通信模块2518经由一个或多个通信网络接口2508(有线的或无线的)以及一个或多个通信网络(比如通常在电传操纵和光传操纵航空电子***中使用的通信网络)促进控制***2100与其他设备(例如，致动器)之间的通信。

飞行控制(例如，使用控制模块自动生成)被转换为由一个或多个通信网络接口2508传输的电子信号。控制模块2531确定如何使致动器在各种控制表面上运动以提供预期响应。来自计算机2500的命令也被输入(例如，在飞行员不知情的情况下)以稳定飞行器并执行其他任务。

图26是用于与流体相互作用的方法2600的流程图。方法2600的一些操作(例如，运动操作2604和/或改变操作2606)可选地由计算机***(例如，图25的控制***2500)执行或控制。

方法2600包括提供(2602)流体相互作用装置，所述流体相互作用装置包括：翼，所述翼具有第一构型和第二构型(例如，与第一构型不同)，所述第一构型具有第一翼型阻力系数，所述第二构型具有小于第一翼型阻力系数的第二翼型阻力系数。所述流体相互作用装置还包括联接至翼的本体。流体相互作用装置可以是本文提供的任何流体相互作用装置(例如，流体相互作用装置100/200)。在一些实施例中，流体相互作用装置是交通工具(例如，飞行器或小船/船)。在一些实施例中，流体相互作用装置是静止的(例如，固定在地面上)。在一些实施例中，流体相互作用装置是风力涡轮机。在一些实施例中，翼是翼片、软式飞艇、螺旋桨桨叶或涡轮叶片或由其替代。

方法2600包括：使翼沿周期性路径相对于本体运动(2604)(例如，驱动)穿过流体，包括：在周期性路径的第一阶段期间使翼在第一方向上(例如，通过流体，相对于本体)运动，以及在周期性路径的第二阶段期间使翼在第二方向上(例如，通过流体，相对于本体)运动，所述第二方向具有与流体的速度平行的主要分量。第一方向和第二方向是不同的方向。在一些实施例中，第一方向与第二方向基本上相反。在一些实施例中，第一方向基本平行于第二方向。在一些实施例中，使翼沿周期性路径周期性地运动产生升力或推力。在一些实施例中，周期性路径在本体的参考坐标系中(例如，在XZ平面内)是非圆形周期性路径。在一些实施例中，周期性路径在本体的参考坐标系中(例如，在XZ平面内)是非椭圆形的。

在一些实施例中，方法2600包括使本体在方向上(例如，相对于地面或相对于风)运动。使翼相对于本体沿周期性路径周期性地运动包括使翼在与本体相同的方向(相对于地面上的静止参照物)上运动(例如，使翼运动，在与静止参照物所见的相同方向上具有主要分量)。在一些实施例中，使翼运动包括使翼相对于本体平移(例如，翼具有相对于本体的至少一个平移自由度，例如，沿着如上定义的x轴)。

在一些实施例中，周期性路径具有小于一分钟、或小于10秒、或小于1秒的周期。在一些实施例中，第二方向朝向本体的前部(例如，由流体相互作用装置的设计用途或行进方向所限定)。在一些实施例中，第一方向朝向本体的后部。

在一些实施例中，本体通过伸缩式支撑构件联接至翼。在一些实施例中，使翼相对于本体沿周期性路径周期性地运动包括使伸缩式支撑构件伸展(或收缩)(例如，伸缩式支撑构件具有伸展构型和收缩构型，并且使翼相对于本体沿周期性路径周期性地运动包括使伸缩式支撑构件从伸展构型改变为收缩构型)。

方法2600包括：使翼从在第一方向上运动时的第一构型改变(2606)(例如，变形)为在第二方向上运动时的第二构型。在一些实施例中，翼以小于一分钟、小于10秒或小于1秒的周期来周期性地从第一构型改变为第二构型。在一些实施例中，翼从第一构型改变为第二构型并再次变回的周期与翼的周期性路径的周期相同。

