CN105173070B - 一种复合式共轴无人直升机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种复合式无人共轴直升机，除具有机身外壳、机身支撑结构、发动机、油箱、直升机主旋翼、直升机主减速器、机翼与尾翼外，还包括动力分配及离合系统与推进螺旋桨。推进螺旋桨安装在机身后部；该直升机可以依据不同的飞行速度在不同的飞行阶段，由动力分配及离合系统将发动机动力分配至主旋翼与推进螺旋桨，实现垂直起降、悬停及低速前飞，中速飞行与高速飞行三种模式；本发明的优点为：相比于常规直升机而言，可显著提高其飞行速度；采用一套发动机为两套飞行系统提供动力，重量轻；采用共轴双旋翼模式，气流对称，气动效果好，结构紧凑，尺寸小，高速时进入自转模式，阻力更小。

Description

一种复合式共轴无人直升机

技术领域

本发明涉及航空技术领域，具体来说，是一种新型的复合式共轴无人直升机。

技术背景

直升机可以实现垂直起飞和空中悬停，但是常规直升机存在着速度低、航程航时短等缺点。经过国内外研究，通过理论分析和实践积累证明，采取直升机与其他动力、升力系统复合的方式即复合式直升机，可以有效的提高直升机的飞行速度，继而加大其航程航时。

目前，国内外所采用的复合式直升机具有多种形式：

形式1：共轴式直升机与推进装置复合，如图1所示。如美国西科斯基公司的新一代高速攻击机X2，升力装置采用共轴双旋翼，推进装置采用尾推进螺旋桨，采用一体化设计。前飞时采用尾推进螺旋桨推动，最高速度达到259英里每小时。

形式2：直升机与固定翼飞机复合，如图2所示。如前苏联卡莫夫研制的Ka-22Vintrokryl，布局为两个前拉螺旋桨与横列式双旋翼复合并配有固定机翼。利用横列式双旋翼进行垂直起降和空中悬停，利用前拉螺旋桨进行高速前飞。

对于形式1来说，其采用的先进共轴刚性旋翼技术，对旋翼的设计、制造工艺要求较高，难以实现制造且成本过高。

对于形式2来说，结构复杂，机体重量较大；控制系统复杂，稳定性较差；振动问题严重，对制造材料要求较高。

由此可见，目前存在的复合式直升机形式，都存在着不可避免的问题。

发明内容

为了克服现有复合式直升机形式的缺点，本发明提出一种复合式共轴无人直升机，可提高直升机航时、航程和飞行速度，同时增加其稳定性与可控性。

本发明复合式共轴无人直升机，包括机身外壳、机身支撑结构、发动机、油箱、直升机主旋翼、直升机主减速器、机翼与尾翼。所述机身外壳用来容纳机身支撑结构、发动机、油箱、直升机主减速器。机身支撑结构用来支撑发动机、油箱与直升机主减速器。机身两侧安装有机翼；机身后部安装有尾翼。

所述直升机主旋翼包括上旋翼与下旋翼；上旋翼的旋翼轴套在下旋翼的旋翼轴内部，与直升机主减速器中下锥齿轮固定；下旋翼的旋翼轴与直升机主减速器的上锥齿轮固定。

本发明复合式共轴无人直升机，还包括推进螺旋桨与动力分配及离合系统；推进螺旋桨安装于身外壳后端。动力分配及离合系统位于机身外壳内部。其中，动力分配及离合系统具有两组齿轮组，令分别为齿轮组A与齿轮组B；且齿轮组A与齿轮组B中均具有输入齿轮组与输出齿轮组。齿轮组A中输入齿轮组固定安装于发动机的输出轴上；输出齿轮组固定安装于直升机主减速器的动力输入锥齿轮轴上。齿轮组B中输入齿轮组固定安装于发动机的输出轴上；输出齿轮组固定安装于推进螺旋桨的桨轴上。

本发明的优点在于：

1、本发明复合式共轴无人直升机，与常规直升机(单旋翼带尾桨)相比，采取共轴直升机与固定翼飞机复合的形式，有效提高航程及航时。

2、本发明复合式共轴无人直升机，与常规直升机(单旋翼带尾桨)相比，高速飞行状态下，主旋翼采取自转旋翼形式，旋翼操纵系统依旧保持其操纵能力，辅以机翼及推进桨叶，显著提高飞行速度。

