CN104260881A - 一种具有圆盘翼的升力装置 - Google Patents

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Abstract

一种具有圆盘翼的升力装置，将每支桨叶效率较低的近转轴段改形并在其上方加装圆盘翼，同时借助无惰轮或有惰轮的行星轮系使圆盘翼相对于飞行器本体作异于定轴转动的平面运动——由桨叶相对于飞行器本体的定轴转动(牵连运动)与圆盘翼相对于桨叶的定轴转动(相对运动)复合而成；在一定条件下，该平面运动成为平动；进而根除圆盘翼上相对于飞行器本体的绝对速度零点，有益于改变圆盘翼的气动性能和升力系数，提高升力，缩短桨叶长度。该装置既可替代常规直升机的桨叶，又可加装在普通固定翼飞行器上，或替代美国“高速圆盘旋翼”飞机中的单个圆盘旋翼系统。在飞行器失去动力靠惯性前行时，多个圆盘翼自身同样起“变形机翼”的作用，提供升力。

Description

一种具有圆盘翼的升力装置
技术领域
一种具有圆盘翼的升力装置用于提高现有直升机升力或附加于常规固定翼飞行器使其具有垂直升空功能，属于飞行器机翼领域。
背景技术
人类渴望像鸟类一样以扑翼的方式在天空中自由飞翔，但屡受挫折后另辟蹊径地实现了飞行愿望——所有卓有成效的飞行器多是基于不断完善的机翼理论研制而成。成熟的机型主要有固定翼和旋转翼两大类：前者的设计理论已相当成熟，整机的大小、重量、速度和飞行高度均达到令人惊叹的水平，但其不足在于：需要优质的跑道滑行、加速；隶属后者的常规直升机虽已在尖端技术云集的军事领域大展身手，但一些不足也是明显的——相关文献已指明：由于多个桨叶以放射状与主轴相连，导致每个桨叶翼展方向上各点的速度呈以零为始点的线性分布，而翼型升力又与速度的平方成正比，近轴心部分产生的升力较小；另一方面，增加桨叶数量受桨毂结构和安装方法的限制；故桨叶设计得较长，给停泊、强度和振动等方面带来诸多的问题；致使常规直升机在速度、载重量等方面比固定翼飞机逊色很多。
藉此，飞行设计师们从未终止过对新型飞行器和机翼性状的探索——除了上述扑翼、固定翼、旋转翼之外又相继开发了滚翼机、扇翼机(FanWing)、圆盘旋翼机等。其中，关于圆盘旋翼机，成都市科协(www.chengdu.gov.cn，2012年6月28日)、中国国防报2010年11月9日第011版兵器专刊蔡金祖、中国航空报2009年6月16日第003版航空世界康辉等均分别以“美国‘高速圆盘旋翼’飞机”、“‘圆盘旋翼’：又一个‘变形金刚’？”和“波音研究‘高速圆盘旋翼’飞行器”为题报道了如下内容：“据美国《大众科学》报道，从2008年开始，美国国防部高级计划研究局与波音公司正在加紧联合研制这种被称为‘高速圆盘飞翼’飞机的飞行器。……这种直升机有一个碟形的旋转圆盘，飞机在起飞、悬停和着陆时，桨叶可以从圆盘内伸出，与普通直升机无异。但是在速度达到500千米/小时的高速飞行时，桨叶就收回盘内，圆盘继续旋转，就像一个旋转的圆形机翼，从而可以实现高效率的悬停、高速飞行和垂直起降等各种飞行模式的过渡……；与‘圆盘旋翼’直升机的圆盘一直保持旋转不同，‘高速圆盘旋翼’飞机在桨叶收回圆盘后，圆盘也将完全停止转动，成为一个圆盘机翼，与固定机翼共同提供升力，飞机也就演变成一个完全由涵道风扇发动机推进的固定翼飞机……。”藉此，“某高速直升机方案中盘翼参数及气动特性研究”(王焕瑾等南京航空航天大学直升机旋翼动力学国家级重点实验室第二十二届(2006)全国直升机年会论文)一文针对某型高速直升机设计方案中的新型升力系统，对具有不同曲率的圆盘翼的气动特性进行了研究。
