CN101985310B - 旋翼机旋翼头结构及其旋翼机和旋翼机垂直起飞控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋翼机旋翼头结构，包括竖直设置的支撑杆、可转动设置于支撑杆上的支撑座、横向连接在支撑座内的旋翼连接杆，其特点在于，所述旋翼连接杆靠轴承可转动地连接在支撑座上，所述支撑座上设置有变速器和相连接的步进电机，变速器的输出轴竖向延伸入支撑座内并在端头设置有锥齿轮，所述旋翼连接杆位于支撑座内的一端设置有锥齿与所述锥齿轮啮合。本发明还公开了基于该旋翼头结构的一种旋翼机，以及一种旋翼机垂直起飞控制方法。本发明可以实现旋翼机的垂直起飞，增强了旋翼机的飞行稳定性和安全性。

Description

旋翼机旋翼头结构及其旋翼机和旋翼机垂直起飞控制方法

技术领域

本发明涉及飞行器中的旋翼机领域，特别涉及旋翼机的旋翼头结构。

背景技术

旋翼机，是一种利用前飞时的相对气流吹动旋翼自转以产生升力的旋翼航空器。它的前进力由发动机带动螺旋桨直接提供。普通的旋翼机必须滑跑加速才能起飞。

乍一看，旋翼机和直升机简直一模一样：它们头顶都有一副大直径的旋翼，在飞行中依靠旋翼的旋转产生升力。但是除去这些表面上的一致性，旋翼机和直升机却是两种完全不同的飞机。 旋翼机实际上是一种介于直升机和飞机之间的飞行器，它除去旋翼外，通常还带有一副螺旋桨以提供前进的动力，一般也装有较小的机翼在飞行中提供部分升力。普通旋翼机与直升机的最大区别是，旋翼机的旋翼不与发动机传动系统相连，发动机不是以驱动旋翼为飞机提供升力，而是在旋翼机飞行的过程中，由前方气流吹动旋翼旋转产生升力，象一只风车；而直升机的旋翼与发动机传动系统相连，既能产生升力，又能提供飞行的动力，象一台电风扇。由于旋翼为自转式，传递到机身上的扭矩很小，因此旋翼机无需单旋翼直升机那样的尾桨，但是一般装有尾翼，以控制飞行。 

旋翼机的优点在于，由于旋翼机的旋翼旋转的动力是由飞机前进而获得。万一发动机在空中停车螺旋桨不转了，此时旋翼机据惯性继续维持前飞，并逐渐减低速度和高度，就在这高度下降的同时，也就 有了自下而上的相对气流，旋翼就能可自转提供升力。这样，旋冀机便可凭飞行员的操纵安全地滑翔降落。即使在行员不能操纵，旋翼机失去控制的特殊情况下，也会像降落伞一样的降落，虽然也是粗暴着陆，但不会出现类似秤陀落地的情况。 

当然，直升机也是具备自转下沿安全着陆能力的。但它的旋翼需要从有动力状态过渡到自转状态，这个过渡要损失一定高度。如果飞行高度不够，那么直升机就可能来不及过渡而触地。旋翼机本身就是在自转状态下飞行的，不需要进行过渡，所以也就没行这种为安全转换所需的高度约束。 

由于旋翼机的旋翼是没有动力的，因此它没有由于动力驱动旋翼系统带来的较大的振动和噪音，也就不会因这种振动和噪音而使旋翼、机体等的使用落命缩短或增加乘员的疲劳。旋翼机动力驱动螺旋桨所造成的影响，显然小得多。 另外，旋翼机还有一个很可贵的特点，就是它的着陆滑跑距离大大地短于起飞沿跑距离，甚至操纵得好可以不滑跑就地着陆，只要一块比旋翼直径大一些的地方就可降落。另外，旋翼机还具有稳定性好，抗风能力高，价格便宜，操纵方便等优点，故旋翼机虽然古老，但它也是一种正在蓬勃发展的年轻飞行器，其好用、安全、便利的特点，使其在未来的航空器家族中仍将占有一席之地。

