CN103847960B - 一种复合旋转驱动垂直起降飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合旋转驱动垂直起降飞行器，机身框架固定在底盘上,主轴与安装在机身框架内底部的动力装置输出轴固连，主轴另一端依次穿过动力装置固定座和两个主轴固定座与同轴旋转的旋翼头连接，平衡锤安装在主轴顶端，主动旋翼固定在旋翼头上，两从动旋翼通过连接杆装夹在底盘两侧的夹头上；操纵舵面安装在从动旋翼的后缘外侧；能源系统为动力装置提供能量，控制系统通过监测飞行器姿态、方位，接收控制信号，控制动力装置转速，偏转操纵舵面用来完成对飞行器的控制；万向滚珠轮安装在底盘的下面。飞行器取消了机体用于克服反作用扭矩的尾桨，减少了平衡装置与机体重量，降低了功率需求，使得飞行器飞行动力有较大提高。

Description

一种复合旋转驱动垂直起降飞行器

技术领域

本发明涉及一种垂直起降飞行器，具体地说,涉及一种复合旋转驱动垂直起降飞行器。

背景技术

一直以来，直升机飞行主要依靠驱动旋翼旋转产生的拉力。当发动机通过旋转轴带动旋翼旋转时，旋翼给空气以作用扭矩，空气必然在同一时间以大小相等、方向相反的反作用扭矩作用于旋翼，从而再通过旋翼将这一反作用扭矩传递到直升机机体上。如果不采取措施予以平衡，这个反作用扭矩就会使直升机机体逆旋翼转动方向旋转。现有技术中的直升机通过尾桨，共轴反桨等不同的布局设计来平衡其反作用力，而无法将这个反作用扭矩转化为有效的飞行动力。这样不仅增加了飞行器的平衡装置与机体重量，同时还需要提供额外的功率。

在现有公开的相关文献中，还未见有提出将旋翼产生的反作用扭矩转换为有效的飞行动力的示例。因此，设计一种新构型的旋翼飞行器，能够将有害的反作用扭矩转换为有效的飞行动力，解决因反作用扭矩造成的旋翼飞行器的诸多不足，具有十分重要意义。

发明内容

针对现有技术中旋翼飞行器需要克服反作用扭矩而需要增加平衡装置与机体重量的问题,本发明提出一种复合旋转驱动垂直起降飞行器，通过动力装置带动主动旋翼转动，主动旋翼旋转产生升力的同时对机体产生反作用扭矩，带动安装在底盘上的大展弦比的从动旋翼反向旋转，使飞行器在主动旋翼的驱动下，获得由主动旋翼产生的升力和从动旋翼产生的升力，将有害的反作用扭矩转变为有效的升力提供给飞行器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括平衡锤、连杆、旋翼头、主动旋翼、主轴、主轴限位挡圈、主轴固定座、轴承、动力装置固定座、动力装置、机身框架、底盘、能源系统、控制系统、从动旋翼、操纵舵面、万向滚珠轮，机身框架固定在底盘中心部位，动力装置安装在机身框架内底部,且与动力装置固定座固连,两个主轴固定座分别位于机身框架内动力装置固定座的上部，主轴固定座中心安装有轴承,主轴底端与动力装置输出轴固连，主轴依次穿过动力装置固定座和两个主轴固定座与同轴旋转的旋翼头连接，并通过两个主轴限位挡圈定位，平衡锤安装在主轴顶端的横轴上，两个连杆一端分别安装在平衡锤的两个万向节上，另一端安装在旋翼头的两个万向节上，能源系统固定在底盘上,位于机身框架的两侧，控制系统安装在底盘上,位于机身框架的一端；主动旋翼固定在旋翼头的夹头上，两从动旋翼通过连接杆分别装夹在底盘两侧的夹头上,安装角为1°～7°,操纵舵面安装在从动旋翼延展方向的后缘外侧,从动旋翼产生的升力与主动旋翼产生的升力之比大于1，单片主动旋翼的展弦比为2～5,单片从动旋翼的展弦比为6～10,单片从动旋翼的展长与单片主动旋翼展长之比为2～4,单片从动旋翼的弦长与单片主动旋翼弦长之比为5～8,从动旋翼的直径与主动旋翼的直径之比为3～5；所述平衡锤的轴线与旋翼头的轴线的水平夹角为45°；万向滚珠轮位于底盘下面。

