CN101898635A - 基于马格努斯效应的涵道单螺旋桨飞行器 - Google Patents

Abstract

基于马格努斯效应的涵道单螺旋桨飞行器，它涉及一种涵道单螺旋桨飞行器。本发明为了解决现有的现有的共轴双螺旋桨无人飞行器存在安全性差、结构复杂、而且不易实现各种飞行动的控制的问题。技术要点：所述舵机涵道(I)、气流调整涵道(II)和动力涵道(III)三个涵道依次连通，动力装置(3)用于在动力涵道(III)内产生螺旋形空气流，气流调整装置(2)用于将动力涵道(III)中的螺旋形空气流转换为垂直喷射形空气流，在舵机涵道(I)中已被调整的垂直喷射形空气流在空芯轮(11)的侧表面上产生马格努斯效应力。本发明以空芯轮旋转时所产生的马格努斯效应力作为控制输入，进而实现各种飞行动作的飞行器，具有结构简易紧凑、低能耗、安全、动作灵活等优点。

Description

基于马格努斯效应的涵道单螺旋桨飞行器

技术领域

本发明涉及一种涵道单螺旋桨飞行器，具体涉及一种基于马格努斯效应的涵道单螺旋桨飞行器，属于飞行器技术领域。

背景技术

目前，共轴双螺旋桨无人飞行器由于采用了两副螺旋桨，在相同约束条件下，螺旋桨半径仅为单旋翼飞行器的70％。由于机身包括在桨盘面积范围之内，总体纵向尺寸仅为单螺旋桨带尾翼飞行器的60％左右，因此减少了俯仰和偏航的转动惯量。以上的结构特点说明共轴双螺旋桨飞行器的航向的操纵性能优于单螺旋桨带尾翼飞行器。但这是一种采用两个独立的动力装置或者采用复杂的航向操纵系统、复杂的机械传动系统为代价的设计，同时高速旋转的螺旋桨对地面人员是致命的威胁，高速旋转的桨叶还很容易碰到物体而产生飞行事故，造成的50％左右飞行事故在起飞和着陆时发生。总之，现有的共轴双螺旋桨无人飞行器存在安全性差、结构复杂、而且不易实现各种飞行动作的控制等问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于马格努斯效应的涵道单螺旋桨飞行器，以解决现有的共轴双螺旋桨无人飞行器存在安全性差、结构复杂、而且不易实现各种飞行动作的控制的问题。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：本发明所述的基于马格努斯效应的涵道单螺旋桨飞行器舵机装置、气流调整装置、动力装置和飞行器壳体；所述飞行器壳体包括外圆筒，所述舵机装置、气流调整装置以及动力装置由下至上设置并沿轴向对中安装在所述外圆筒上(即舵机装置、气流调整装置以及动力装置三者的中心线与外圆筒的轴线重合)；

所述舵机装置由四个舵机单元构成，每个舵机单元包括空芯轮和马达；所述四个舵机单元沿外圆筒的圆周方向均布设置，四个空芯轮均置于外圆筒的内腔中，四个马达均安装在外圆筒的外侧壁上(即四个马达均位于外圆筒的外部)，每个马达的输出轴上安装有一个空芯轮；

所述气流调整装置由多个栅板构成，所述多个栅板沿外圆筒内壁的圆周方向均布设置在外圆筒的内腔中，所述多个栅板形成的轮廓形状是与外圆筒同轴的圆筒体，每个栅板的板面与外圆筒的回转曲面(旋转曲面)产生的相贯线与外圆筒的轴线平行；

与舵机装置所在位置对应的外圆筒下部空腔为舵机涵道，与气流调整装置所在位置对应的外圆筒中部空腔为气流调整涵道，与动力装置所在位置对应的外圆筒上部空腔为动力涵道，所述舵机涵道、气流调整涵道和动力涵道三个涵道依次连通，动力装置用于在动力涵道内产生螺旋形空气流，气流调整装置用于将动力涵道中的螺旋形空气流转换为垂直喷射形空气流，在舵机涵道中已被调整的垂直喷射形空气流在空芯轮的侧表面上产生马格努斯效应力。

