CN101028868A - 无人轮翼飞机 - Google Patents

Abstract

本发明的名称为无人轮翼飞机，所属的技术领域是(B64C)飞机；直升飞机。发明了一种具有新型升力和推力系统的无人小型飞机，称为无人轮翼飞机。轮翼是由安装在一个旋转轮子上的许多小翼片组成，这些小翼片在随轮子一起转动时，可以自动改变其相对气流的姿态，使整个轮翼只会产生有效的向上升力和向前推力。其结构简单、性能可靠，即使是小尺度的轮翼也具有较高的工作效率，非常适合用于小型和微型飞机的研制。装有四个轮翼的小型无人飞机，通过遥控轮翼的转速以及机身前部轮翼向两侧方向的转动，可以实现飞机的加速或减速、上升或下降以及向两侧的转弯飞行。

Description

无人轮翼飞机

一.技术领域

本发明所属技术领域为，(B64C)飞机；直升飞机

二.背景技术

小型或微型无人飞行器，在国防和民用领域都有很重要的意义。长期以来，国内外都在进行大量相关的研究。

我们都知道，飞机必须有足够的升力来克服飞机自身的重力。同时，飞机也必须有足够的推力来克服飞机遇到的阻力，从而使飞机能保持在一定的高度上向前飞行。现代的大中型飞机，大多采用螺旋桨发动机和喷气发动机作为推进器。螺旋桨发动机用其高速旋转的翼片向后快速推动气流，使飞机产生向前的推力。喷气发动机使进入进气道的气流通过高温高压的燃烧室，再由喷管加速向后喷出，从而使飞机得到强大的推力。只有当飞机具有一定的向前飞行速度时，在其固定的机翼上才能产生足够的升力。正是因为如此，固定翼飞机需要在较长的加速跑道上起飞。喷气发动机具有极其复杂得结构，其小型化甚至微型化加工制造比较困难。同时空气动力学的研究结果表明，小尺度的螺旋桨，具有较低的工作效率。由于需要有高效率的小型推进器，因此非常困难使这样具有固定机翼的飞机小型化甚至微型化。现有的直升飞机都采用螺旋桨式的旋翼，同时提供飞行所需的升力和推力。在旋翼有足够的转速时，旋翼上就可以产生使飞机垂直起飞的升力。因此，要使直升飞机小型化，也同样面临如何提高小型旋翼工作效率的问题。

人们一直在追求能像鸟一样地自由飞行，进行了各种各样的扑翼飞行器研究。然而，到目前为止，还没有较为成熟的扑翼飞行器能得到广泛的应用。像鸟类和飞虫的翅膀一样，主要以上下快速地摆动翼面来提供飞行所需升力和推力的扑翼比较适合应用于小型飞行器。然而研制小型扑翼飞行器，其主要困难在于如何加工制造、并灵活控制像鸟类或飞虫翅膀一样的扑翼。空气动力学研究发现，当翼面加速向下摆动时能产生很大的升力，而当翼面加速向上回返摆动时，将有较大的负升力产生。因此，只靠简单的机翼上下摆动，很难得到足够克服飞机重力的升力。鸟类及飞虫在飞行时，其翅膀的摆动方式极其复杂。到目前为止，空气动力学研究还未能完全揭示鸟类及飞虫能够进行如此高效率扑翼飞行的气动机理。从而，制造仿生小型扑翼飞行器就显得非常困难。

三.发明内容

本专利发明人经过长期的空气动力学研究，发明了一种具有新型升力和推力系统的无人小型飞机，称为无人轮翼飞机。轮翼是由安装在一个旋转轮子上的许多小翼片组成，这些小翼片在随轮子一起转动时，可以自动改变其相对气流的姿态，使整个轮翼只会产生有效的向上升力和向前推力。其结构简单、性能可靠，即使是小尺度的轮翼也具有较高的工作效率，非常适合用于小型和微型飞机的研制。装有4个轮翼的小型飞机，就像是一台可以垂直起降并能在空中飞行的小型汽车。一个完整的轮翼由多个基本配件组成，以下就各个配件的结构及其工作原理进行分析说明。