现有最常见的旋翼机，其旋翼头结构为，包括竖直设置的支撑杆、可转动设置于支撑杆上的支撑座、横向连接在支撑座内的旋翼连接杆，所述支撑杆下端固定在机身上，支撑座靠轴承安装于支撑杆上端，旋翼连接杆一端固定在支撑座内，另一端安装连接旋翼。这种旋翼头结构，旋翼不与驱动装置连接，需要另外的螺旋桨助跑并提供升力起飞。为了减少起飞的助跑距离，现有技术中还有一种改进后的旋翼机，其在上述旋翼机结构基础上，增加了与旋翼连接的驱动系统，驱动系统的传动机构中设置有离合器，在起飞时将离合器合拢使得驱动系统直接为旋翼提供动力，控制旋翼旋转产生升力，然后脱开离合器，这样可以大大减小旋翼机起飞的滑翔距离，但仍然无法实现旋翼机的垂直起飞。另外，现有的旋翼机，在飞行过程中遇到风流时的抗风流能力仍然有待提高。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是，提供一种可以辅助旋翼机实现垂直起飞，同时可以进一步增强旋翼机飞行稳定性的旋翼机旋翼头结构。

为了解决上述技术问题，本发明中采用了如下的技术方案：

一种旋翼机旋翼头结构，包括竖直设置的支撑杆、可转动设置于支撑杆上的支撑座、横向连接在支撑座内的旋翼连接杆，其特点在于，所述旋翼连接杆靠轴承可转动地连接在支撑座上，所述支撑座上设置有变速器和相连接的步进电机，变速器的输出轴竖向延伸入支撑座内并在端头设置有锥齿轮，所述旋翼连接杆位于支撑座内的一端设置有锥齿与所述锥齿轮啮合。

申请人研究发现，现有技术中，采用了含离合器的旋翼驱动系统的旋翼机，仍然无法实现垂直起飞，是因为旋翼机在飞行时，其受力原理与直升机不同，其旋翼的倾角大小是根据旋翼机的飞行原理来设计的，其大小必须与旋翼机飞行时旋翼的受力原理相适应。而采用含离合器的旋翼驱动系统后，起飞时是采用驱动系统与旋翼连接并对其驱动产生升力，和直升机起飞原理类似，所以旋翼的倾角不适宜垂直起飞模式，故导致无法实现垂直起飞。如果将旋翼倾角改为适宜旋翼机垂直起飞模式后，又不适宜旋翼机正常飞行时的旋翼受力状况，会导致正常飞行时出现问题。所以申请人设计了上述技术方案的旋翼头结构，采用本旋翼头后，可以通过步进电机控制锥齿轮进而调整旋翼连接杆转动，进而可以调整旋翼的倾角大小。这样，在旋翼机起飞时将旋翼倾角调整为适宜垂直起飞模式的大小，待旋翼机正常起飞松开旋翼驱动系统的离合器时，再将旋翼倾角调整为适宜正常飞行模式的大小。这样就可以实现旋翼机的垂直起飞。两种模式中，所需旋翼倾角的具体大小，可以根据旋翼机自身类型、重量、旋翼形状等因素进行计算或者试验得到。同时，采用了本旋翼头后，当旋翼机在飞行过程中，遇到风流时，可以通过调整旋翼倾角大小，改变旋翼受力状态，进而保证旋翼机飞行稳定性。例如当在逆风中行驶时，为了避免旋翼所受升力过猛，可以恰当地降低旋翼倾角；当在顺风中行驶时，可以恰当地增大旋翼倾角。这样旋翼机飞行时，调控余地更大，稳定性更好。所述旋翼倾角是指旋翼所在平面与水平面之间的夹角。因为旋翼机前行速度一定时，旋翼倾角越大则所受上升力越大，故旋翼机正常飞行时旋翼倾角大小设计与旋翼机机型、旋翼机提供前行动力的螺旋桨功率、旋翼具体形状等有关，但具体如何设计属于现有技术，不在此介绍。

作为优化，所述旋翼连接杆位于支撑座内一端端头的上部为所述锥齿，端头下部为水平底面，该水平底面下部设置有一个固定在支撑座内的限位凸台，限位凸台上表面与水平底面之间具有间隙。这是因为，旋翼调节时仅仅需要在一定的角度内调节即可，故旋翼连接杆端头的锥齿无需绕圆周360度设置，将端头下部设置为水平底面可以节省材料，同时更重要的是，该水平底面与限位凸台之间可以形成具备角度限位功能的结构，只需合理设置凸台上表面与水平底面之间的间隙大小，即可以控制旋翼倾角的调整范围，使其不会超过最大可用角度，提高操控安全性。

作为进一步优化，所述旋翼连接杆与支撑座之间还设置有角度检测机构，所述角度检测机构包括设置在支撑座上的红外线发射头和对应设置在旋翼连接杆上的光栅盘。这样优化后，角度检测机构可以对旋翼倾角大小实时检测，保证旋翼倾角大小为旋翼机当前状态所需的倾角大小。

