CN104787328A - 一种适用于复合式飞机的旋翼折展机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于复合式飞机的旋翼折展机构，属于航空飞行器总体设计及旋翼收放机构的设计领域。本发明包括旋翼桨叶、柔性星形桨毂、主轴和高速圆盘，可以实现旋翼桨叶的折叠和展开两种状态。本发明旋翼折展比例较高，可以达到40％，这样可以有效的减小旋翼系统的迎风面积，减小阻力。本发明的折展机构中的高速圆盘不产生升力，但由于旋翼系统桨叶内部20％的旋翼长度部桨叶分不产生升力，所以高速圆盘对整个旋翼的气动特性影响较小。

Description

一种适用于复合式飞机的旋翼折展机构

技术领域

本发明涉及一种可用于复合式飞机的旋翼折展机构，属于航空飞行器总体设计及旋翼收放机构的设计领域。

背景技术

常规直升机诞生以来，其飞行速度不高这个问题一直没有得到很好地解决。人们希望将直升机垂直起降和空中悬停能力与飞机高速飞行能力结合起来，研制一种兼顾两者优点的复合式飞行器。美国宇航局刘易斯研究中心提出了“X-机翼”旋翼飞行器概念。垂直起飞时，“X-机翼”通过高速旋转产生足够的升力升空；水平前飞时，“X-机翼”固定，成为固定翼飞机模式，依靠喷气发动机产生推进力。埃姆斯研究中心提出了“圆盘式旋翼直升机”的设计方案。它在机身顶部安装了一个大直径圆盘充当旋翼桨盘整流罩，可在固定翼和旋翼之间转换。波音公司也在研究“高速圆盘旋翼”飞行器。目前，DARPA和波音公司决定将“圆盘旋翼”直升机进一步推进为融合圆盘旋翼-机翼-推进发动机的“高速圆盘旋翼”飞机计划。这种复合式飞行器，飞行速度可以达到650千米/时，不仅可以高速飞到目标区，而且能在空中悬停，非常适合执行作战搜索和营救任务。

发明内容

本发明提供一种适用于复合式飞机的旋翼折展机构，在满足复合式飞机折叠和展开两种状态下的性能要求的同时，充分发挥直升机的垂起悬停性能和飞机的高速飞行性能。本发明根据曲柄摇块机构提出了高速圆盘和差动折叠旋翼相结合的方案，充分考虑复合材料旋翼由于重力作用出现下垂的现象，通过差动机构使得旋翼从柔性星形桨毂上方绕过，最大程度上利用空间，减小由于旋翼桨叶折叠带来的飞机阻力。本发明最大程度上保留了常规旋翼系统的传力结构与操纵机构，在不切断旋翼桨叶的情况下，将旋翼桨叶全部收放到高速圆盘之中，实现了40％的折展比例，有效地减小了旋翼系统在高速飞行过程中对飞机的影响，并可以减小飞行阻力，提供部分升力。

本发明提供的适用于复合式飞机的旋翼折展机构，包括旋翼桨叶、柔性星形桨毂、主轴和高速圆盘。可以实现旋翼桨叶的折叠和展开两种状态。所述的旋翼桨叶与柔性星形桨毂之间通过连接铰连接，并且具有锁定机构。所述的主轴为中空结构，高速圆盘为上表面和下表面均凸起的圆盘结构，圆盘结构侧面具有开口，开口数量对应旋翼桨叶的数量。所述高速圆盘下表面设计有圆筒结构，所述圆筒结构与机身之间轴承连接，实现高速圆盘的上下移动；所述高速圆盘内部具有转动轴，所述转动轴从主轴顶端穿入，并与固连在主轴内壁的差动机构连接，实现高速圆盘和主轴之间的差动旋转。

所述的折叠状态，当需要进行折叠时，主轴内部的差动机构运动，使主轴和高速圆盘产生角度差动，当主轴相对高速圆盘转动时，柔性星形桨毂将旋翼桨叶拉入高速圆盘中。

所述的展开状态，当需要进行展开时，主轴内部的差动机构运动，使主轴和高速圆盘产生角度差动，当主轴相对高速圆盘转动时，柔性星形桨毂将桨叶推出高速圆盘外。

本发明提供的适用于复合式飞机的旋翼折展机构，旋翼折展比例较高，可以达到40％以下，这样可以有效的减小旋翼系统的迎风面积，减小阻力。本发明的折展机构中的高速圆盘不产生升力，但由于旋翼系统桨叶内部20％的旋翼长度部分不产生升力，所以高速圆盘对整个旋翼的气动特性影响较小。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的折展旋翼系统桨叶展开状态下轴向视图；