十分明显，上述圆盘旋翼的设计思想依旧是基于刚体的简单运动(定轴转动)，故也没有改变与常规直升机平直桨叶共存的缺欠——定轴转动仍相对机身本体，以致圆盘旋翼上径向各点的速度仍呈现以轴心速度为零的线性分布，存在升力效率问题。
发明内容
本发明的目的是公开“一种具有圆盘翼的升力装置”，将每支桨叶上效率较低的近转轴段改形并在其上方加装圆盘翼，同时借助行星轮系使圆盘翼相对于飞行器本体作异于单一定轴转动的平面运动——由桨叶(包括改形部分)相对于飞行器本体的定轴转动(属“牵连运动”)与圆盘翼相对于桨叶的定轴转动(属“相对运动”)复合而成；在一定条件下，该平面运动成为平动；进而根除圆盘翼上的绝对速度(相对于飞行器本体)零点或有益于改变圆盘翼的气动性能和升力系数，提高升力，缩短桨叶长度。该装置既可替代常规直升机的桨叶，又可加装在普通固定翼飞行器上，或替代上述美国“高速圆盘旋翼”飞机中的单个圆盘旋翼系统。在飞行器失去动力后，只要其惯性前行，多个圆盘翼自身同样起“变形机翼”的作用，提供升力。
一种具有圆盘翼的升力装置(无惰轮的行星轮式)，包括桨叶、行星轮系杆状座、桨叶轴、桨叶驱动轮、圆盘翼、行星轮、行星轮轴、中心轮、中心轮套筒座、中轴、中轴驱动轮、平衡杆和自动倾斜器；其中，行星轮系的中心轮与中心轮套筒座固连成一个轴向断面为倒“工”字型整体，并借助其下端的法兰盘与飞行器本体固连；行星轮系杆状座是一根横断面具有流线型侧缘的扁平杆件，用于将行星轮系、两个圆盘翼和两个桨叶连结成统一的旋转体，其纵向两端分别借助同轴线安装的短轴与可绕短轴转动的桨叶连接；桨叶的设计遵从常规直升机桨叶的规范；套筒式桨叶轴上端穿过行星轮系杆状座纵向轴线中心处且与之正交地固装，下端穿过中心轮套筒座轴向通孔中的轴承与桨叶驱动轮固连；在行星轮系杆状座纵向轴线的外段各固装一个以轴线中点为对称的转动轴承套；两个圆盘翼分别借助固连于圆心处的行星轮轴插装于所述转动轴承套的上方，行星轮轴的下端各固连一个与中心轮啮合的行星轮；中轴借助轴承插装于套筒式桨叶轴的轴向通孔内，其上端与平衡杆中点固连，且平衡杆上固装位置可调的配重，而下端固装中轴驱动轮。自动倾斜器(属现有技术)连接于中心轮套筒座和桨叶之间。
一种具有圆盘翼的升力装置在飞行器动力源的驱动下，借助桨叶驱动轮和桨叶轴带动行星轮系杆状座、桨叶和圆盘翼作公转运动，同时借助行星轮在与飞行器本体固连的中心轮上作纯滚动来带动圆盘翼的自转运动，即圆盘翼相对于飞行器本体作由转动+转动复合出来的平面运动。作定轴转动的桨叶和作平面运动的圆盘翼共同产生升力。
在行星轮系杆状座和桨叶转动的过程中，远离桨叶轴的桨叶可以产生较大的升力，而对于近桨叶轴段的行星轮系杆状座部分只要求它具有较小的阻力(例如将迎风面制作成流线型)，而产生升力的任务转由其上方的圆盘翼承担。由于圆盘翼的运动由行星轮系杆状座的牵连运动和由行星轮带动的相对转动复合而成，致使圆盘翼上与行星轮系杆状座上同向运动的点的速度增加，而圆盘翼上与行星轮系杆状座上逆向运动的点的速度减小甚至反向；但就综合效果而言，增加升力是无疑的；且可借助改变中心轮与行星轮的传动比来提高圆盘翼的转速和进一步提高升力。当然这里会涉及到平直桨叶作定轴转动和圆盘翼作复合运动时，气动性能和升力系数的比对问题，不赘述。