基于上述旋翼头结构，申请人还提供了一种旋翼机，该旋翼机除具有上述旋翼头结构外，还具有旋翼驱动系统和自动控制系统，所述旋翼驱动系统包括固定在旋翼机机体上的动力电机，动力电机通过传动系统与旋翼头结构的支撑座连接并可带动其旋转，所述传动系统中设置有电动离合器。其中，所述传动系统，可以是在旋翼头结构的支撑座底部固定设置一个与支撑杆同轴心的外齿圈，再设计一个与外齿圈啮合的齿轮，齿轮与动力电机输出轴连接，同时输出轴上设置电动离合器。这样即可实现动力电机通过传动系统带动支撑座旋转的目的。

其中，所述自动控制系统包括一预设程序的中央处理器和与其连接的所述角度检测机构、步进电机控制模块、所述动力电机、所述电动离合器、高度计、空速检测装置、转速检测装置。所述步进电机控制模块用于控制步进电机；所述高度计用于检测旋翼机飞行高度；所述空速检测装置用于检测旋翼机飞行速度；所述转速检测装置用于检测旋翼绕连接杆旋转的转速。所述中央处理器用于接收和监控来自角度检测机构、高度计、空速检测装置和转速检测装置的信息，并向步进电机控制模块、动力电机和电动离合器发送指令。其中，所述步进电机控制模块、电动离合器、高度计、空速检测装置和转速检测装置均可采用成熟的现有装置，属于现有技术范畴，不在此做过多介绍。

本申请中还公布了一种旋翼机垂直起飞控制方法，其采用了上述结构的旋翼机，并包括如下步骤：a、采用中央处理器发送指令至步进电机控制模块，调整旋翼倾角角度小于正常飞行倾角角度，同时控制动力电机和电动离合器使旋翼旋转；b、根据转速检测装置判断当旋翼转速达到设定起飞转速时，中央处理器发送指令至步进电机控制模块，调整旋翼倾角角度大于正常飞行倾角角度，使旋翼机逐渐腾空；c、旋翼机腾空后，根据高度计、空速检测装置判断当旋翼机已进入正常飞行状态后，控制电动离合器断开，并发送指令至步进电机控制模块，调整旋翼倾角角度为正常飞行倾角角度。本方法a步骤中，控制旋翼倾角小于正常飞行倾角大小，可以加快旋翼旋转速度，减少起飞时间；b步骤中，当旋翼达到设定的起飞转速时再调整增大旋翼倾角，可以使得旋翼以较短时间获得一个较大的腾空力，有利于旋翼机腾空起飞，所述起飞转速可以根据旋翼机实际情况计算或实验得出并预先设定在中央处理器内；c步骤中，具体是指根据旋翼机高度和速度已经可以保证旋翼机实现正常飞行时，判断旋翼机已进入正常飞行状态，此时控制电动离合器断开并调整旋翼倾角为正常飞行倾角大小，其中作为判断是否进入正常飞行状态依据的具体数据可以根据旋翼机实际情况计算或者实验得出后预先设定在中央处理器内，属于本领域常识。

综上所述，相比于现有技术，本发明具有如下优点：1、可以通过对旋翼倾角的调整实现旋翼机的垂直起飞，大大降低了对旋翼机起飞跑道的要求，甚至是楼顶等场所都可以实现垂直起飞和降落。2、可以通过在旋翼机飞行过程中，对旋翼倾角的调整来适应不同的风流状况，增强对旋翼机的可操控性，提高飞行稳定性和安全性，旋翼机抗风能力大大提高且可以在空中悬停。3、设置的自动控制系统可以实现旋翼机的垂直起飞自动控制，起飞平稳，安全性好，自动化程度高，使其操控更加方便安全。

附图说明

图1为本发明的旋翼机旋翼头结构的剖面结构示意图。

图2为图1的A-A视图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的结构作进一步的详细说明。

具体实施时，如图1至图2所示，本发明的旋翼机旋翼头结构，包括竖直设置的支撑杆1、可转动设置于支撑杆1上的支撑座2、横向连接在支撑座2内的旋翼连接杆3，其中，所述旋翼连接杆3靠轴承4可转动地连接在支撑座2上，所述支撑座2上设置有变速器5和相连接的步进电机6，变速器5的输出轴竖向延伸入支撑座2内并在端头设置有锥齿轮7，所述旋翼连接杆3位于支撑座2内的一端设置有锥齿8与所述锥齿轮7啮合。实施时，所述旋翼连接杆3位于支撑座2内一端端头的上部为所述锥齿8，端头下部为水平底面，该水平底面下部设置有一个固定在支撑座2内的限位凸台9，限位凸台9上表面与水平底面之间具有间隙。实施时，所述旋翼连接杆3与支撑座2之间还设置有角度检测机构10，所述角度检测机构10可以采用现有技术，例如采用在支撑座上设置红外线发射头同时在旋翼连接杆上对应设置光栅盘的结构形式。