本发明的有益效果是：

本发明属于无人飞行器，由用于安装四个空芯轮的舵机涵道、对螺旋桨的反作用扭矩起到抑制作用的同时把螺旋形空气流转换为垂直喷射形空气流的气流调整涵道、装有螺旋桨的动力涵道构成，是一种以空芯轮旋转时所产生的马格努斯效应力作为控制输入，进而实现各种飞行动作的飞行器。本发明具有结构简易紧凑、低能耗、安全、动作灵活等优点。适合于反恐侦查、空中摄影等应用领域。本发明通过气流调整涵道内的多个栅板把动力涵道中螺旋桨引起的螺旋形空气流转换成垂直喷射形空气流，并且对螺旋桨旋转时所产生的反作用扭矩起到抑制作用。最终，这一垂直喷射形空气流，在舵机涵道中的空芯轮表面上，产生一种用于飞行控制的马格努斯效应力。本发明具备了与传统共轴双螺旋桨无人飞行器相同的飞行功能。

本发明的具体优点主要表现在以下几个方面：

1、机动性强，高效的马格努斯效应力保证了飞行过程中各种动作实现；

2、工作可靠，复合涵道结构显著改善了涵道内不确定空气紊流的影响；

3、高安全性，涵道螺旋桨设计对飞行器飞行和人员的安全大有改善；

4、飞行效率高，并节省燃料，构造简单，维护简便，经济实用；

5、结构紧凑，可在任何地方垂直起降、悬停、盘旋。

根据以上的优点，本发明可以在在民用和军事应用中，作为一种高效辅助手段，执行人类本身无法完成的各种棘手任务。如：战术控制站、军事侦察、反恐作战、汛情监测、高压电网故障监测、空中摄影、广告宣传、通信中继等领域中。本发明对节省任务执行成本，保证人身安全，以及提高任务执行的效率、可靠性、准确度等方面具有实际意义。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图(虚线圆A和虚线圆B是两个假想圆，将飞行器壳体的内部空腔由下至上分成舵机涵道I、气流调整涵道II和动力涵道III；为了图更加清晰，沿周向布置的栅板21只画出一部分)；图2是本发明的立体结构示意图(图中画出了起落架5等)；图3是本发明的主视图(虚线箭头代表气流)；图4是图3的仰视图；图5是舵机涵道仰视图；图6是气流调整涵道仰视图；图7是动力涵道仰视图；图8是本发明在自旋模式下舵机涵道内部空芯轮旋转运动、马格努斯力、转矩示意图；图9是本发明在转弯模式下舵机涵道内部空芯轮旋转运动、马格努斯力、转矩示意图；图10是本发明在平移模式下舵机涵道内部空芯旋转运动、马格努斯力、转矩示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1～10所示，本实施方式所述的基于马格努斯效应的涵道单螺旋桨飞行器包括舵机装置1、气流调整装置2、动力装置3和飞行器壳体4；所述飞行器壳体4包括外圆筒41，所述舵机装置1、气流调整装置2以及动力装置3由下至上设置并沿轴向对中安装在所述外圆筒41上(即舵机装置1、气流调整装置2以及动力装置3三者的中心线与外圆筒41的轴线重合)；

所述舵机装置1由四个舵机单元构成，每个舵机单元包括空芯轮11和马达12；所述四个舵机单元沿外圆筒41的圆周方向均布设置，四个空芯轮11均置于外圆筒41的内腔中，四个马达12均安装在外圆筒41的外侧壁上(即四个马达12均位于外圆筒41的外部)，每个马达12的输出轴上安装有一个空芯轮11；

所述气流调整装置2由多个栅板21构成，所述多个栅板21沿外圆筒41内壁的圆周方向均布设置在外圆筒41的内腔中，所述多个栅板21形成的轮廓形状是与外圆筒41同轴的圆筒体，每个栅板21的板面与外圆筒41的回转曲面(旋转曲面)产生的相贯线与外圆筒41的轴线平行；

与舵机装置1所在位置对应的外圆筒41下部空腔为舵机涵道I，与气流调整装置2所在位置对应的外圆筒41中部空腔为气流调整涵道II，与动力装置3所在位置对应的外圆筒41上部空腔为动力涵道III，所述舵机涵道I、气流调整涵道II和动力涵道III三个涵道依次连通，动力装置3用于在动力涵道III内产生螺旋形空气流，气流调整装置2用于将动力涵道III中的螺旋形空气流转换为垂直喷射形空气流，在舵机涵道I中已被调整的垂直喷射形空气流在空芯轮11的侧表面上产生马格努斯效应力。

基于马格努斯效应(Magnus Effect)，以他的发现者马格努斯命名，是一个流体力学当中的现象，是一个在流体中转动的物体(如圆柱体)受到的力，当一个旋转物体的旋转角速度矢量与物体飞行速度矢量不重合时，在与旋转角速度矢量和平动速度矢量组成的平面相垂直的方向上将产生一个横向力。在这个横向力的作用下物体飞行轨迹发生偏转的现象称作马格努斯效应。

