CN104139854B - 一种增升、增稳一体化的风动旋翼 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种增升、增稳一体化的风动旋翼,包括中心轴、螺旋桨叶、质量环、小型翼，中心轴位于质量环的中心，螺旋桨叶两端分别与中心轴和质量环固连，质量环外环壁周向有多个小型翼；当旋翼置于垂直于中心轴的流场时，来流经过小型翼产生升力和阻力，在阻力作用下小型翼沿来流方向平动，小型翼的平动驱动质量环转动，且转动具有很强的自旋稳定性。质量环带动螺旋桨叶、小型翼二者转动，在螺旋桨叶的转动过程中产生较大的升力，而小型翼的转动也会产生较大的升力。风动旋翼利用风的驱动工作，在转动过程中为飞行器提供升力,同时增加其稳定性，无需消耗飞行器的能源。风动旋翼结构简单,特别适用于小型、微小型飞行器。

Description

一种增升、增稳一体化的风动旋翼

技术领域

本发明涉及一种旋翼，具体地说,涉及一种增升、增稳一体化的风动旋翼；属于航空翼型应用技术领域。

背景技术

现有公开的技术文献“微型旋翼飞行器的现状分析和发展趋势初探”(科技视界,2014年)中论述了发展微型飞行器的重要意义，同时对国内外发展现状进行对比，并分析了微型飞行器的发展瓶颈与关键技术。文献通过对比国内外发展现状分析，如何在体积、质量、燃油有限的情况下,实现微型飞行器的稳定飞行是关键技术之一。

文献“某型手掷电动无人机总体设计与飞行试验研究”(飞行力学,2010年4月第2期)中,按照飞行器设计的基本原理,完成了某型手掷电动无人机的总体设计,并制作出三架采用不同尾翼布局的样机,并对其进行飞行试验。但设计的小型无人机机翼仅提供升力，出于无人机稳定的需要，安装了尾翼，导致结构的复杂化，增大了无人机体积、质量。

中国专利CN1774366A中公开了一种“旋翼以及具有这种旋翼的旋翼飞机”其确保改善其飞行特性、提高了飞行安全性和可靠性.并将此旋翼应用在直升机上。但该旋翼飞机的旋翼仅能为飞行器提供升力，无法提供飞行稳定性，控制系统设计较为复杂。

在专利CN203439258U中提出“一种复合式旋翼飞行器”，该飞行器采用多种旋翼飞行方式的综合，飞行效率得到了极大地提升，飞行器的灵活性也得到了极大地提高，飞行稳定性和可靠性同样得到提高。复合式旋翼飞行器虽然能够提供飞行稳定性，但是稳定性主要源于四旋翼的配合，单旋翼本身不具有稳定性，所以增稳特性不够明显；该旋翼飞行器设计的旋翼仅有螺旋桨叶提供升力，无法充分利用旋翼转动产生升力。

发明内容

为了避免现有技术存在的不足,克服飞行稳定性差，控制系统较为复杂的问题，本发明提出一种增升、增稳一体化的风动旋翼，旋翼在不消耗载体能源的情况利用风力驱动工作，在转动过程中产生较大升力,同时,为载体提供稳定性而降低控制难度，简化控制装置；旋翼的多功能一体化可有效地减小飞行器的质量、体积及燃油消耗。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括中心轴、螺旋桨叶、质量环、小型翼、连接杆、双头螺杆、翼环螺杆，中心轴位于质量环的中心，螺旋桨叶两端分别与中心轴和质量环固连，质量环外环壁周向有多个小型翼；

所述质量环为圆环形结构，质量环内环壁上周向均布四个内螺孔，质量环外环壁周向均布多个外螺孔，小型翼通过翼环螺杆固定在质量环外环壁上,小型翼的纵剖面与质量环的中心轴平面之间的夹角为40～45度；

所述中心轴为两段直径相同的圆柱体，上圆柱段端部均布四个轴向上螺孔，下圆柱段端部有中心轴半圆槽形成十字形结构,中心轴半圆槽间隔有轴向下螺孔，上螺孔与下螺孔直径相同，且位于同轴线上，上圆柱段下端面与下圆柱段上端面配合通过螺栓固连；