图2是根据本发明的一个实施例的折展旋翼系统桨叶折叠状态下侧向视图；

图3是根据本发明的一个实施例的折展旋翼系统侧向半剖图的局部视图；

图4是根据本发明的一个实施例的折展旋翼系统圆盘内部结构轴向视图局部视图；

图5是根据本发明的一个实施例的折展旋翼系统柔性星形桨毂的轴向视图；

图6是曲柄摇块机构折叠状态示意图；

图7是曲柄摇块机构展开状态示意图；

图8是根据本发明的一个实施例的折展旋翼系统展开状态俯视图剖视图；

图9是根据本发明的一个实施例的折展旋翼系统展开状态侧视图剖视图；

图10是本发明中连接铰的倾斜角度示意图。

图中：

1.高速圆盘；     2.旋翼桨叶；     3.柔性星形桨毂； 4.主轴；         31.上夹板；

32.下夹板；      33.球形轴承；    34.星形件；      51.曲柄；        52.摇块；

53.基础；        54.连接杆。

具体实施方式

以下结合附图描述本发明的实施例。

本发明提供的适用于复合式飞机的旋翼折展机构，在飞行过程中主要包括两个状态，分别为旋翼桨叶2展开状态和旋翼桨叶2折叠状态。当旋翼桨叶2展开时，旋翼桨叶2从高速圆盘1中伸出，高速圆盘1和旋翼桨叶2共同旋转，进而产生飞机所需要的升力以及一部分的方向操纵力，飞行模式同一般直升机相同，如图1；当旋翼桨叶2折叠时，旋翼桨叶2折入高速圆盘1，在平飞过程中可以减小旋翼系统产生的阻力，并能够利用高速圆盘1上表面凸出的气动外形产生一定的升力，折叠后的状态如图2。

根据本发明的一个实施例的旋翼折展机构，如图3所示，所述的折展机构包括高速圆盘1、桨叶2、柔性星形桨毂3及主轴4。其中高速圆盘1为上下表面均凸起的圆盘结构，并且在所述下表面具有圆筒结构，所述圆筒与机身之间轴承连接，高速圆盘1可以在竖直方向上上下移动；高速圆盘1内部具有转动轴，所述转动轴穿过中空主轴4的顶端与其内部的差动机构连接，实现高速圆盘1与主轴4之间的差动旋转。所述的主轴4的底端与机身内部的动力装置连接。旋翼桨叶2通过连接铰21连接到柔性星形桨毂3上，柔性星形桨毂3通过螺栓连接到主轴4上，柔性星形桨毂3上连接有用于操纵的总距变距操纵机构，如图4。所述的主轴4为中空结构，中空结构内部设置差动机构，所述的差动机构的定子固定连接在主轴4上，转子连接高速圆盘1的转动轴，实现高速圆盘1与主轴4之间的角度控制。

如图4和图5所示，所述的柔性星形桨毂3由上夹板31、下夹板32、球形轴承33和星形件34组成。所述的上夹板31和下夹板32的外端通过连接铰21与桨叶2连接，使得旋翼桨叶2可以绕连接铰21相对柔性星形桨毂3旋转，旋翼桨叶2折叠或展开。所述上夹板31和下夹板32的内端分别通过球形轴承33与星形件34连接。

根据本发明的一个实施例的折展旋翼系统的折展状态如图1和图2所示。本发明的灵感来源于机械设计中的曲柄摇块机构如图6，该机构主要包括曲柄51、摇块52、基础53和连接杆54。当曲柄51绕轴旋转时，连接杆54会在摇块52中移动，该机构有两个极限位置。分别如图6、图7所示，两种状态下，连接杆54相对摇块52分别伸出和收回。如果各部分的尺寸设计合理，则可以实现连接杆在两种状态下的收放。并使得在收回状态下，连接杆54完全收回摇块52内。