上述无惰轮的行星轮系用于需要所述圆盘翼相对于飞行器本体作一般平面运动(转动+转动)时，并可通过同时改变行星轮和中心轮齿数来改变传动比和圆盘翼的相对转速以提高升力；而需要所述平面运动为平动时，则采用下述有惰轮的行星轮系，且要求中心轮和行星轮的齿数相等而与惰轮齿数无关。
一种具有圆盘翼的升力装置(有惰轮的行星轮式)系指在中心轮和行星轮之间加入惰轮，在中心轮和行星轮齿数相等的条件下，行星轮和与之固连的圆盘翼相对于飞行器本体作平动(这是由于该升力装置运动时，行星轮系杆状座绕桨叶轴轴线转过的角度被行星轮反向转过同一角度而补偿且与惰轮的齿数无关)，其上各点的速度矢量与行星轮轮心的速度矢量相等。当然，作此平动时圆盘翼上各点的速度明显小于上述圆盘翼作转动+转动时其上点的最大速度，但最终产生的升力尚与圆盘翼以不同方式运动时的气动特性和升力系数有关，需作进一步理论分析和实验验证来确定。
自动倾斜器用于改变可绕所述短轴转动的桨叶的桨距，以提供飞行器前行拉力。
要求桨叶轴与中轴转向相反，且通过调节所述配重的位置实现飞行器整体的动量矩守恒。可用平直桨叶替代平衡杆，以便既可实现飞行器整体的动量矩守恒，又可产生附加升力。
行星轮、惰轮和中心轮可以是齿轮，亦可以是同步带轮。当将本发明用于大型机，传动距离较长时，行星轮系中的齿轮可以用同步带轮代替；同时带来的好处是减小传动系统的横向尺寸。
本发明的有益效果在于：根除常规直升机桨叶和所述美国“高速圆盘旋翼”飞机上安装的圆盘翼上的绝对速度零点，或有益于改变圆盘翼的气动特性和升力系数，提高升力，缩短桨叶长度。该装置既可替代常规直升机的桨叶，又可加装在现有固定翼飞行器上或替代上述美国“高速圆盘旋翼”飞机中的单个圆盘旋翼系统。在飞行器失去动力后，只要其惯性前行，多个圆盘翼自身同样起“变形机翼”的作用，提供升力。
附图说明
图1一种具有圆盘翼的升力装置的无惰轮结构主视示意图
图2一种具有圆盘翼的升力装置的有惰轮结构主视示意图
图3一种具有圆盘翼的升力装置的有惰轮同步带结构主视示意图
具体实施方式
下面给出本发明的优选实施方式，并结合附图加以说明。
如图1所示，一种具有圆盘翼的升力装置采用齿轮和无惰轮式行星轮系，包括：桨叶1、行星轮系杆状座2、套筒式桨叶轴3、桨叶驱动轮4、圆盘翼5、行星轮6、行星轮轴7、中心轮8、中心轮套筒座9、中轴10、中轴驱动轮11、平衡杆12、自动倾斜器13和飞行器本体0；其中，行星轮系的中心轮8与中心轮套筒座9固连成一个轴向断面为倒“工”字型整体，并借助其下端的法兰盘与飞行器本体0固连；行星轮系杆状座2是一根横断面具有流线型侧缘的扁平杆件，用于将行星轮系、两个圆盘翼5和两个桨叶1连结成统一的旋转体，其纵向两端分别借助同轴线短轴与可绕短轴转动的桨叶1连接；桨叶1的设计遵从常规直升机桨叶的规范；套筒式桨叶轴3上端穿过行星轮系杆状座2纵向轴线中心处且与之正交地固装，下端穿过中心轮套筒座9轴向通孔中的轴承(图中未示出)与桨叶驱动轮4固连；在行星轮系杆状座2纵向轴线的外段各固装一个以轴线中点为对称的转动轴承套；两个圆盘翼5分别借助固连于其圆心处的行星轮轴7插装于所述转动轴承套的上方，行星轮轴7的下端各固连一个与中心轮8啮合的行星轮6；中轴10借助轴承(图中未示出)插装于套筒式桨叶轴3的轴向通孔内，其上端与平衡杆12中点固连，且平衡杆12上固装位置可调的配重，而下端固装中轴驱动轮11。