具体实施方式二：如图1～4所示，本实施方式所述动力装置3由螺旋桨31、动力源32和机架33构成，所述动力源32通过机架33固定在外圆筒41的上端，螺旋桨31安装在动力源32的驱动轴上，动力源32的驱动轴带动螺旋桨31旋转，动力源32驱动轴的轴线与外圆筒41的轴线重合。动力源32驱动轴(旋转轴)的末端位置处在所述飞行器的总质心点6的正上方，以保证飞行姿态稳定性。螺旋桨固定在旋转轴末端。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：如图1～4所示，本实施方式所述飞行器壳体4还包括内圆筒42，所述内圆筒42同轴设置在外圆筒41的内腔中，所述内圆筒42位于动力装置3的下方，所述内圆筒42的下端面与外圆筒41的下端面齐平；所述多个栅板21设置在内圆筒42和外圆筒41之间的环形区域内。设置内圆筒42可进一步确保将螺旋形空气流转换为垂直喷射形空气流。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：如图2～4所示，本实施方式所述飞行器壳体4还包括两片薄形板43，所述两片薄形板43呈十字形设置在舵机涵道I内，且所述两片薄形板43将内圆筒42、外圆筒41之间的环形区域等分成四部分，每个空芯轮11位于四分之一环形区域的中部。如此设置，可使垂直喷射形空气流等分成四部分，进而在每个空芯轮表面上产生的马格努斯效应力相等。其它组成及连接关系与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：如图1～4所示，本实施方式所述舵机装置1中的每个舵机单元还包括马达轴承13，四个马达轴承13均对应地安装在内圆筒42的侧壁上，每个马达12输出轴的端部安装在一个马达轴承13上。设置马达轴承13可使马达12运行稳定，减少磨擦。其它组成及连接关系与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：如图2～4所示，本实施方式所述飞行器包括起落架5，所述起落架5位于飞行器壳体4的下方并与飞行器壳体4的外圆筒41固接。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、四或五相同。

具体实施方式七：如图2～4所示，本实施方式所述多个栅板21的具体数量为8～16个。其它组成及连接关系与具体实施方式六相同。

以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制，凡采用等同变换或者是等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

工作原理：舵机涵道、气流调整涵道、动力涵道构成了复合式飞行器涵道，气流调整涵道对螺旋桨旋转时所产生的反作用扭矩起到抑制作用，并且把动力涵道中的螺旋形空气流转换为垂直喷射形空气流，舵机涵道中已被调整的垂直喷射形空气流在空芯轮表面上产生马格努斯效应力，也就是，由于空气流在空芯轮表面上的粘性摩擦力作用，导致空芯轮一侧空气压力增大、另一侧空气压力减小，产生一个用于控制输入的水平拉力。

实施例：下面结合附图对本发明的运行方式及如何实现发明目的做进一步阐述：

实施例1：

由图1～图7可知，飞行器涵道是由舵机涵道I、气流调整涵道II、动力涵道III组成的复合涵道，气流调整涵道II对螺旋桨31旋转时所产生的反作用扭矩起到抑制作用，并且把动力涵道III中的螺旋形空气流转换为垂直喷射形空气流，舵机涵道I中已被调整的垂直喷射形空气流在空芯轮11表面上产生马格努斯效应力，也就是，由于空气流在空芯轮11表面上的粘性摩擦力作用，导致空芯轮11一侧空气压力增大、另一侧空气压力减小，产生一个用于控制输入的水平拉力F。

对于单位长度的空芯论，其水平拉力F满足数学式1，

F＝ρGV                      (数学式1)

其中，ρ为空气密度，V为空气流速，G为涡流强度。

在数学式1中，涡流强度G满足数学式2，

G＝2πωr²                    (数学式2)

其中，π为圆周率，r为空芯轮半径，ω为空芯轮旋转角速度。

实施例2：

由图8可知，当舵机涵道I中纵向排列的一对空芯轮和横向排列的一对空芯论，各自以相同的旋转角速度大小ω，反方向旋转时，围绕几何中心点“0”，产生大小为T的扭矩，此扭矩使飞行器自旋，其中，F为如前所述的水平力，即马格努效应力。

由图9可知，当舵机涵道I中纵向排列的一对空芯轮，以相同的旋转角速度大小ω，同方向旋转，舵机涵道I中横向排列的一对空芯轮，以相同的旋转角速度大小ω，反方旋转时，围绕几何中心点“0”，产生大小为T/2的扭矩，并沿着横向轴，产生大小为2F的水平拉力，其中，水平拉力使飞行器发生姿态倾斜，导致飞行器空中平移，扭矩使飞行器自旋。