所述能源系统为动力装置提供能量；所述控制系统通过监测飞行器姿态、方位，接收控制信号，控制动力装置转速，偏转操纵舵面用来完成对飞行器的控制。

所述万向滚珠轮均布相间为120°。

有益效果

本发明提出的一种复合旋转驱动垂直起降飞行器，取消了机体用于克服反作用扭矩的尾桨，减少了平衡装置与机体重量，降低了功率需求；通过动力装置带动主动旋翼转动，主动旋翼旋转产生升力的同时对机体产生反作用扭矩，带动安装在底盘上的大展弦比的从动旋翼反向旋转，从而使飞行器在主动旋翼的驱动下，获得由主动旋翼产生的升力和从动旋翼产生的升力；使得飞行器飞行动力提高了一倍以上，将有害的反作用扭矩转换成为有效的升力提供给飞行器。平衡锤起到增加主动旋翼的阻尼，配平主动旋翼的升力以及平衡机身的作用。安装在从动旋翼上的操纵舵面用于飞行操纵。利用操纵舵面的偏转产生的气动力通过气弹作用使从动旋翼变距，完成对机体的操纵。通过操纵舵面周期性的偏转实现飞行姿态控制。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种复合旋转驱动垂直起降飞行器作进一步的详细说明。

图1为本发明复合旋转驱动垂直起降飞行器的飞行原理示意图。

图2为复合旋转驱动垂直起降飞行器轴侧图。

图3为复合旋转驱动垂直起降飞行器主视图。

图4为复合旋转驱动垂直起降飞行器的机体中部位轴侧图。

图5为复合旋转驱动垂直起降飞行器的主轴固定座、动力装置固定座与机身框架部位轴侧图。

图中:

1.平衡锤   2.连杆   3.旋翼头   4.主动旋翼   5.主轴   6.主轴限位挡圈7.主轴固定座    8.轴承    9.动力装置固定座   10.动力装置    11.机身框架12.底盘     13.能源系统     14.控制系统     15.从动旋翼     16.操纵舵面17.万向滚珠轮

具体实施方式

本实施例为一种复合旋转驱动垂直起降飞行器。

参阅图1-图5，复合旋转驱动垂直起降飞行器由平衡锤1、连杆2、旋翼头3、主动旋翼4、主轴5、主轴限位挡圈6、主轴固定座7、轴承8、动力装置固定座9、动力装置10、机身框架11、底盘12、能源系统13、控制系统14、从动旋翼15、操纵舵面16、万向滚珠轮17组成；平衡锤1安装在主轴5顶部的横轴上。两个连杆2的一端安装在平衡锤1的两个万向节上，另一端安装在旋翼头3的两个万向节上。旋翼头3安装在平衡锤1下方的主轴5上。平衡锤1的轴线与旋翼头3的轴线的水平夹角为45°，平衡锤1起到增加主动旋翼4的阻尼、配平主动旋翼4的升力以及平衡机身的作用。

两片主动旋翼4安装在旋翼头3的两端夹头上，主动旋翼4的正转方向为逆时针。两个主轴固定座7安装在机身框架11内上端，主轴固定座7的中心安装有轴承8，主轴5穿过两个主轴固定座7的轴承8并通过两个主轴限位挡圈定位。动力装置固定座9安装在机身框架11内中间部位，位于主轴固定座7的下方。动力装置10安装在机身框架11内底部,与且动力装置固定座9固连。主轴5的底端与动力装置10的输出轴连接。机身框架11安装在底盘12的中心。能源系统13安装在底盘12上机身框架11的两侧。控制系统14安装在装在底盘12上机身框架11的后端部；两片从动旋翼15通过连杆一端的接头安装在底盘12两侧的夹头上，其安装角为5°。操纵舵面16安装在从动旋翼15延展方向的后缘外侧。万向滚珠轮17安装在底盘12的下表面，三个相邻的万向滚珠轮17之间夹角为120°，底盘12安装三个万向滚珠轮17既可起支撑作用，也可在平面各方向移动旋转。

在飞行时，通过动力装置10带动主动旋翼4转动，产生升力的同时通过主动旋翼4转动产生的反作用扭矩带动安装在底盘12上的大展弦比从动旋翼15反向转动产生升力。飞行器依靠从动旋翼和旋翼桨叶提供的两部分升力起降飞行，其中从动旋翼产生的升力与主动旋翼产生的升力之比大于1。

主动旋翼4采用固接的方式与旋翼头3相连接，单片主动旋翼的展弦比为2～5；从动旋翼15固定安装在底盘的夹头上,其安装角为1°～7°；单片从动旋翼的展弦比为6～10；单片从动旋翼的展长与单片主动旋翼展长之比为2～4；单片从动旋翼15的弦长与单片主动旋翼弦长之比为5～8；从动旋翼的直径与主动旋翼的直径之比为3～5。