3、本发明复合式共轴无人直升机，与常规直升机(单旋翼带尾桨)相比，由于采用共轴双旋翼形式，气流对称，气动效果优良；无尾桨，消除尾桨故障率。

4、本发明复合式共轴无人直升机，与固定翼飞机相比，采取直升机与固定翼复合的形式，可以实现垂直起降，消除固定翼飞机对跑道的依赖。

5、本发明复合式共轴无人直升机，与固定翼飞机相比，可以实现空中悬停、低速飞行、中速过渡和高速飞行，满足不同类型任务的需要，应用性强。

6、本发明复合式共轴无人直升机，与固定翼飞机相比，设计有动力分配及离合系统，实现旋翼和螺旋桨动力分配和分离，只用一台发动机可控制驱动两套动力系统，不增加额外的发动机，有效减少重量。

附图说明

图1为现有共轴式直升机与推进装置复合形式示意图；

图2为现有直升机与固定翼飞机复合形式示意图；

图3为本发明复合式共轴无人直升机侧面剖视图

图4为本发明复合式共轴无人直升机俯视图；

图5为本发明复合式共轴无人直升机垂直起降、悬停及低速前飞时的结构形式示意图；

图6为本发明复合式共轴无人直升机高速飞行时的结构形式示意图；

图7为本发明复合式共轴无人直升机中速飞行时的结构形式示意图。

图中：

1-机身外壳 2-机身支撑结构 3-发动机 4-油箱

5-动力分配及离合系统 6-推进螺旋桨 7-直升机主旋翼 8-直升机主减速器

9-机翼 10-尾翼 11-散热装置 501-输入齿轮组

502-输出齿轮组 701-上旋翼 702-下旋翼 703-内轴

704-外轴 801-上锥齿轮 802-下锥齿轮 803-动力输入锥齿轮轴

901-外侧机翼 902-内侧机翼 10a-水平尾翼 10b-垂直尾翼

10c-尾撑

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明。

本发明复合式共轴无人直升机，总体布局采用双尾撑双立尾布局，结合共轴双旋翼和机翼的复合式结构，包括机身外壳1、机身支撑结构2、发动机3、油箱4、动力分配及离合系统5、推进螺旋桨6、直升机主旋翼7、直升机主减速器8、机翼9与尾翼10，如图3、4所示。

所述机身外壳1用来容纳机身支撑结构2、发动机3、油箱4、动力分配及离合系统5与直升机主减速器8。其中，机身支撑结构2为框架结构安装于机身外壳1内部，用于对本发明中功能及结构部件进行支撑。发动机3位于机身外壳1前端，通过发动机支架安装于机身支撑结构2上。油箱4固定位于机身外壳1中部，固定于机身支撑结构2上，且位于机身支撑结构2内，通过机身外壳1对油箱4进一步保护。直升机主减速器8固定安装于机身支撑结构2上部，内部具有上锥齿轮801、下锥齿轮802，以及与上锥齿轮801、下锥齿轮802啮合的动力输入锥齿轮轴803，实现动力的传递。动力分配及离合系统5具有两组齿轮组，令分别为齿轮组A与齿轮组B；其中，齿轮组A位于发动机3的输出轴与直升机主减速器8的动力输入锥齿轮轴803之间；齿轮组B位于机身外壳1后端,连接发动机3的输出轴与推力螺旋桨6的桨轴。齿轮组A与齿轮组B实为一种离合机构，两者相互配合，实现将发动机3的动力按比例分配给主旋翼7和推力螺旋桨6。

所述直升机主旋翼7包括上旋翼701、下旋翼702；上旋翼的旋翼轴套在下旋翼的旋翼轴内部；其中，上旋翼701的旋翼轴与直升机主减速器8中下锥齿轮802固定；下旋翼702的旋翼轴与直升机主减速器8的上锥齿轮801固定；由此，发动机3输出的动力经动力分配及离合系统5中齿轮组A传递至直升机主减速器8后，最终由直升机主减速器8将动力传递至上旋翼701与下旋翼702，上旋翼701与下旋翼702反向旋转，以共轴双旋翼形式提供升力。

所述推进螺旋桨6安装于机身后端，推进螺旋桨6的螺旋桨轴轴线与主旋翼7轴线相交且垂直；推进螺旋桨6的螺旋桨轴的动力经动力分配及离合系统5中齿轮组B传递至推进螺旋桨6，使推进螺旋桨6产生向后推力，为复合式共轴无人直升机提供前进动力。