本发明还提供一种旋翼机，该旋翼机具有上述的旋翼头结构，还具有旋翼驱动系统和自动控制系统；所述旋翼头结构的支撑杆下端直接安装在旋翼机机体上，旋翼连接杆外端安装连接旋翼；所述旋翼驱动系统包括固定在旋翼机机体上的动力电机，动力电机通过传动系统与旋翼头结构的支撑座连接并可带动其旋转，所述传动系统中设置有电动离合器。其中，所述传动系统，可以是在旋翼头结构的支撑座底部固定设置一个与支撑杆同轴心的外齿圈，再设计一个与外齿圈啮合的齿轮，齿轮与动力电机输出轴连接，同时输出轴上设置电动离合器。所述自动控制系统包括一预设程序的中央处理器和与其连接的所述角度检测机构、步进电机控制模块、所述动力电机、电动离合器、高度计、空速检测装置、转速检测装置。所述中央处理器用于接收和监控来自角度检测机构、高度计、空速检测装置和转速检测装置的信息，并向步进电机控制模块、动力电机和电动离合器发送指令。

本发明还提供一种基于上述旋翼机的旋翼机垂直起飞控制方法，包括如下步骤：a、采用中央处理器发送指令至步进电机控制模块，调整旋翼倾角角度小于正常飞行倾角角度，同时控制动力电机和电动离合器使旋翼旋转；b、根据转速检测装置判断当旋翼转速达到设定起飞转速时，中央处理器发送指令至步进电机控制模块，调整旋翼倾角角度大于正常飞行倾角角度，使旋翼机逐渐腾空；c、旋翼机腾空后，根据高度计、空速检测装置判断当旋翼机已进入正常飞行状态后，控制电动离合器断开，并发送指令至步进电机控制模块，调整旋翼倾角角度为正常飞行倾角角度。

Claims (6)

1.一种旋翼机旋翼头结构，包括竖直设置的支撑杆、可转动设置于支撑杆上的支撑座、横向连接在支撑座内的旋翼连接杆，其特征在于，所述旋翼连接杆靠轴承可转动地连接在支撑座上，所述支撑座上设置有变速器和与变速器相连接的步进电机，变速器的输出轴竖向延伸入支撑座内并在端头设置有锥齿轮，所述旋翼连接杆位于支撑座内的一端设置有锥齿与所述锥齿轮啮合。

2.如权利要求1所述的旋翼机旋翼头结构，其特征在于，所述旋翼连接杆位于支撑座内一端端头的上部为所述锥齿，端头下部为水平底面，该水平底面下部设置有一个固定在支撑座内的限位凸台，限位凸台上表面与水平底面之间具有间隙。

3.如权利要求2所述的旋翼机旋翼头结构，其特征在于，所述旋翼连接杆与支撑座之间还设置有角度检测机构，所述角度检测机构包括设置在支撑座上的红外线发射头和对应设置在旋翼连接杆上的光栅盘。

4.一种旋翼机，其特征在于，旋翼机具有如权利要求3所述的旋翼头结构，还具有旋翼驱动系统和自动控制系统，所述旋翼驱动系统包括固定在旋翼机机体上的动力电机，动力电机通过传动系统与旋翼头结构的支撑座连接并可带动其旋转，所述传动系统中设置有电动离合器。

5.如权利要求4所述的旋翼机，其特征在于，所述自动控制系统包括一预设程序的中央处理器和与其连接的所述角度检测机构、步进电机控制模块、所述动力电机、所述电动离合器、高度计、空速检测装置、转速检测装置。

6.一种旋翼机垂直起飞控制方法，其特征在于，采用如权利要求5所述的旋翼机，包括如下步骤：a、采用中央处理器发送指令至步进电机控制模块，调整旋翼倾角角度小于正常飞行倾角角度，同时控制动力电机和电动离合器使旋翼旋转；b、根据转速检测装置判断当旋翼转速达到设定起飞转速时，中央处理器发送指令至步进电机控制模块，调整旋翼倾角角度大于正常飞行倾角角度，使旋翼机逐渐腾空；c、旋翼机腾空后，根据高度计、空速检测装置判断当旋翼机已进入正常飞行状态后，控制电动离合器断开，并发送指令至步进电机控制模块，调整旋翼倾角角度为正常飞行倾角角度。

Images