CN105620709A - 一种飞艇两轴联动螺旋桨矢量推进装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种飞艇两轴联动螺旋桨矢量推进装置，包括支撑外框、偏航机构部和俯仰机构部；依靠布设于支撑外框侧板的定位螺钉孔，将支撑外框与飞艇的尾舱或尾部硬支撑结构连接，使支撑外框布局于飞艇的尾部；偏航机构部与支撑外框固定连接，俯仰机构部嵌入偏航机构部内，与偏航机构部的旋转内框固定连接，俯仰机构部的螺旋桨随推进电机同步高速转动，产生推力，偏航机构部负责螺旋桨的方位偏转，俯仰机构部负责螺旋桨的姿态调整，可同步实现飞艇的辅推、偏航和俯仰；该矢量推进装置采用两轴联动，闭环控制，转动角度精确可控，不仅节省了重量和解决了安装难题，而且降低了飞行风险和能源的消耗，成功实现飞艇的爬升、平飞、定点和降落。

Description

一种飞艇两轴联动螺旋桨矢量推进装置

技术领域

本发明涉及飞艇技术领域，作为飞艇矢量推进装置，实现飞艇的辅助推进、俯仰和偏航功能，满足飞艇飞行控制需求。

背景技术

飞艇是一种轻于空气的航空器。飞艇由高分子复合材料制成的气囊和推进、操纵系统、有效载荷组成，气囊内充入密度比空气小的浮升气体，气囊内外气体的密度差提供飞艇的浮力，平衡部分飞艇的自重，一般的中低空飞艇，整个飞艇平台是净重的，依靠螺旋桨高速旋转产生的推进力完成升空和空中飞行。

现有技术中，飞艇的主动力依靠主推螺旋桨获得，而姿态的调整和方位的改变，主要依靠布局在艇体尾部的方向舵来实现，但是，随着飞艇体积的增加，依靠传统舵面实现飞艇的俯仰和偏航主要存在两方面问题：

1.增加了重量和安装难度。随着飞艇体积的增加，要想实现俯仰和偏航功能，舵面的尺寸随之增大，尺寸大，重量增加明显，影响飞艇的飞行策略实施；并且飞艇尾部重量过于集中，不利于飞艇的配平，同时，大尺度舵面在艇体上安装是一个难题，需配备专业的安装设备和标准的艇库，野外作业根本不可能实现，灵活性差；

2.增大了飞行风险和能源的消耗。为了减轻重量，舵面一般采用非金属复合材料研制而成，大尺度舵面抗风能力低，迎风时舵面受力大，易变形，对整个舵面的强度和刚度都是严峻的考验，增加了舵面受损伤的风险，降低了飞行的可靠性；同时，为了实现飞艇的俯仰和偏航需求，大尺度舵面需要消耗更多的能源来抵御气流的影响，从而产生了能源问题。

发明内容

(一)要解决的问题技术

本发明的目的旨在解决传统舵面实现飞艇的俯仰和偏航存在的问题，为此，本发明提供一种飞艇两轴联动矢量推进装置。

(二)技术方案

本发明提供的一种飞艇两轴联动螺旋桨矢量推进装置包括：支撑外框、偏航机构部和俯仰机构部，其中：依靠布设于支撑外框侧板的定位螺钉孔，将支撑外框与飞艇的尾舱或尾部支撑结构连接，使支撑外框布局于飞艇的尾部；偏航机构部与支撑外框固定连接，俯仰机构部嵌入偏航机构部内，与偏航机构部的旋转内框固定连接，俯仰机构部的螺旋桨随推进电机同步高速转动，产生推力，俯仰机构部负责螺旋桨的姿态调整，改变飞艇的俯仰角，偏航机构部负责螺旋桨的方位偏转，实现飞艇的转弯，该发明装置可同步实现飞艇的辅推、偏航和俯仰。

如上所述，俯仰机构部控制飞艇的俯仰，偏航机构部控制飞艇的偏航。螺旋桨高速旋转，可产生推力，当飞艇平飞时，推进电机与飞艇前进方向一致，螺旋桨产生的推力是飞艇前进的动力；当飞艇需要转弯时，偏航减速机启动，使推进电机与螺旋桨方位上偏转一定角度，由于矢量推进装置布局在飞艇尾部，螺旋桨产生的推力在飞艇横向产生了偏航力矩，使飞艇转弯；当飞艇需要调节姿态时，俯仰减速机启动，使推进电机与螺旋桨俯仰一定角度，螺旋桨产生的推力在飞艇纵向产生了俯仰力矩，从而调节了飞艇的飞行姿态。