1.翼片、翼帘

就像飞鸟的羽毛，由轻便高强度复合材料制成的细长矩形小薄片，称为翼片。翼片上固连的转轴与矩形薄片的长边平行，并位于中线位置上。用4条相同的细绳，以相同的方式将若干个(5片以上)相同翼片的4个对应角点顺序连接，使两两翼片平行且之间的距离都相等，其距离长度略小于细长矩形翼片的宽度(比如为宽度的96％左右)。这样一串像百叶窗帘的翼片组，称为翼帘。

2.支杆、翼面和翼栅

用两条相同的细长平行支杆，在4条细绳都伸展的翼帘两侧，与所有翼片的转轴相连。就像一面旗帜的旗杆，细长支杆的顶端与翼帘第一片翼片相齐，支杆的尾端超出翼帘2至3个翼片宽度。每个翼片受支杆的支撑和约束，使其能而且只能绕各自的转轴在90度角(与支杆平行至垂直)的范围内来回自由地转动。由于上述4条细绳的牵引，任何时候翼帘上所有的翼片都将保持相互平行。当翼片与支杆平行时，由于翼片转轴之间的距离刚好小于翼片宽度，所有翼片就形成一个没有缝隙完全闭合的整体翼面。当翼片与支杆垂直时，所有翼片就形成一个完全开启的翼栅。

3.翼片转动控制齿轮

在翼帘一边支杆的外侧，靠近支杆尾端的某个翼片的转轴上固连一齿轮，当齿轮转动时翼片随其一起转动。该齿轮称为翼片转动控制齿轮，可以用来控制翼帘的开启和闭合。由于4条细绳的牵引，所有翼片将随翼片转动控制齿轮一起转动。由于支杆对翼片的约束限制，翼片转动控制齿轮也只能在90度角的范围内来回转动。

将支杆沿垂直上下方向放置并旋转翼片使其与支杆成90度夹角，这时两个相互垂直的平面(与齿轮相固连的翼片平面以及所有翼片转轴所在的平面)就将该齿轮以90度角分为4个部分，顺时针地称为右上、右下、左下及左上部分。在该齿轮的上述4个部分，分别设置不同的半径长度及齿牙分布。右上部分半径长度最大并分布有齿牙，左下部分半径长度较小也分布有齿牙，而右下和左上部分无齿牙分布，其半径长度相同而且最小。

4.轮翼

将若干个(一般采用4个)相同翼帘的两侧支杆尾端固连在同一个转轴上，翼帘沿周向以均匀的角度分布并能随转轴一起转动。这样一个组合了多个翼帘的轮子，称为轮翼。

以上下垂直方向以及左右水平方向，将轮翼转角区间分为90度角的4个不同部分，顺时针地称为右上、右下、左下及左上部分。简单的空气动力学分析可以发现，当一个完全闭合的翼面绕其转轴顺时针匀速转动时，在上述的右下转角范围内翼面上能产生有效的向上升力和向前(右方)推力。而且，升力和推力将随转速的增加而增大。然而，在其它的转角范围内，会产生向下的负升力(在左下及左上转角部分)或向左的阻力(在左上及右上转角部分)。对于匀速转动的完全开启的翼栅，在任何转角范围内气流基本上都可以平行翼片地通过翼栅，因此几乎不会产生任何负升力和阻力。

轮翼就是要实现翼帘在绕顺时针方向转动的过程中翼面与翼栅状态之间的自动转换，并使翼帘在右下部分的转角范围内保持为完全闭合的翼面状态，而在其它大部分转角范围内保持为完全开启的翼栅状态。这样，在匀速转动的轮翼上只会有升力和推力产生。