在一些实施例中，使翼从在第一方向上运动时的第一构型改变为在第二方向上运动时的第二构型包括：改变翼的浸润面积(例如，第一构型具有第一浸润面积，并且第二构型具有与第一浸润面积不同且小于第一浸润面积的第二浸润面积)。在一些实施例中，改变浸润面积包括改变翼的体积。例如，如上所述，在一些实施例中，翼是伸缩式翼，并且伸缩式翼的伸展/收缩改变翼的体积，这样改变了翼的浸润面积，这样改变了翼的零升阻力的等效平板阻力面积。

如本文所使用的，零升力阻力的等效平板阻力面积使用以下方程计算：

其中D₀是零升力阻力，ρ是自由流流体密度，并且U_inf是自由流流速的大小。

在一些实施例中，使翼从在第一方向上运动时的第一构型改变为在第二方向上相对于本体运动时的第二构型包括改变翼型阻力系数。翼型阻力是由桨叶(例如，翼剖面)穿过空气时的摩擦阻力引起的阻力。通常，翼型阻力不会随桨叶部分的迎角而显着变化，但是会随着空速的增加而适度增加。如本文所使用的，翼型阻力系数是指恒定的参考面积翼型阻力系数(例如，即使翼的浸润面积可能在周期性路径的周期内变化，也使用恒定的参考面积计算出的翼型阻力系数)。例如，在一些实施例中，使用以下方程来计算翼型阻力系数：

其中，S_ref是翼的合适的参考面积。例如，S_ref可以是周期性路径上的平均面积、周期性路径上的最大面积或周期性路径上的最小面积。

如上所述，随着空速(自由流流动)的增加，翼型阻力(因此翼型阻力系数)可能略有变化。然而，本公开涉及与自由流流动无关的翼型阻力系数(例如，翼的特性，而不是流体)。

另外，如本文所使用的，翼型阻力系数是指总阻力系数中不随升力系数而变的分量。因此，翼型阻力系数可以被认为是零升力阻力系数。因此，在本公开中无论在什么地方出现术语“翼型阻力”，其都可以被术语“零升力阻力”代替。在一些情况下，术语“升力”也可以被术语“推力”代替。

由于如本文所定义的在整个翼的构型改变期间参考面积是恒定的，因此翼型阻力系数与零升力阻力的等效平板阻力面积成比例。因此，在本公开中无论在什么地方出现术语“零升力阻力的等效平板阻力面积”，其都可以被术语“翼型阻力系数”代替，反之亦然。

在一些实施例中，使翼从第一构型改变为第二构型包括更改翼的取向(例如，迎角)。

在一些实施例中，改变翼的浸润面积包括：在周期性路径的第二阶段期间相对于翼的平均浸润面积减小翼的浸润面积，在此期间翼运动得比本体快(例如，朝向本体的前部运动)。在一些实施例中，改变翼的浸润面积包括：在周期的第一阶段期间相对于翼的平均浸润面积增加翼的浸润面积，在此期间翼运动得比本体慢(例如，朝向本体的后部运动)。

在一些实施例中，使翼从在第一方向上运动时的第一构型改变为在第二方向上运动时的第二构型改变了翼上的净流体力(例如，升力和阻力的向量总和)。例如，在第一阶段(例如，巡航阶段)期间，净流体力大于翼上的平均净流体力；自由流速度小于翼的平均自由流速度；并且体积、翼型阻力系数和/或浸润面积大于翼的平均体积、翼型阻力系数和/或浸润面积。类似地，在第二阶段(例如，加力阶段)期间，净流体力小于翼上的平均净流体力；自由流速度大于翼的平均自由流速度；并且体积、翼型阻力系数和/或浸润面积小于翼的平均体积、翼型阻力系数和/或浸润面积。

还应理解，尽管在一些情况下，术语“第一”、“第二”等在本文中用于描述各种元件，但是这些元件不应受到这些术语的限制。这些术语仅仅是用来将一个元件与另一个元件进行区分。例如，在不脱离所描述的各种实施方式的范围的情况下，第一翼可以被称为第二翼，并且类似地，第二翼可以被称为翼。第一翼和第二翼均为翼，但是除非明确声明，否则它们不是同一翼。

在本文中对各种所述实施方式的描述中使用的术语仅为于描述特定实施方式的目的，而并非旨在是限制性的。如在各种所述实施方式和所附权利要求的描述中所使用的，单数形式“一个”、“一种”和“所述”旨在也包括复数形式，除非上下文另外明确指示。还将理解的是，本文所使用的术语“和/或”指的是并涵盖相关联列举项目中的一个或多个的任何和所有可能组合。将进一步理解的是，当在本说明书中使用时，术语“包含”、“含有”、“包括”和/或“具有”指明了存在所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组的存在或添加。