在飞行过程中，平衡锤的轴线与旋翼头的轴线的水平夹角为45°；平衡锤1起到增加主动旋翼4的阻尼、配平主动旋翼4的升力以及平衡机身的作用。主动旋翼4提供初始升力并诱发反作用扭矩。从动旋翼15受到主动旋翼4产生的反作用扭矩的作用相对主动旋翼4反向旋转，产生了供全机飞行的主要升力。安装在从动旋翼15上的操纵舵面16用于飞行操纵。利用操纵舵面16的偏转产生的气动力通过气弹作用使从动旋翼15变距，完成对机体的操纵。通过操纵舵面16周期性的偏转实现飞行姿态控制。通过能源系统为动力装置提供能量；控制系统通过监测飞行器姿态、方位，接收控制信号，控制动力装置转速，偏转操纵舵面来完成对飞行器的控制。

本实施例复合旋转驱动垂直起降飞行器的飞行状态如以下描述:

如图1所示，复合旋转驱动垂直起降飞行器，主动旋翼4的桨盘形状可视作一个圆形区域；从动旋翼15由于安装在底盘12的外侧，并由连接杆外伸出去，其桨盘形状可视作一个圆环形区域；主动旋翼4的桨盘投影到从动旋翼15的桨盘所在平面的区域在从动旋翼15的桨盘圆环面的内圆里，故主动旋翼4的桨盘与从动旋翼15的桨盘之间的气流干扰很小。

复合旋转驱动垂直起降飞行器起飞时，动力装置10通过主轴5、旋翼头3带动主动旋翼4逆时针旋转，对机体产生了顺时针的反作用扭矩，带动固定在底盘12的从动旋翼15顺时针旋转。通过有主动旋翼4和从动旋翼15旋转产生的升力使飞行器离地起飞。

复合旋转驱动垂直起降飞行器降落，通过降低动力装置10的转速，进而使主动旋翼4和从动旋翼15的转速都降低，升力减少，进而逐渐从空中平稳降落到地面。

复合旋转驱动垂直起降飞行器，在空中旋转飞行时，通过控制系统14定位飞行器所在的方位，姿态，高度。安装在从动旋翼15上的操纵舵面用于飞行操纵。当飞行器向某个方向飞行时，从动旋翼15所在水平轴线的投影旋转到该方位时，偏转操纵舵面16使得操纵舵面的气动力变化，使得从动旋翼15通过气弹作用产生扭转变距，达到所需的桨距角。机体整体倾斜，产生沿该方向的水平分力，飞行器沿该方向飞行。由于飞行器在空中旋转，因此，通过操纵舵面16周期性的在从动旋翼旋转到飞行方向时的偏转，实现飞行器飞行姿态控制持续沿飞行方向飞行。

Claims (3)

1.一种复合旋转驱动垂直起降飞行器，其特征在于:包括平衡锤、连杆、旋翼头、主动旋翼、主轴、主轴限位挡圈、主轴固定座、轴承、动力装置固定座、动力装置、机身框架、底盘、能源系统、控制系统、从动旋翼、操纵舵面、万向滚珠轮，机身框架固定在底盘中心部位，动力装置安装在机身框架内底部,且与动力装置固定座固连,两个主轴固定座分别位于机身框架内动力装置固定座的上部，主轴固定座中心安装有轴承,主轴底端与动力装置输出轴固连，主轴依次穿过动力装置固定座和两个主轴固定座与同轴旋转的旋翼头连接，并通过两个主轴限位挡圈定位，平衡锤安装在主轴顶端的横轴上，两个连杆一端分别安装在平衡锤的两个万向节上，另一端安装在旋翼头的两个万向节上，能源系统固定在底盘上,位于机身框架的两侧，控制系统安装在底盘上,位于机身框架的一端；主动旋翼固定在旋翼头的夹头上，两从动旋翼通过连接杆分别装夹在底盘两侧的夹头上,安装角为1°～7°,操纵舵面安装在从动旋翼延展方向的后缘外侧,从动旋翼产生的升力与主动旋翼产生的升力之比大于1，单片主动旋翼的展弦比为2～5,单片从动旋翼的展弦比为6～10,单片从动旋翼的展长与单片主动旋翼展长之比为2～4,单片从动旋翼的弦长与单片主动旋翼弦长之比为5～8,从动旋翼的直径与主动旋翼的直径之比为3～5；所述平衡锤的轴线与旋翼头的轴线的水平夹角为45°；万向滚珠轮位于底盘下面。

2.根据权利要求1所述的复合旋转驱动垂直起降飞行器，其特征在于:所述能源系统为动力装置提供能量；所述控制系统通过监测飞行器姿态、方位，接收控制信号，控制动力装置转速，偏转操纵舵面用来完成对飞行器的控制。

3.根据权利要求1所述的复合旋转驱动垂直起降飞行器，其特征在于:所述万向滚珠轮均布相间为120°。