5.翼片转动导引齿轮

为了实现翼帘在随轮翼顺时针转动时由翼栅到翼面以及又由翼面到翼栅的自动转换，在轮翼靠近机身的一侧，位于翼片转动控制齿轮的同一平面内，安置不随轮翼转动(相对机身固定)的翼片转动导引齿轮。作为轮翼的一个重要组成部分，导引齿轮由两部分组成，用来驱动翼片转动控制齿轮。

导引齿轮的一部分是小于45度角的部分内齿轮(齿牙沿径向指向齿轮中心)，其齿牙分布个数及圆周长度等于(或略大于)翼片转动控制齿轮上半径较大齿轮部分的齿牙个数及圆周长度。其中心位于轮翼轴心，其半径长度刚好能使其与翼片转动控制齿轮中半径长度最大齿轮部分相齿合，并安置于轮翼转角区的右上部分且紧靠右下部分的转角范围内。当轮翼绕顺时针方向转动时，对于每一个经过这一转角范围的完全开启的翼栅，其上的翼片转动控制齿轮都会在该部分导引齿轮的驱动下刚好绕逆时针方向旋转90度角，从而使翼栅随轮翼的转动逐渐闭合并自动形成一个完全闭合的翼面。

与之相反，导引齿轮的另一部分是小于45度角的部分外齿轮(齿牙沿径向指向齿轮外沿)，其齿牙分布个数及圆周长度等于(或略大于)翼片转动控制齿轮上半径长度较小齿轮部分的齿牙个数及圆周长度。同样，其中心位于轮翼轴心，其半径长度刚好能使其与翼片转动控制齿轮中半径长度较小齿轮部分相齿合，并安置于轮翼转角区的左下部分且紧靠右下部分的转角范围内。当轮翼绕顺时针方向转动时，对于每一个经过这一转角范围的完全闭合的翼面，其上的翼片转动控制齿轮都会在该部分导引齿轮的驱动下刚好绕顺时针方向旋转90度角，从而使翼面随轮翼的转动逐渐开启并自动形成一个完全开启的翼栅。

由于翼片是转轴位于中线的细长矩形薄片，作用在翼片上相对于其转轴的气动力矩都比较小。因此，导引齿轮可以用较小的驱动力矩来驱动翼片转动控制齿轮，使翼帘自动改变其状态。同时，在翼帘的状态改变过程中，由翼片绕其自身转轴转动所引起的气动力变化对飞机整体升力和推力并无太大的影响。

6.翼片转动控制开关

在上述无翼片转动导引齿轮分布的转角区间内，翼片转动控制齿轮处于无控制状态。在气流的作用下，可能会自由转动，从而使轮翼丧失只产生有效升力和推力的功效。为了使顺时针转动的翼帘在所需的转角区间内，能够保持其翼栅或翼面状态不变，在轮翼上安装翼片转动控制开关。

在翼片转动控制齿轮靠近支杆的侧面上，刻制两条(或多条)分别平行和垂直翼片的小沟壕。在该支杆的一侧，安置一条尾端固连在支杆上的弹性小金属条，其固连点位于支杆上紧靠轮翼转轴的位置。该弹性金属条由弹力驱动，使其前端部分紧压在翼片转动控制齿轮的侧面上。当翼帘状态为翼面或翼栅时(翼片与支杆垂直或平行)，该金属条的前端正好嵌于翼片转动控制齿轮侧面上的小沟壕内。这样，翼片转动控制齿轮无法转动，从而保持翼帘状态不会改变。

在该金属条上靠近轮翼转轴的位置上，安装一个能绕该金属条自由转动的小轮。当翼帘转动时，该小轮的运动轨迹形成一个圆心在轮翼转轴的圆周。在翼片转动导引齿轮分布的两个转角区间内并位于该小轮运动轨迹的圆周上，使导引齿轮的侧面向支杆方向凸起，小轮只有在通过这两个区间时能与凸起的翼片转动导引齿轮相接触，并且能在其侧面上滚动通过该区间。能够滚动的小轮，可以减少由于摩擦产生的能量损失。这时，金属条被凸起的导引齿轮侧面向翼帘方向挤压，使其前端自动抬起并脱离翼片转动控制齿轮侧面的沟壕，从而翼片转动控制齿轮能够在导引齿轮的驱动下自由转动。