所述连接杆为圆柱形，一端为螺纹段，另一端为半圆柱段,连接杆螺纹段与螺旋桨叶叶根螺孔配合，连接杆半圆柱段置于下圆柱段端部中心轴半圆槽内，螺旋桨叶叶梢螺孔与双头螺杆一端连接，双头螺杆另一端与质量环内螺孔固连,螺旋桨叶型面扭转角为30～45度。

有益效果

本发明提出的一种增升、增稳一体化的风动旋翼,利用风力的驱动工作，在转动过程中为飞行器提供升力,同时增加其稳定性，无需消耗飞行器的能源；当旋翼置于垂直于中心轴的流场时，来流经过小型翼产生升力和阻力，在阻力作用下小型翼沿来流方向平动，小型翼固连在质量环上，小型翼的平动驱动质量环转动。由于质量环质量较大，且环上质量点相对于环的质量中心距离较远，其转动具有很强的自旋稳定性。质量环与螺旋桨叶、小型翼固定连接，质量环带动二者转动，在螺旋桨叶的转动过程中产生较大的升力，而小型翼的转动也会产生较大的升力，通过螺旋桨叶和小型翼共同产生升力。风动旋翼结构简单、易于拆装。

本发明风动旋翼在工作过程中为飞行器提供升力,同时，降低飞行器控制系统设计的难度，简化控制装置，从而减小飞行器体积、降低飞行器质量并节省飞行器能源。本发明增升、增稳一体化的风动旋翼,特别适用于小型、微小型飞行器。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种增升、增稳一体化的风动旋翼作进一步详细说明。

图1为本发明风动旋翼示意图。

图2为本发明风动旋翼的中心轴上圆柱段轴测图。

图3为本发明风动旋翼的中心轴下圆柱段轴测图。

图4为本发明风动旋翼的连接杆示意图。

图5为本发明风动旋翼的螺旋桨叶轴测图。

图6为本发明风动旋翼的双头螺杆轴测图。

图7为本发明风动旋翼的质量环剖面图。

图8为本发明风动旋翼的翼环螺杆轴测图。

图9为本发明风动旋翼的小型翼轴测图。

图中:

1.中心轴2.螺旋桨叶3.质量环4.小型翼5.上螺孔6.下螺孔7.中心轴半圆槽8.连接杆9.叶梢螺孔10.叶根螺孔11.双头螺杆12.翼环螺杆13.外螺孔14.内螺孔15.小型翼螺孔

具体实施方式

本实施例是一种增升、增稳一体化的风动旋翼。

参见图1～图9，本实施例增升、增稳一体化的风动旋翼，是在风力的驱动下高速转动，为飞行器提供升力及稳定性的旋翼结构；由中心轴1、螺旋桨叶2、质量环3、小型翼4、连接杆8、双头螺杆11、翼环螺杆12组成。中心轴1为旋翼结构提供定位，中心轴1固定在质量环3的中心，螺旋桨叶2两端分别与中心轴1和质量环3固定连接，质量环3外环壁周向固定有多个小型翼4。

中心轴1为两段直径相同的圆柱体结构，上圆柱段端部均布有四个轴向上螺孔5，下圆柱段端部有中心轴半圆槽7形成十字形结构,中心轴1半圆槽间隔有下螺孔6；上螺孔5与下螺孔6直径相同，且位于同一轴线上，上圆柱段下端面与下圆柱段上端面配合通过螺栓固定连接。质量环3为圆环形结构，起到增稳作用。质量环内环壁上周向均布四个内螺孔14，质量环3外环壁周向均布多个外螺孔13，小型翼4通过翼环螺杆12固定在质量环3外环壁上,小型翼4的纵剖面与质量环3的中心轴平面之间的夹角为40～45度。本实施例中小型翼4采用NACA2410低速翼型。

连接杆8为圆柱形，一端为螺纹段，另一端为半圆柱段,连接杆螺纹段与螺旋桨叶叶根螺孔10配合，连接杆半圆段置于下圆柱段端部中心轴半圆槽7内，螺旋桨叶叶梢螺孔9与双头螺杆11一端连接，双头螺杆11另一端与质量环内螺孔14固定连接。螺旋桨叶2采用NACA2412低速翼型，翼根和翼梢的弦长较短，中段弦长较长；螺旋桨叶型面扭转角为30～45度。