如图2所示，一种具有圆盘翼的升力装置采用齿轮和有惰轮式行星轮系，它以图1所示的结构为基础，在中心轮8和行星轮6之间加入惰轮14，用以改变行星轮6和圆盘翼5的旋转方向，使得当中心轮8和行星轮6齿数相等时，行星轮6和圆盘翼5相对于飞行器本体0作平动而与惰轮14的大小(即齿数)无关。
如图3所示，一种具有圆盘翼的升力装置采用有惰轮的同步带轮式行星轮系。当用于大型机，传动距离较长时，可以用同步带轮代替图2中所示的行星轮系中的齿轮。其优点在于尚可减小传动系统的横向尺寸。每个同步带轮分为上、下两层。在有惰轮的情况下，同步带轮式行星轮传动系统包括5个传动轮和四条传动带。
为了减小飞行阻力，除行星轮系杆状座2在迎风面呈流线型外，整个行星轮系统外部亦可加装流线型导流罩。
自动倾斜器14安装于中心轮套筒座9和桨叶1之间，用以改变可绕所述短轴转动的桨叶1的桨距，以提供飞行器前行拉力。
桨叶轴3与中轴10转向相反且通过调节所述配重在平衡杆12上的位置以实现飞行器整体的动量矩守恒。可用平直桨叶替代平衡杆12，达到既可实现飞行器整体的动量矩守恒，又可产生附加升力的双重目的。
本发明的有益效果在于：该装置结构简单易行，既可安装在常规直升机上替代其桨叶，又可加装在现有固定翼飞行器上或替代所述美国“高速圆盘旋翼”飞机中的单个圆盘旋翼系统，通过改变常规桨叶和圆盘翼的运动形式、气动性能和升力系数，提高升力，缩短桨叶长度；在飞行器失去动力后，只要其惯性前行，多个圆盘翼自身同样起“变形机翼”的作用，并提供比单个圆盘翼更大的升力。

Claims (3)

1.一种具有圆盘翼的升力装置，包括桨叶(1)、圆盘翼(5)、行星轮系和自动倾斜器(13)；其特征在于：它还包括行星轮系杆状座(2)、套筒式桨叶轴(3)、桨叶驱动轮(4)、行星轮(6)、行星轮轴(7)、中心轮(8)、中心轮套筒座(9)、中轴(10)、中轴驱动轮(11)、平衡杆(12)；其中，行星轮系的中心轮(8)与中心轮套筒座(9)固连成一个轴向断面为倒“工”字型整体，并借助其下端的法兰盘与飞行器本体(0)固连；行星轮系杆状座(2)是一根横断面具有流线型侧缘的扁平杆件，其纵向两端分别借助同轴线短轴与可绕短轴转动的桨叶(1)连接；套筒式桨叶轴(3)上端穿过行星轮系杆状座(2)纵向轴线中心处且与之正交地固装，下端穿过中心轮套筒座(9)轴向通孔中的轴承与桨叶驱动轮(4)固连；在行星轮系杆状座(2)纵向轴线的外段各固装一个以轴线中点为对称的转动轴承套；两个圆盘翼(5)分别借助固连于其圆心处的行星轮轴(7)插装于所述转动轴承套的上方，行星轮轴(7)的下端各固连一个与中心轮(8)啮合的行星轮(6)；中轴(10)借助轴承插装于套筒式桨叶轴(3)的轴向通孔内，其上端与平衡杆(12)中点固连，且平衡杆(12)上固装位置可调的配重，而下端固装中轴驱动轮(11)；自动倾斜器(13)连接于中心轮套筒座(9)和桨叶(1)之间。
2.如权利要求1所述的一种具有圆盘翼的升力装置，其特征在于：在所述行星轮系中的中心轮(2)和行星轮(6)之间安装惰轮(14)，且令中心轮(2)和行星轮(6)的齿数相等。
3.如权利要求1所述的一种具有圆盘翼的升力装置，其特征在于：用同步带轮替代所述行星轮系结构中的齿轮，且每个同步带轮由上下两层组成。
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