根据所述的曲柄摇块机构，本发明中的折展旋翼系统的旋翼桨叶2相当于曲柄摇块机构的连接杆54，星形件34以及上夹板31、下夹板32组成的柔性星形桨毂3相当于曲柄51，高速圆盘1相当于基础53，高速圆盘1开口处对应曲柄摇块机构的摇块52(旋翼桨叶2在折叠后，桨尖在所述高速圆盘1开口处留有适当长度，保证旋翼桨叶2的下次顺利展开)。旋翼桨叶2与柔性星形桨毂3通过连接铰相连，并且在所述的旋翼桨叶2和柔性星形桨毂3之间设置有锁定机构，在旋翼桨叶2旋转工作时，所述的锁定机构锁定，保证旋翼系统在周向运动过程中的刚度。在折展过程中，锁定机构打开，使得旋翼桨叶2与柔性星形桨毂3之间仅通过连接铰21连接。此时旋翼系统在差动机构的驱动下，柔性星形桨毂3相对于高速圆盘1转动，进而拉动旋翼桨叶2进入高速圆盘1，由于旋翼桨叶2在重力作用下的挠度，使得旋翼桨叶2从相邻柔性星形桨毂3的上方绕过，最终达到指定的收放状态，展开和折叠状态如图8、图9所示。

桨叶2在直升机垂直起降过程主要起到产生升力的作用，出于气动特性考虑，桨叶2需要有相应的翼型，在展长方向上，需要具有相应的变弦长和扭转角。目前直升机旋翼系统的桨叶2一般选择采用复合材料桨叶，复合材料桨叶在重力作用下会有相应的挠度。由于复合材料的可设计性，我们可以自己根据设计要求对桨叶2的刚度进行相应的设计。考虑到旋翼系统折展的需要，设计中使得桨叶2的刚度在桨根处刚度较大，在桨尖处刚度较小，由于诱导阻力的存在使得桨尖处的升力减小，因此桨尖刚度的减小对升力的影响较小。

连接铰21主要有两个作用，在直升机垂起过程中主要起到将拉力传递到桨毂3之上，在折展过程中使得桨叶2绕桨毂3旋转。由于折叠状态中空间上的要求，本发明要求桨叶2需要从桨毂3上方绕过，在旋翼系统工作状态中，旋翼系统又要求桨叶2需要与桨毂3共线(保证桨毂3中只有拉力)，因此连接铰21在设计时给与了倾斜角度，使得在两种状态下均能满足相应要求。如图10所示，所述的倾斜角度是指：假设一个竖直平面A，所述的桨叶2和连接铰21在所述的竖直平面A内，连接铰21在竖直平面A内与竖直方向的夹角α大于0，所述夹角即为所述的倾斜角度。所述的夹角α取值范围2～5°。

桨毂3在设计中考虑到需要将桨叶2收入高速圆盘1中，因此桨毂3进行了相应的加长，其他方面没有改变，即保证了桨毂3的传力和操纵要求。

差动机构在旋翼折叠和展开过程中起作用，能够精确地实现160度的角度差动；在其他运动状态差动机构断电，并能保证旋翼系统的正常传力。考虑到直升机的主轴4采用中空结构即可满足强度要求，因此将差动机构布置在主轴4之中，差动机构分别与主轴4和高速圆盘1连接，在两个极限状态下能够保证主轴4和高速圆盘1的基本传力。差动机构在运动中可以准确的实现160度差动，并且能够实现双向差动，以实现旋翼的折叠和展开。

本发明的有益效果在于：

1、充分发挥直升机和固定翼飞机的优势。

能够在特殊地形情况下实现升降，在空中又可以实现较高速度的飞行，能够完成特殊情况下的任务。

2、折展方案具有较高的折展比例。

能够有效地发挥折展旋翼的优势，由于旋翼系统内部20％的桨叶长度基本不产生升力，所以40％的折展比例使得整个旋翼系统的气动特性受到的影响较小。所述的折展比例是指旋翼桨叶在折叠状态下的半径与展开状态下的比值。折展比越小，飞机在平飞状态下旋翼系统产生的阻力就越小。