(三)有益效果

本发明所述矢量装置布局于飞艇尾部，本发明采用电动闭环控制，推进电机带动螺旋桨高速旋转可以用于飞艇前行的推进力，偏航机构部能够实现飞艇的转弯，俯仰机构部可以调节飞艇飞行的姿态，集辅推、俯仰和偏航功能为一体，结合飞行策略实现飞艇的爬升、平飞、定点和下降，位置反馈及时，解决了大尺寸飞艇方向舵所带来的舵面尺寸大、重量重、安装困难、飞行策略受限、飞行风险增大和能源消耗等问题，本发明的矢量装置不仅减轻了重量和解决了安装难题，而且降低了飞行风险和能源的消耗，结构紧凑，强度高、刚度好，安装方便，可靠性有保障，有利于飞艇姿态的调整和整体的布局，给飞艇飞行试验带来了方便，有助于飞艇飞行控制的更好实施。

附图说明

以下将参照附图对本发明的具体实施方式做具体说明，其中：

图1为本发明的一个实例在飞艇平飞前进时的三维视图；

图2为图1的正视图；

图3为图1的侧视图；

图4为本发明的一个实例在飞艇偏航时的三维视图；

图5为本发明的一个实例在飞艇俯仰时的三维视图；

图6为本发明的一个实例在飞艇俯仰和偏航同时进行时的三维视图；

图7为图6的俯视图

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将根据实例并参照附图对本发明的具体实施方式作详细描述。但是，应当说明，本文中所描述的实例仅用于解释本发明，而不是对本发明的保护范围的限定。

本发明飞艇两轴联动螺旋桨矢量推进装置，包括支撑外框、偏航机构部和俯仰机构部，其中：依靠布设于支撑外框侧板的定位螺钉孔，将支撑外框与飞艇的尾舱或尾部支撑结构连接，使支撑外框布局于飞艇的尾部；偏航机构部与支撑外框固定连接，俯仰机构部嵌入偏航机构部内，与偏航机构部的旋转内框固定连接，俯仰机构部的螺旋桨随推进电机同步高速转动，产生推力，俯仰机构部负责螺旋桨的姿态调整，改变飞艇的俯仰角，偏航机构部负责螺旋桨的方位偏转，实现飞艇的转弯，该发明装置可同步实现飞艇的辅推、偏航和俯仰。

如图1示出本发明的一个实例在飞艇平飞前进时的三维视图，图2是图1的正视图，图3是图1的侧视图，图中包括支撑外框1、旋转内框2、偏航电机3、偏航减速器4、俯仰电机5、俯仰减速器6、推进电机7、俯仰轴承8、偏航轴承9、螺旋桨10、左辅助托板11、右辅助托板12以及连接轴13等。其中：

支撑外框1设置有侧板1a、上翼板1b和下翼板1c，上翼板1b与下翼板1c相互平行，且上翼板1b、下翼板1c分别与侧板1a垂直，侧板1a上有多个定位螺钉孔，通过这些定位螺钉孔将支撑外框1固定于飞艇的尾舱或尾部硬支撑结构上。

偏航机构部包括旋转内框2、偏航电机3、偏航减速器4、偏航轴承9和连接轴13；旋转内框2为上板、下板、左侧板和右侧板组成的矩形框架结构，左侧板和右侧板分别设有开孔，所述开孔的位置在左侧板与右侧板的中心，且沿上板与下板的中心轴对称；偏航减速器4置于支撑外框1的上翼板1b上，依靠偏航减速器4侧面的安装定位螺钉孔与上翼板1b固定连接；偏航电机3的输出轴与偏航减速器4的输入轴通过键配合固定连接构成偏航减速机；旋转内框2的上板与偏航减速器4的输出轴固定连接，偏航轴承9布设于支撑外框1中下翼板1c的开孔内，位于旋转内框2的正下方，用于支撑旋转内框2；连接轴13将旋转内框2的下板、支撑外框1的下翼板1c以及偏航轴承9连接在一起，如此，偏航减速器4转动可使旋转内框2在支撑外框1上下翼板之间的区域作方位偏转运动。所述偏航减速器4的输出轴为法兰结构，在法兰结构的本体上布设有偏航定位螺纹孔，通过偏航定位螺纹孔将旋转内框2的上板与偏航减速器4的输出轴即输出法兰固定连接。所述偏航轴承9都使用圆锥滚子轴承，能同时承受一定轴向力和径向力，在受压情况下仍然能自由转动，偏航轴承9和偏航减速机的输出轴在同一中心线上。