上述动力分配及离合系统5中齿轮组A与齿轮组B中均具有输入齿轮组501与输出齿轮组502。齿轮组A中输入齿轮组501固定安装于发动机3的输出轴上；输出齿轮组502固定安装于直升机主减速器8的动力输入锥齿轮轴803上。齿轮组B中输入齿轮组501固定安装于发动机3的输出轴上；输出齿轮组502固定安装于推进螺旋桨6的桨轴上。通过动力分配及离合系统5中的离合控制部分对齿轮组A与齿轮组B进行控制，当只控制齿轮组A中输入齿轮组501的工作齿轮与输出齿轮组502的工作齿轮相啮合时，实现将发动机3的全部动力传递给直升机主减速器8；当只控制齿轮组B中输入齿轮组501的工作齿轮与输出齿轮组502的工作齿轮相啮合时，实现将发动机3全部动力传递给推进螺旋桨6。当控制齿轮组A中输入齿轮组501的工作齿轮与输出齿轮组502的工作齿轮相啮合，同时控制齿轮组B中输入齿轮组501的工作齿轮也与输出齿轮组502的工作齿轮相啮合时，则根据齿轮组A、齿轮组B中输入齿轮组501与输出齿轮组502的工作齿轮间的传动比，实现按照一定比例向直升机主减速器8与推进螺旋桨6的动力传递，且通过离合控制部分还可实现向直升机主减速器8与推进螺旋桨6的动力传递比例调节。

所述机身外壳1中部两侧安装有机翼9，具有外机翼901与内短翼902。内短翼902用来实现外部载荷的吊装，以及机翼9的支撑。内短翼902由机身支撑结构2进行支撑，使机身支撑结构2穿过机身外壳1，与内短翼902固定。上述机翼9四分之一弦线位于主旋翼7的转轴后部。上述外机翼901可拆卸，满足不同飞行任务时的升力需求；内短翼902既固定有双尾撑10c，又可挂载装备，尾翼10通过双尾撑10c与机身支撑结构2相连。

所述尾翼10置于机身外壳1后部，包括水平尾翼10a和垂直尾翼10b组成。其中，垂直尾翼10b有两个，分别固定安装于两尾撑10c末端。两尾撑10c之间固定安装有水平尾翼10a，位于两尾撑10c末端。两尾撑10c前端分别与机身支撑结构2中对机身外壳1两侧的短翼进行支撑的部分固连，两个尾撑10c分别位于推进螺旋桨6左右两侧。

本发明中，发动机3采用水冷方式冷却，水平尾翼内置散热装置11，冷却管道回路由发动机3起始，依次通过机身支撑结构1-左侧尾撑10c-水平尾翼内置散热装置11-右侧尾撑10c-机身支撑结构1，再回到发动机3，形成闭环。且本发明复合式共轴无人直升机重心位于主旋翼7轴线上。

本发明复合式共轴无人直升机飞行分为三个阶段，阶段A：垂直起降、悬停及低速前飞，阶段B：中速过渡阶段，阶段C：高速飞行阶段。飞行计划的实施以及飞行阶段的过渡方式如下：

阶段A通过动力分配及离合系统5将发动机3输出的动力全部传给直升机主减速器8，带动主旋翼7转动产生升力，直升机垂直起飞并做低速前飞，直升机机姿态及航速等均通过主旋翼7的操纵机构进行控制。

阶段B随着直升机飞行速度的提升，直升机无法满足其继续增加速度的要求，通过动力分配及离合系统5将一部分动力分配给推进螺旋桨6，产生前进的推力；对于主旋翼7部分动力减少而造成的升力损失，则由直升机飞行速度提升产生的机翼9升力增量补偿。此时直升机姿态及航速等则通过机翼9、尾翼10的控制舵面和主旋翼7的操纵机构共同控制。

阶段C直升机飞行速度的进一步提升，主旋翼7作为一个较大的阻力源制约直升机速度的增加，故此时通过动力分配及离合系统5，将发动机3输出的全部动力传给推进螺旋桨6，此时主旋翼7处于自旋状态。在此飞行阶段的转换过程中，首先断开主旋翼7的传动链，通过控制机翼9及尾翼10的控制舵面使直升机机体产生后倒，机身上扬，使得相对气流斜向吹动主旋翼7，使主旋翼7自转产生升力。此时直升机姿态及航速等同样通过机翼9、尾翼10的控制舵面和主旋翼7的操纵机构共同控制。