安装步骤:

步骤1，将四根双头螺杆11与螺旋桨叶2固连，双头螺杆11的一端与螺旋桨叶叶梢螺孔9配合固定连接。

步骤2，四根双头螺杆11的另一端通过螺纹分别旋入质量环的四个内螺孔14中，实现双头螺杆11与质量环3固定连接。

步骤3，将四根连接杆8的螺纹段分别旋入四个螺旋桨叶叶根螺孔10中，使连接杆8与螺旋桨叶2固定连接。

步骤4，四根连接杆8的半圆柱段分别插入中心轴半圆槽7中，上圆柱段下端面与下圆柱段上端面配合，通过四根螺栓分别旋入上螺孔5与下螺孔6，实现中心轴上圆柱段与下圆柱段间固定,以及连接杆8和中心轴1的周向固定。螺旋桨叶2通过连接杆8与中心轴1固连；通过连接杆8与双头螺杆11将中心轴1、螺旋桨叶2和质量环3固连在一起。

步骤5，将十二根翼环螺杆12的螺纹段分别旋入质量环3的十二个外螺孔13中，实现翼环螺杆12与质量环3的固定连接。

步骤6，十二个小型翼通过小型翼螺孔15分别旋套在十二根翼环螺杆12的一端，实现小型翼4与翼环螺杆12的固连。十二个小型翼4通过翼环螺杆12另一端与质量环3固连在一起,实现风动旋翼的整体装配。

本实施例风动旋翼用于某型侦察器上。在侦察器上安装四个风动旋翼作为主升力部件，其有效载荷为动力系统、控制系统、对地观测系统和通信单元，侦察器总体参数为:

项目	参数
		质量	3kg
直径	0.15m/0.3m(旋翼收起/伸出)
		体积	0.01m3
旋翼面积	0.004m2
		最小平飞速度	12m/s

经测试，当飞行状态为12m/s时，单旋翼的升力系数为21.25，而在同样参考面积、飞行状态下，对于普通的亚音速翼型，其升力系数最高仅为12，旋翼结构增升效果显著，较高的升力系数使侦察器可以较低的速度平飞，便于侦察器对同一目标进行多次、重复观测，同时也便于侦察器的即时通信。

由于单旋翼结构形式类似于陀螺，其自旋稳定性大大增加了侦察器的抗干扰性能，对于不需要做大幅度机动的侦察器而言，风动旋翼大大降低了控制难度，简化了控制装置，同时，高度的自稳定性也为对地观测创造了良好条件，提升观测效果。

Claims (1)

1.一种增升、增稳一体化的风动旋翼，其特征在于:包括中心轴、螺旋桨叶、质量环、小型翼、连接杆、双头螺杆、翼环螺杆，中心轴位于质量环的中心，螺旋桨叶两端分别与中心轴和质量环固连，质量环外环壁周向有多个小型翼；

所述质量环为圆环形结构，质量环内环壁上周向均布四个内螺孔，质量环外环壁周向均布多个外螺孔，小型翼通过翼环螺杆固定在质量环外环壁上,小型翼的纵剖面与质量环的中心轴平面之间的夹角为40～45度；

所述中心轴为两段直径相同的圆柱体，上圆柱段端部均布四个轴向上螺孔，下圆柱段端部有中心轴半圆槽形成十字形结构,中心轴半圆槽间隔有轴向下螺孔，上螺孔与下螺孔直径相同，且位于同轴线上，上圆柱段下端面与下圆柱段上端面配合通过螺栓固连；

所述连接杆为圆柱形，一端为螺纹段，另一端为半圆柱段,连接杆螺纹段与螺旋桨叶叶根螺孔配合，连接杆半圆柱段置于下圆柱段端部中心轴半圆槽内，螺旋桨叶叶梢螺孔与双头螺杆一端连接，双头螺杆另一端与质量环内螺孔固连,螺旋桨叶型面扭转角为30～45度。