CN103097244A - 翼型尾梁 - Google Patents

Abstract

一种用于抵消由旋翼飞行器的机身装载的发动机产生的机身转矩的尾梁。该尾梁定位在由旋转产生的旋翼洗流内并且包括第一侧面和相对的第二侧面，第一侧面形成的轮廓会产生翼型的低压区，第二侧面形成的轮廓会产生翼型的高压区。在高压区和低压区之间的压力不同导致尾梁朝向低压区移动，由此产生与机身上的转矩相反的横向力。

Description

翼型尾梁

技术领域

本申请大体上涉及一种旋翼飞行器，尤其涉及一种用于直升机中的尾梁。

背景技术

传统的直升机通常包括一个或多个位于机身上方的主旋翼和设置在机身内部用于旋转主旋翼的发动机。在运行过程中，发动机对机身施加一个转矩，该转矩会导致机身相对于主旋翼反向旋转。在高能耗飞行时，也即，在非常低或非常高的速度飞行时，机身转矩最大。

在低速前进时，下降气流达到最大，从而需要更大的转矩控制以抵消机身转矩。在起飞、着陆、以及低速向前飞行时，尾旋翼是一种有效的控制机身转矩的反转矩装置。图1示出了传统的直升机1，其包括设置在机身上方的主旋翼2和通过尾梁3连接到机身尾节上的尾旋翼4。尾旋翼和相关的驱动系统的尺寸必须匹配低速飞行状态。由此，该尾旋翼通常比其他飞行状态中所需的更大且更重，并在高速飞行时会产生附加的阻力和功率损耗。这些因素累积起来会导致直升机性能的退化。

一些传统的直升机包括边条、鳍片、和/或其他适合控制机身转矩的装置。在高速飞行时，转矩控制可由气动表面比如鳍片提供。然而，在低速飞行时，这些表面是无效的。图2示出了直升机1中的尾梁3的横截面视图。辅翼5A和5B在尾梁3的外表面的旁边延伸，用来相对于尾梁横向引导下降的旋翼洗流。辅翼5A和5B使旋翼洗流相对于尾梁的横向重定向。边条和鳍片是用来抵消机身转矩的有效装置，但是边条和鳍片增加了飞行器的整机重量，由此需要主旋翼产生额外的提升力以补偿增加的重量。另外，增加的重量也减小了飞行器的提升能力。而且边条和鳍片具有额外的下载损耗，其与来自旋翼洗流的较高的竖直阻力有关。

其他直升机包括环流控制尾梁，该尾梁具有一个或多个位于尾梁内的内导管，以输送废气和/或其他类型的发动机驱动流体通过尾梁。被输送的流体通过一个或多个出口相对于尾梁横向流出尾梁。该环流尾梁提供了足够的反转矩，完全消除了对尾旋翼的需求；然而，该尾梁显著地增加了直升机的整机重量，从而增加了能量消耗并导致大多数应用的设计失效。

尽管上述研发显示了直升机反转矩器件领域的显著进步，但是仍旧存在许多缺点。

附图说明

作为本申请的特点的新颖性特征在随附的权利要求书中列出。然而，结合附图参考下述详细说明，将更好地理解申请本身、使用的优选方式以及其他目的和优点，附图中：

图1为传统直升机的侧视图；

图2为环绕图1中的尾梁的横截面流动的旋翼洗流的示意图；

图3为根据本申请的优选实施例的尾梁的俯视图；

图4为图3中的尾梁的左视图；

图5为图4中的尾梁的局部切开的视图；

图6为图5中的尾梁沿VI-VI线的横截面视图；

图7为图6中的尾梁具有副翼的替代实施例；

图8为环绕图6中的尾梁流动的旋翼洗流的示意图；

图9为传统直升机的俯视图；

图10为根据本申请的优选实施例的直升机的俯视图；以及

图11为图9中的直升机的替代实施例。

虽然本申请中的尾梁容易受到各种修改和替代，但是其具体实施方式已经以示例的方式在附图中示出并且在本文中被详细描述。但是，应该理解的是，本文对具体实施例的说明意图不在于将本发明限制在公开的具体实施例以内，正好相反，该发明意图是涵盖所有落入由随附的权利要求书所限定的本申请的方法的精神和范围内的修改、等同物和替代方式。

具体实施方式

本申请的尾梁克服了旋翼飞行器中的常规反转矩装置的常见缺点。具体来说，该尾梁是一种轻且有效的设备，其提供横向力以抵消机身转矩。这些特征通过提供近似机翼形状的尾梁而获得，其中第一侧面作为翼型的受压面，以在该表面附近形成高压区，同时第二侧面作为翼型的吸力面，以在该表面附近形成低压区。该两个压力区之间的压力不同导致了尾梁朝向低压区移动，进而，在与机身转矩相反的横向上转动尾梁。