由图10可知，当舵机涵道I中纵向排列的一对空芯轮，以相同的旋转角速度大小ω₁，同方向旋转，舵机涵道I中横向排列的一对空芯轮，以相同的旋转角速度大小ω₂，同方向旋转时，沿着纵向轴，产生大小为F₁的水平拉力，沿着横向轴，产生大小为F₂的水平拉力，其合力大小为F_c，它使飞行器发生姿态倾斜，导致飞行器空中平移。

Claims (7)

1.一种基于马格努斯效应的涵道单螺旋桨飞行器，其特征在于：所述飞行器包括舵机装置(1)、气流调整装置(2)、动力装置(3)和飞行器壳体(4)；所述飞行器壳体(4)包括外圆筒(41)，所述舵机装置(1)、气流调整装置(2)以及动力装置(3)由下至上设置并沿轴向对中安装在所述外圆筒(41)；

所述舵机装置(1)由四个舵机单元构成，每个舵机单元包括空芯轮(11)和马达(12)；所述四个舵机单元沿外圆筒(41)的圆周方向均布设置，四个空芯轮(11)均置于外圆筒(41)的内腔中，四个马达(12)均安装在外圆筒(41)的外侧壁上，每个马达(12)的输出轴上安装有一个空芯轮(11)；

所述气流调整装置(2)由多个栅板(21)构成，所述多个栅板(21)沿外圆筒(41)内壁的圆周方向均布设置在外圆筒(41)的内腔中，所述多个栅板(21)形成的轮廓形状是与外圆筒(41)同轴的圆筒体，每个栅板(21)的板面与外圆筒(41)的回转曲面产生的相贯线与外圆筒(41)的轴线平行；

与舵机装置1所在位置对应的外圆筒(41)下部空腔为舵机涵道(I)，与气流调整装置(2)所在位置对应的外圆筒(41)中部空腔为气流调整涵道(II)，与动力装置(3)所在位置对应的外圆筒(41)上部空腔为动力涵道(III)，所述舵机涵道(I)、气流调整涵道(II)和动力涵道(III)三个涵道依次连通，动力装置(3)用于在动力涵道(III)内产生螺旋形空气流，气流调整装置(2)用于将动力涵道(III)中的螺旋形空气流转换为垂直喷射形空气流，在舵机涵道(I)中已被调整的垂直喷射形空气流在空芯轮(11)的侧表面上产生马格努斯效应力。

2.根据权利要求1所述的基于马格努斯效应的涵道单螺旋桨飞行器，其特征在于：所述动力装置(3)由螺旋桨(31)、动力源(32)和机架(33)构成，所述动力源(32)通过机架(33)固定在外圆筒(41)的上端，螺旋桨(31)安装在动力源(32)的驱动轴上，动力源(32)的驱动轴带动螺旋桨(31)旋转，动力源(32)驱动轴的轴线与外圆筒(41)的轴线重合。

3.据权利要求1或2所述的基于马格努斯效应的涵道单螺旋桨飞行器，其特征在于：所述飞行器壳体(4)还包括内圆筒(42)，所述内圆筒(42)同轴设置在外圆筒(41)的内腔中，所述内圆筒(42)位于动力装置3的下方，所述内圆筒(42)的下端面与外圆筒(41)的下端面齐平；所述多个栅板(21)设置在内圆筒(42)和外圆筒(41)之间的环形区域内。

4.据权利要求3所述的基于马格努斯效应的涵道单螺旋桨飞行器，其特征在于：所述飞行器壳体4还包括两片薄形板(43)，所述两片薄形板(43)呈十字形设置在舵机涵道(I)内，且所述两片薄形板(43)将内圆筒(42)、外圆筒(41)之间的环形区域等分成四部分，每个空芯轮(11)位于四分之一环形区域的中部。

5.据权利要求4所述的基于马格努斯效应的涵道单螺旋桨飞行器，其特征在于：所述舵机装置(1)中的每个舵机单元还包括马达轴承(13)，四个马达轴承(13)均对应地安装在内圆筒(42)的侧壁上，每个马达(12)输出轴的端部安装在一个马达轴承(13)上。

6.据权利要求1、2、4或5所述的基于马格努斯效应的涵道单螺旋桨飞行器，其特征在于：所述飞行器包括起落架(5)，所述起落架5位于飞行器壳体(4)的下方并与飞行器壳体(4)的外圆筒(41)固接。

7.据权利要求6所述的基于马格努斯效应的涵道单螺旋桨飞行器，其特征在于：所述多个栅板(21)的具体数量为8～16个。

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