由气动分析可以知道，对于顺时针方向转动的翼面，作用在其大多数单个翼片上相对于自身转轴的气动力矩相对较小且为逆时针方向。由这样的力矩作用以及细绳的牵引，所有翼片有向逆时针方向转动的趋势，但由于翼帘支杆的限制使其只能保持与支杆平行的姿态。因此，翼面是翼帘在顺时针转动时相对平衡且稳定的状态。这时嵌于翼片转动控制齿轮侧面上沟壕内的弹性金属条，可以确保翼面即使是有扰动存在时都不会被气流打开。对于顺时针方向转动的翼栅，气流基本上平行于翼片平面，翼片处于不稳定的相对平衡状态。因此，弹性金属条可以用很小的力矩来维持翼片的平衡并限制翼片转动控制齿轮的转动，从而保持翼栅不会被气流关闭。

四.具体实施方式

一个完整的小型轮翼飞机包括机身、前后轮翼对、前轮翼对转向控制器、前后轮翼对驱动马达、电池以及飞机遥控装置。

机身由高强度轻型材料制成，相对于机身的中间垂直平面两侧对称，是其他部件的载体。由安装在同一转轴两端的具有相同转角分布的两个相同轮翼构成一组，称为轮翼对。其位于机身前部的称为前轮翼对，位于机身后部的称为后轮翼对。当机身水平放置时，以重力方向为垂直上下方向，机身前后方向为水平右左方向，相同地设置前后轮翼对绕顺时针方向转动的转角区间分布，使所有轮翼具有相同的(向上)升力和(向右)推力方向。

前轮翼对转向控制器水平地连接与机身前部，由内部一个微型马达驱动，可绕其垂直方向转轴在机身水平面内向机身两侧(在一定的对称转角范围内)来回地转动。前轮翼对的转轴水平地安置在其转向控制器上，因此可以随转向控制器在水平面内向机身两侧来回转动方向。当转向控制器处于无方向转动的状态时，前轮翼对的转轴垂直于机身垂直对称面。后轮翼对的转轴水平地与机身后部相连，其转轴始终保持垂直于机身的垂直对称面。

分别在前后轮翼对各自的转轴上安装各自的驱动马达，使轮翼都可以绕其各自转轴在机身两侧外，以相同的顺时针方向旋转。调整飞机结构在机身垂直对称面两侧对称地分布，并使飞机重心位于平均升力和推力的中心位置。飞机由可充电高能电池提供能源，用来驱动前后轮翼对的驱动马达。

遥控装置采用短波无线编码通讯技术，用来控制前后轮翼对驱动马达的转速，以及前轮翼对转向控制器的转动方向。通过控制轮翼对驱动马达的转速增大或减小，就可以增大或减小飞机的升力和推力，从而实现对飞机的升高或降低以及飞行速度的增大或减小的控制。通过控制前轮翼对转向控制器向机身两侧的转动，就可以改变前轮翼对的水平推力方向，从而产生使飞机向机身两侧转动的力矩，实现飞机向机身两侧的转弯飞行。抬起机身前部，使机身与重力方向成45度角，相同转速的前后轮翼对所产生的升力和推力的合力就与重力方向重合。这时，同时增大或减小前后轮翼对的转速，就可以实现轮翼飞机的垂直上升或下降。

Claims (2)

1.轮翼是一种新型的飞机升力和推力系统，由安装在一个旋转轮子上的许多小翼片组成，这些小翼片在随轮子一起转动时，可以自动改变其相对气流的姿态，使整个轮翼只会产生有效的向上升力和向前推力。

2.装有四个轮翼的小型无人飞机，通过遥控轮翼的转速以及机身前部轮翼向两侧方向的转动，可以实现飞机的加速或减速、上升或下降以及向两侧的转弯飞行。