参考附图并结合下面的描述将会更好地理解本申请的尾梁的结构和运行方法。文中给出了尾梁的几个实施例。应当理解的是，不同实施例中的各种组件、部件和特征可以结合在一起和/或彼此交换设置，所有的这些都涵盖在本申请的范围内，即使并非所有的变化和具体实施方式都在每一幅图中具体描述。

应该理解的是，尾梁的优选实施例是可操作地设置在直升机上。然而，尾梁也可容易且轻松地适用在其他类型的旋翼飞行器中。

现在参见图3，其示出了根据本申请的优选实施例所述的尾梁301的俯视图。图3显示了从飞行器机身303的尾节拆卸下来的尾梁301。在该优选实施例中，尾梁301与机身303牢固地连接；然而，应该意识到，在替代实施例中也可包括连接器件305或其他适合将尾梁301的端部307与机身303的尾节可旋转地连接的装置，以便尾梁301可绕轴线A旋转。在替代实施例中，尾梁301能减小或增大横向力，进而，改变与机身转矩反向的合力。在替代实施例中，控制系统（未示出）可操作地关联到连接器件305上，以便手动或自动地控制尾梁301的旋转运动。

尾梁301优选包括第一侧面309、相对的第二侧面311、顶面313和底面315（底面315在图4中示出）。在该优选实施例中，尾梁301被制造成具有近似机翼形状的一体元件，以使侧面309作为翼型的受压面，而侧面311作为翼型的吸力面。侧面309和侧面311相对彼此逐渐靠近，以形成表面313和表面315，表面313和315分别作为翼型的前缘和后缘。在替代实施例中，表面315可选地设置为平面，以在侧面309和表面315之间，或在侧面311和表面315之间提供明确的流动分隔线。作为另一选择，被切去顶端的翼型表面313可呈现锥形化，以形成锋利的后缘，在此处侧面311的表面直接结合到侧面309上，而不设置表面315。最佳的结构形式将会考虑到尾梁必需的体积、刚度和重量，以及侧飞时所需的飞行品质。

本申请的尾梁与传统的反转矩装置相比具有显著的优点。特别是，该尾梁能够仅通过侧面309和侧面311的轮廓外形来提供抵消机身转矩所需的力。在运行过程中，下降的旋翼洗流在侧面309附近形成高压区并在侧面311附近形成低压区，导致尾梁301在与机身转矩相反的方向上朝向低压区移动。尾梁301可增设一个额外的反转矩装置，即尾旋翼，或者设置为可提供足够的反转矩力以完全消除对于额外的反转矩装置的需要。另一个显著的优点是尾梁301低剖面的轮廓表面，在旋翼洗流环绕尾梁301流动时减小了气流分隔。减小的气流分隔降低了能耗并增加了装载提升。

现在参见图4，示出了尾梁301的左视图。图4显示了侧面309和侧面311的纵向边从端部307到末端317逐渐靠近。在该优选实施例中，侧面309和侧面311的纵向边从端部307到端部317线性延伸；然而，应该意识到在替代实施例中可包括非线性的纵剖面。例如，一个替代实施例中可包括纵剖面为凹形或凸形的侧面。

在该优选实施例中，尾梁301还设有反转矩系统319。在此实施例中，反转矩系统319是一种传统的尾旋翼，其产生与机身转矩相反的力。应该意识到，在替代实施例中也可包括不同类型的反转矩器件以代替尾旋翼。例如，一替代实施例可包括与尾梁301可操作连接的边条、鳍片、环流系统、或其他合适的反转矩系统。另外，应该意识到替代实施例中也可包括没有设置反转矩系统的尾梁301（如图11所示）。

尾梁301还可选用流动控制器件401，其用于控制在侧面309之上流动的旋翼洗流的流动状态。应该理解的是，虽然控制器件401显示为连接到侧面309上，但控制器件401也可连接到尾旋翼301的任一表面上。在该优选实施例中，控制器件401被动地控制具有多个鳍片的侧面309之上的流动方向和/或流动分隔；然而，应该意识到在替代实施例中也可以包括用于主动控制表面309之上的流动方向和/或流动分离的控制器件。替代实施例中的尾梁301的轮廓表面上也可包括凹陷、沟槽、或其他表面处理，以被动地控制侧面309和侧面311之上的流动方向和/或流动分隔。

图4也显示了弦长从端部307到末端317逐渐减小。在该优选实施例中，弦长线性减小；然而，应该意识到在替代实施例中也可以包括弦长非线性逐渐减小的尾梁或包括弦长保持相对固定的尾梁。例如，尾梁的弦长可以是向上逐渐减小、向下逐渐减小、保持固定、或具有凹或凸的几何形状的剖面。