本复合式共轴无人直升机采用模块化设计，根据不同的任务需求采取不同的结构形式，拆装方便简单，其具有3种结构形式：

直升机进行垂直起降、悬停及低速前飞时，采用结构形式1，如图5所示，此时本发明复合式共轴无人直升机不具有推进螺旋桨6以及机翼9中的外机翼901。发动机3通过动力分配及离合系统5将动力全部传递给直升机主减速器8，直升机主减速器8带动主旋翼7转动，直升机机可垂直起降，空中悬停并可进行小速度飞行。

直升机进行高速飞行时，采用结构形式2，如图6所示，此时本发明复合式共轴无人直升机包括上述全部结构。高速时主旋翼7处于自转旋翼状态，发动机3输出的动力经由动力分配及离合系统5全部传给推进螺旋桨6，直升机升力一部分由机翼9提供，另一部分由主旋翼7提供。

直升机进行中速飞行时，采用结构形式3，如图7所示，此时本发明复合式共轴无人直升机部具有机翼9的外机翼901。发动机3通过动力分配及离合系统5将动力以一定比例分配给直升机主减速器8和推进螺旋桨6，直升机的升力全部由主旋翼7提供，推进螺旋桨6提供前行推力，提高直升机飞行速度。

Claims (3)

1.一种复合式共轴无人直升机，其特征在于：包括机身外壳、机身支撑结构、发动机、油箱、直升机主旋翼、直升机主减速器、机翼、尾翼、推进螺旋桨与动力分配及离合系统；所述机身外壳用来容纳机身支撑结构、发动机、油箱、直升机主减速器；机身支撑结构用来支撑发动机、油箱与直升机主减速器；机身两侧安装有机翼；机身后部安装有尾翼；所述直升机主旋翼包括上旋翼与下旋翼；上旋翼的旋翼轴套在下旋翼的旋翼轴内部，与直升机主减速器中下锥齿轮固定；下旋翼的旋翼轴与直升机主减速器的上锥齿轮固定；推进螺旋桨安装于机身外壳后端；动力分配及离合系统位于机身外壳内部；

其中，动力分配及离合系统具有两组齿轮组，令分别为齿轮组A与齿轮组B；且齿轮组A与齿轮组B中均具有输入齿轮组与输出齿轮组；齿轮组A中输入齿轮组固定安装于发动机的输出轴上；输出齿轮组固定安装于直升机主减速器的动力输入锥齿轮轴上；齿轮组B中输入齿轮组固定安装于发动机的输出轴上；输出齿轮组固定安装于推进螺旋桨的桨轴上；

具有三种结构形式：分别用于直升机进行低速垂直起降或悬停、直升机进行高速飞行与直升机进行中速飞行；其中直升机进行低速垂直起降或悬停，不具有推进螺旋桨以及机翼中的外机翼；高速飞行时，具有全部结构部件；中速飞行时，不具有机翼的外机翼；

具有三个飞行阶段，分别为垂直起降、悬停及低速前飞阶段，中速过渡阶段与高速飞行阶段；其中，低速垂直起降或悬停阶段时，动力分配及离合系统将发动机输出的动力全部传给直升机主减速器；中速过渡阶段时，动力分配及离合系统将部分动力分配给推进螺旋桨；高速飞行阶段时，动力分配及离合系统将发动机输出的全部动力传给推进螺旋桨；

所述推进螺旋桨的螺旋桨轴轴线与主旋翼轴线相交且垂直；

所述尾翼包括水平尾翼和垂直尾翼；其中，垂直尾翼有两个，分别固定安装于两尾撑末端；两尾撑之间固定安装有水平尾翼，位于两尾撑末端；两尾撑前端分别与机身支撑结构固连，两个尾撑分别位于推进螺旋桨左右两侧；

所述机身外壳中部两侧安装有机翼，具有外机翼与内短翼；内短翼用来实现外部载荷的吊装，以及机翼的支撑；内短翼由机身支撑结构进行支撑，使机身支撑结构穿过机身外壳，与内短翼固定；

所述机翼四分之一弦线位于主旋翼的转轴后部。

2.如权利要求1所述一种复合式共轴无人直升机，其特征在于：所述发动机采用水冷方式冷却，水平尾翼内置散热装置，冷却管道回路由发动机起始，依次通过机身支撑结构-左侧尾撑-散热装置-右侧尾撑-机身支撑结构，再回到发动机，形成闭环。

3.如权利要求1～2任意一项中所述一种复合式共轴无人直升机，其特征在于：重心位于主旋翼的轴线上。