如本文所使用的，根据上下文，术语“如果”可选地被解释为意指“当......时”或“在......后”或“响应于确定......”或“响应于检测到......”或“根据确定......”。类似地，根据上下文，短语“如果确定”或“如果检测到出于解释的目的，已经参考具体实施方式描述了上述描述。然而，以上说明性的讨论并非旨在是穷举的或将权利要求的范围限制于所公开的精确形式。鉴于以上教导，许多更改和变化都是可能的。选择这些实施方式以便最好地解释以权利要求为基础的原理及其实际应用，由此使得本领域其他技术人员能够最好地利用具有适合于预期的特定用途的各种更改的实施方式。

Claims (24)

1.一种流体相互作用装置，所述流体相互作用装置包括：

翼，所述翼具有第一构型和第二构型，所述第一构型具有第一翼型阻力系数，所述第二构型具有小于所述第一翼型阻力系数的第二翼型阻力系数；

具有纵向轴线的本体，其中，所述本体联接至所述翼，所述翼构造为沿着相对于所述本体的产生升力或产生推力的周期性路径进行周期性地运动；以及

致动器，所述致动器构造为使所述翼从所述翼沿着相对于所述本体的所述产生升力或产生推力的周期性路径在第一方向上运动时的所述第一构型改变为所述翼沿着相对于所述本体的所述产生升力或产生推力的周期性路径在第二方向上运动时的所述第二构型，所述第二方向具有与所述本体的纵向轴线平行的主要分量。

2.如权利要求1所述的流体相互作用装置，其中，所述流体相互作用装置进一步包括构造为使所述翼相对于所述本体运动的致动器。

3.如权利要求1所述的流体相互作用装置，其中，所述第一构型具有第一浸润面积，并且所述第二构型具有第二浸润面积。

4.如权利要求1所述的流体相互作用装置，其中，所述流体相互作用装置是交通工具，并且所述本体的纵向轴线基本上平行于所述交通工具的行进方向。

5.如权利要求1所述的流体相互作用装置，其中，所述流体相互作用装置是风力涡轮机，并且所述本体的纵向轴线基本上平行于风流方向。

6.如权利要求1所述的流体相互作用装置，其中，所述本体是细长的。

7.如权利要求1所述的流体相互作用装置，其中，所述本体具有泪滴形状。

8.一种交通工具，所述交通工具包括：

具有纵向轴线的本体；

伸缩式翼，所述伸缩式翼构造为在所述伸缩式翼沿着相对于所述本体的产生升力或产生推力的周期性路径周期性地运动时沿着所述伸缩式翼的翼展伸展和收缩；以及

支撑构件，所述支撑构件具有能够旋转地联接至所述本体的第一端、以及能够旋转地联接至所述伸缩式翼的第二端。

9.如权利要求8所述的交通工具，其中，所述交通工具包括：

第二本体；以及

附加支撑构件，所述附加支撑构件具有能够旋转地联接至所述本体的第一端、以及能够旋转地联接至所述第二本体的第二端。

10.如权利要求9所述的交通工具，其中，所述第二本体包括附加伸缩式翼，所述附加伸缩式翼构造为在所述附加伸缩式翼相对于所述本体的周期性运动期间沿着所述附加伸缩式翼的翼展伸展和收缩，其中，所述附加伸缩式翼的翼展基本上平行于所述伸缩式翼的翼展。

11.如权利要求8所述的交通工具，其中，所述交通工具包括：

第一致动器，所述第一致动器构造为在所述伸缩式翼相对于所述本体的周期性运动期间使所述伸缩式翼沿着所述伸缩式翼的翼展伸展和收缩；以及

第二致动器，所述第二致动器构造为使所述支撑构件围绕第一旋转轴线旋转。

12.如权利要求11所述的交通工具，其中，所述交通工具进一步包括：

计算机***，所述计算机***包括存储器和一个或多个处理器，所述存储器储存用于驱动所述第二致动器以实现所述伸缩式翼相对于所述本体的周期性运动的指令。

13.如权利要求12所述的交通工具，其中，所述存储器进一步储存用于驱动所述第一致动器以实现所述伸缩式翼的伸展和收缩的指令。

14.如权利要求13所述的交通工具，其中，所述交通工具是飞行器，并且所述存储器储存用于在多种飞行模式下驱动所述第一致动器和所述第二致动器的指令，所述多种飞行模式包括垂直起降（VTOL）飞行模式。