现在参见图5，示出了尾梁301局部切开的视图。图5中示出了尾梁301内部的组件。在该优选实施例中，尾梁301具有内腔501。然而，应该意识到在替代实施例中可以容易地将尾梁制作成没有内腔的实心元件。尾梁301还设有一个或多个位于内腔501内的肋条503，以提供额外的刚度和支撑。肋条503用于支撑在内腔501内延伸的尾旋翼驱动轴505。

现在参见图6，示出了图5中的尾梁301沿VI-VI线的横截面视图。图6中还显示了尾梁301的轮廓表面。在该优选实施例中，侧面309作为翼型的受压面，而侧面311作为翼型的吸力面。然而，应该意识到尾梁301可容易地修改为侧面311具有作为翼型的受压面的轮廓，而侧面309具有作为翼型的吸力面的轮廓。

图6也显示了尾梁301的弦长601，其取向相对于旋翼洗流的角度为B。在该优选实施例中，尾梁301牢固地连接到机身303上，且相对于旋翼洗流具有近似为6度的迎角。然而，应该意识到在替代实施例中可以包括具有不同迎角的尾梁，以实现最佳性能。另外，替代实施例中可以包括可旋转的尾梁，用来提供尾梁的枢轴运动，这使尾梁得以改变迎角为旋翼洗流内的任一操作角度。

现在参见图7，示出了尾梁301的一替代实施例。尾梁701与尾梁301的结构和功能基本相似。尾梁701还设有副翼703，其通过连接器件705枢轴连接到后缘上。如图所示，副翼703依照弧线C相对于尾梁701绕枢轴转动。该绕枢轴转动由飞行员手动控制实现或者通过控制系统（未示出）自动实现。副翼703为环绕尾梁701的轮廓表面流动的旋翼洗流提供了额外的流动控制，由此，增大或减小了横向力的大小。

图8显示了环绕尾梁301流动的旋翼洗流的流动形态的示意图。在运行过程中，旋翼洗流必须沿侧面311比沿侧面309流过更长的路程，由此在侧面311周围形成低压区，而在侧面309周围形成高压区。这两个区域中压力的不同导致尾梁301朝向低压区移动，由此尾梁301在与机身转矩相反的方向上移动。

图9-11示出了可操作地连接到直升机上的尾梁301。图9显示了传统直升机901的俯视图，其包括用于抵消机身转矩T的尾旋翼。在运行过程中，尾旋翼产生与机身转矩T反向的尾旋翼力TRF。如上所述，在起飞、着陆、及低速前进时，尾旋翼是有效的反转矩装置。尾旋翼和相关的驱动系统的尺寸必须与低速状态相匹配。由此，该尾旋翼通常比其他飞行状态中所需要的更大且更重而且在高速状态时会产生附加的阻力和能量损耗。这些因素累积起来导致了直升机性能的退化。

尾梁301大大降低了对大型尾旋翼的需求，从而降低了盘旋和高速飞行状态时附加的阻力和能量损耗。图10显示了根据本申请的优选实施例的直升机1001的俯视图。直升机1001包括尾梁301和反转矩系统319，即尾旋翼。如图所示，尾梁产生了与尾旋翼力TRF方向相同的力TBF。由尾梁301产生的附加力减小了为抵消机身转矩T而需要反转矩系统319产生的力。应该理解的是本实施例中包括没有完全替代反转矩系统的尾梁；然而，应该意识到尾梁301可提供足够的转矩以使反转矩系统319仅需要产生较小的力便可抵消机身转矩T，从而使反转矩系统更小和更轻。由此，直升机1001也会更轻、能耗更小、以及可比传统的直升机901携带更大的负载。

图11显示了直升机1001的替代实施例。直升机1101与直升机1001的结构和功能基本类似。但是，直升机1101不包括反转矩系统319，比如尾旋翼，其仅依靠尾梁301提供必要的转矩以抵消机身转矩T。在本实施例中，尾梁301优选包括连接器件305和用于旋转尾梁301的有关的控制系统，如此便可产生抵消不同的机身转矩T所需的力TBF。

通过上述描述可以明显看出，相比传统的反转矩装置，具有该轮廓的尾梁具有显著的好处和优点。例如，环绕尾梁的轮廓表面流动的旋翼洗流产生了低压区和高压区，由此，导致了尾梁在与机身转矩相反的方向上横向移动。尾梁可设置为与现有的反转矩装置即尾旋翼一起使用，或者可以用作唯一的抵消机身转矩的装置使用。在另一实施例中，尾梁有效减小了飞行过程中的空气阻力而且降低了直升机的整机重量，由此使得直升机需要更少的能耗却可实现更高的效率而且增大了直升机的运载能力。另外，尾梁也可设置有用于控制横向力大小的副翼。