3、折展方案为改变桨叶形式；

原本的保留了旋翼系统的桨叶形式，使桨叶的变弦长和扭转角能够容易的满足，桨叶不会被打断，这样可以大大减小折展系统造成的气动损失。

4、平飞过程中有较好的气动特性；

旋翼系统折叠状态下，高速圆盘的气动外形能够有效地减小飞机的气动阻力，上表面高突的气动设计一定程度上可以产生部分升力。

5、方案具有较高的工程已实现性；

尽量利用机翼结构原有形式，可以保证整个方案的已实现性，并且可以利用原有的生产条件、设计理论进行加工设计，不需要投入太多的工程研制经费，可以大大降低生产成本。

6、充分考虑桨叶柔性，实现紧凑的折展方式；

在旋翼折叠方案中，充分利用复合材料的柔性，利用有倾斜角度的连接铰，使桨叶从桨毂的上方绕过去。使得整个高速圆盘的高度降低，减小空气阻力。

7、高速圆盘的设计充分考虑旋翼系统原有的功能需求；

由于高速圆盘与主轴在大部分时间需要同步转动，在收放过程中需要差动，并且实现160度的角度差，高速圆盘在主轴和机身两处固定的固定形式可以提高稳定性。

高速圆盘1在飞机平飞过程中需要起到维形作用，减小旋翼系统在高速飞行状态下的空气阻力，并且提供一定的升力，所以高速圆盘1设计成上表面和下表面都突出的圆盘结构。在垂起过程中由于旋翼系统倒锥角的存在，桨毂3会有一定的上翘，为了使得高速圆盘1能够满足倒锥角的要求，高速圆盘1的上表面为圆弧结构根据气动要求进行设计；下表面为圆锥面的一部分，如图2所示，圆锥面的母线与水平面的夹角β等于倒锥角。在旋翼桨叶工作过程中，由于高速圆盘1上圆筒与机身之间为轴承连接，最大程度上减小空气阻力，因此高速圆盘在旋翼桨叶的作用下会相对于机身上下移动，满足桨叶由于挥舞出现的倒锥。

所述的高速圆盘1的直径与桨盘直径的比例为5:13。

Claims (8)

1.一种适用于复合式飞机的旋翼折展机构，其特征在于：包括旋翼桨叶、柔性星形桨毂、主轴和高速圆盘；具有旋翼桨叶的折叠和展开两种状态；所述的旋翼桨叶与柔性星形桨毂之间通过连接铰连接，并且具有锁定机构；所述的主轴为中空结构，高速圆盘为上表面和下表面均凸起的圆盘结构，圆盘结构侧面具有开口，开口数量对应旋翼桨叶的数量；所述高速圆盘下表面设计有圆筒结构，所述圆筒结构与机身之间轴承连接，实现高速圆盘的上下移动；所述高速圆盘内部具有转动轴，所述转动轴从主轴顶端穿入，并与固连在主轴内壁的差动机构连接，实现高速圆盘和主轴之间的差动旋转。

2.根据权利要求1所述的一种适用于复合式飞机的旋翼折展机构，其特征在于：所述的折叠状态，当需要进行折叠时，主轴内部的差动机构运动，使主轴和高速圆盘产生角度差动，当主轴相对高速圆盘转动时，柔性星形桨毂将旋翼桨叶拉入高速圆盘中；所述的展开状态，当需要进行展开时，主轴内部的差动机构运动，使主轴和高速圆盘产生角度差动，当主轴相对高速圆盘转动时，柔性星形桨毂将桨叶推出高速圆盘外。

3.根据权利要求1所述的一种适用于复合式飞机的旋翼折展机构，其特征在于：所述的柔性星形桨毂由上夹板、下夹板、球形轴承和星形件组成，所述的上夹板和下夹板的外端通过连接铰与桨叶连接，使得旋翼桨叶绕连接铰相对柔性星形桨毂旋转，旋翼桨叶折叠或展开；所述上夹板和下夹板的内端分别通过球形轴承与星形件连接。

4.根据权利要求1所述的一种适用于复合式飞机的旋翼折展机构，其特征在于：连接铰在设计时给与了倾斜角度，所述的倾斜角度是指：假设一个竖直平面A，旋翼桨叶和连接铰在所述的竖直平面A内，连接铰在竖直平面A内与竖直方向的夹角，即为所述的倾斜角度；所述夹角大于0。

5.根据权利要求4所述的一种适用于复合式飞机的旋翼折展机构，其特征在于：所述夹角取值范围为2～5°。

6.根据权利要求1所述的一种适用于复合式飞机的旋翼折展机构，其特征在于：差动机构在折展过程中，能够实现主轴和高速圆盘160度差动。

7.根据权利要求1所述的一种适用于复合式飞机的旋翼折展机构，其特征在于：高速圆盘的上表面为圆弧结构根据气动要求进行设计；下表面为圆锥面的一部分，圆锥面的母线与水平面的夹角β等于倒锥角。

8.根据权利要求1所述的一种适用于复合式飞机的旋翼折展机构，其特征在于：所述的高速圆盘的直径与桨盘直径的比例为5:13。