15.如权利要求14所述的交通工具，其中，所述多种飞行模式包括所述支撑构件完全地围绕所述交通工具的本体旋转的飞行模式。

16.如权利要求9所述的交通工具，其中：

所述支撑构件是第一伸缩式支撑构件；并且

所述附加支撑构件是第二伸缩式支撑构件。

17.如权利要求16所述的交通工具，其中，所述交通工具是飞行器，并且在预定义的操作周期期间，对所述第一伸缩式支撑构件和所述第二伸缩式支撑构件的伸展和收缩进行控制以产生所述飞行器的本体的水平巡航路径。

18.如权利要求16所述的交通工具，其中，所述交通工具包括：

第三致动器，所述第三致动器构造为在所述周期性运动期间使所述第一伸缩式支撑构件伸展和收缩；以及

第四致动器，所述第四致动器构造为在所述周期性运动期间使所述第二伸缩式支撑构件伸展和收缩。

19.一种飞行器，所述飞行器包括：

具有纵向轴线的本体；

第一伸缩式翼，所述第一伸缩式翼构造为在所述第一伸缩式翼沿着相对于所述本体的产生升力或产生推力的周期性路径周期性地运动时沿着所述第一伸缩式翼的翼展伸展和收缩，其中，所述第一伸缩式翼的翼展基本上垂直于所述本体的纵向轴线；

第一支撑构件，所述第一支撑构件具有能够旋转地联接至所述本体的第一端、以及能够旋转地联接至所述第一伸缩式翼的第二端；

第二伸缩式翼，所述第二伸缩式翼构造为在所述第二伸缩式翼沿着相对于所述本体的产生升力或产生推力的周期性路径周期性地运动时沿着所述第二伸缩式翼的翼展伸展和收缩，其中，所述第二伸缩式翼的翼展基本上垂直于所述本体的纵向轴线；以及

第二支撑构件，所述第二支撑构件具有能够旋转地联接至所述本体的第一端、以及能够旋转地联接至所述第二伸缩式翼的第二端。

20.一种流体相互作用方法，所述方法包括：

提供流体相互作用装置，所述流体相互作用装置包括：

翼，所述翼具有第一构型和第二构型，所述第一构型具有第一翼型阻力系数，所述第二构型具有小于所述第一翼型阻力系数的第二翼型阻力系数；以及

联接至所述翼的本体；以及

使所述翼沿相对于所述本体的产生升力或产生推力的周期性路径运动穿过流体，包括在所述产生升力或产生推力的周期性路径的第一阶段期间使所述翼在第一方向上运动、以及在所述产生升力或产生推力的周期性路径的第二阶段期间使所述翼在第二方向上运动，所述第二方向具有与所述流体的速度平行的主要分量；

使所述翼从在所述第一方向上运动时的所述第一构型改变为在所述第二方向上运动时的所述第二构型。

21.如权利要求20所述的方法，其中，使所述翼从在所述第一方向上运动时的所述第一构型改变为在所述第二方向上运动时的所述第二构型包括改变所述翼的浸润面积。

22.如权利要求21所述的方法，其中，改变所述浸润面积包括改变所述翼的体积。

23.如权利要求22所述的方法，其中，使所述翼沿所述周期性路径周期性地运动包括使所述翼以小于一分钟的周期进行周期性运动。

24.一种流体相互作用装置，所述流体相互作用装置包括：

翼；

联接至所述翼的本体；以及

致动器，所述致动器构造为使所述翼沿着相对于所述本体的产生升力或产生推力的周期性路径进行周期性地运动，其中：

所述翼在所述产生升力或产生推力的周期性路径内的运动方向在与所述翼的翼展垂直的平面内；并且

所述产生升力或产生推力的周期性路径是线性路径或8字形路径之一。

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