上文中公开的具体实施例仅仅是示例性的，该尾梁可被修改并以不一样但等同的方式实施，这对受益于本文教导的本领域内技术人员来说是显而易见的。显然上文中公开的具体实施例可被改变或修改，并且所有的这些变化被认为落入该尾梁的范围和精神内。因此，本文所寻求的保护如说明书所述。显而易见，已经描述和图示了一种具有众多显著优点的尾梁。尽管本申请的尾梁以有限数量的形式示出，但并不限于这些形式，在不脱离其精神的情况下，可做出各种改变和修改。

Claims (20)

1.一种旋翼飞行器，包括：

机身；

由机身装载的发动机；

可旋转地连接到发动机上的旋翼；以及

连接到机身并从机身上延伸的尾梁，该尾梁包括：

具有第一侧面和相对的第二侧面的主体，第一侧面形成的轮廓使其作为翼型的受压面，第二侧面形成的轮廓使其作为翼型的吸力面；

其中发动机旋转旋翼，从而产生下降的旋翼洗流和施加到机身上的转矩；

其中旋翼洗流环绕尾梁的第一侧面和第二侧面流动，导致在第一侧面附近形成高压区，在第二侧面附近形成低压区；以及

其中在高压区和低压区之间的压力不同导致尾梁朝向低压区移动，由此产生与机身上的转矩相反的横向力。

2.根据权利要求1所述的旋翼飞行器，其中该旋翼飞行器为直升机。

3.根据权利要求1所述的旋翼飞行器，其中尾梁可旋转地连接到机身上。

4.根据权利要求1所述的旋翼飞行器，还包括：

连接到尾梁上的反转矩系统。

5.根据权利要求4所述的旋翼飞行器，其中反转矩系统是尾旋翼。

6.根据权利要求4所述的旋翼飞行器，其中反转矩系统是边条。

7.根据权利要求1所述的旋翼飞行器，还包括：

枢轴连接到尾梁上的副翼。

8.根据权利要求1所述的旋翼飞行器，还包括：

连接到尾梁主体上的流动控制器件。

9.根据权利要求1所述的旋翼飞行器，其中相对于旋翼洗流，尾梁的迎角近似为6度。

10.一种旋翼飞行器，包括：

机身；

由机身装载的发动机；

可旋转地连接到发动机上的旋翼；

连接到机身并从机身上延伸的尾梁，该尾梁包括：

具有第一侧面和相对的第二侧面的主体，第一侧面形成的轮廓使其作为翼型的受压面，第二侧面形成的轮廓使其作为翼型的吸力面；以及连接到尾梁上的反转矩系统；

其中发动机旋转旋翼，从而产生下降的旋翼洗流和施加到机身上的转矩；

其中旋翼洗流环绕尾梁的第一侧面和第二侧面流动，导致在第一侧面附近形成高压区，在第二侧面附近形成低压区；以及

其中反转矩系统和尾梁产生与机身上的转矩反向的合成横向力。

11.根据权利要求10所述的旋翼飞行器，其中该旋翼飞行器为直升机。

12.根据权利要求10所述的旋翼飞行器，其中尾梁可旋转地连接到机身上。

13.根据权利要求10所述的旋翼飞行器，其中反转矩系统是尾旋翼。

14.根据权利要求10所述的旋翼飞行器，还包括：

连接到尾梁主体上的流动控制器件。

15.根据权利要求10所述的旋翼飞行器，其中相对于旋翼洗流，尾梁的迎角近似为6度。

16.根据权利要求10所述的旋翼飞行器，还包括：

枢轴连接到尾梁上的副翼。

17.一种用于控制由旋翼飞行器的机身装载的发动机产生的机身转矩的方法，该方法包括：

由尾梁产生与机身转矩反向的横向力，该尾梁包括：

具有第一侧面和相对的第二侧面的主体，第一侧面形成的轮廓使其作为翼型的受压面，第二侧面形成的轮廓使其作为翼型的吸力面；

将尾梁定位在由旋翼飞行器产生的旋翼洗流内，以使流过第一侧面的旋翼洗流在第一侧面附近形成高压区，而且流过第二侧面的旋翼洗流在第二侧面附近形成低压区；以及

其中在高压区和低压区之间的压力不同导致尾梁朝向低压区移动，由此产生与机身转矩相反的横向力。

18.根据权利要求17所述的方法，还包括：

通过旋转尾梁调节横向力的大小。

19.根据权利要求17所述的方法，还包括：

通过连接到尾梁主体上的反转矩系统产生横向力；

其中该横向力与机身转矩相反。

20.根据权利要求17所述的方法，还包括：

通过枢轴连接到尾梁上的副翼产生横向力；

其中该横向力与机身转矩相反。

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