俯仰机构部包括俯仰电机5、俯仰减速器6、推进电机7、俯仰轴承8、螺旋桨10、左辅助托板11、右辅助托板12；俯仰机构部的俯仰减速器6通过其侧面的安装定位螺钉孔与旋转内框2的右侧板固定连接，俯仰电机5的输出轴与俯仰减速器6的输入轴通过键配合固定连接构成俯仰减速机；右辅助托板12与俯仰减速器6的输出轴固定连接。左辅助托板11与俯仰轴承8固定连接，可沿旋转内框2的左侧板开孔中心自由转动，左辅助托板11为平板加圆轴结构，圆轴部分与俯仰轴承8的内孔过盈配合，俯仰轴承8固定于旋转内框2的左侧板上的开孔内。推进电机7两侧均设有推进定位螺纹孔，推进电机7布局于左辅助托板11、右辅助托板12之间并通过定位螺纹孔与左辅助托板11、右辅助托板12固定连接，组成一体。螺旋桨10安装于推进电机7的输出轴上，螺旋桨10随推进电机7同步转动。如此，俯仰减速器6的输出轴、推进电机7、俯仰轴承8、螺旋桨10、左辅助托板11和右辅助托板12固定连接组成一体，控制俯仰减速机转动可使推进电机7与螺旋桨10姿态改变，并俯仰一定角度(例如±70°)。俯仰减速器6的输出轴也为法兰结构，在法兰结构中布设有俯仰定位螺纹孔，通过俯仰定位螺纹孔将右辅助托板12与俯仰减速器6的输出轴(即输出法兰)固定连接。俯仰轴承8为圆锥滚子轴承，可同时承受一定的轴向力和径向力，在受压情况下仍然能自由转动，俯仰轴承8和俯仰减速机输出轴在同一中心线上。

如上所述，俯仰机构部的俯仰减速器6固定于旋转内框2上，而俯仰机构部的其他部件与俯仰减速器6输出轴连成一体，由此可见，俯仰机构部嵌入偏航机构部内，固定于旋转内框2上，随旋转内框2同步转动。旋转内框2、偏航轴承9与偏航减速器4的输出轴连成一体，控制偏航减速器4转动可使旋转内框2以及俯仰机构部在支撑外框1上下翼板之间的区域作方位偏转运动，偏转一定角度(例如±70°)。

优选地，偏航电机3和俯仰电机5均为伺服电机，具有位置反馈功能，偏航减速器4和俯仰减速器6均为蜗轮蜗杆减速器，且具有自锁功能。

由图1可看出，本发明矢量推进装置依靠支撑外框1安装定位，布设于飞艇尾部。推进电机7带动螺旋桨10高速旋转，可产生飞艇的推力。当飞艇平飞时，推进电机7输出轴轴线方向与飞艇轴线方向一致，保证螺旋桨10产生推力的方向与飞艇前进方向一致，螺旋桨10产生的推力即是飞艇前进的动力。

如图4示出本发明的一个实例在飞艇偏航时的三维视图，当飞艇需要转弯时，偏航减速机启动，由于旋转内框2与偏航减速器4输出轴固定连接，俯仰机构部、偏航轴承9与旋转内框2固定连接，因此，旋转内框2、俯仰机构部、偏航轴承9与偏航减速器4的输出轴连成一体，旋转内框2、俯仰机构部随偏航减速机同步转动，控制偏航减速器4转动可使俯仰机构部的推进电机7与螺旋桨10在方位上偏转一角度(例如±70°)。螺旋桨10产生的推力方向与飞艇轴线在水平面内成一夹角(例如±70°)，由于本发明矢量推进装置布局在飞艇尾部，螺旋桨产生的推力在飞艇横向产生了偏航力矩，完成飞艇转弯。

如图5示出本发明的一个实例在飞艇俯仰时的三维视图，当飞艇需要爬升或下降时，俯仰减速机启动，由于推进电机7、螺旋桨10、左辅助托板11、右辅助托板12、俯仰轴承8和俯仰减速器6的输出轴连成一体，随俯仰减速器6同步转动，控制俯仰减速器6转动可使推进电机7与螺旋桨10姿态改变，俯仰一定角度(例如±70°)。螺旋桨10产生的推力方向与飞艇轴线在纵向平面内成一夹角(例如±70°)，由于本发明矢量推进装置布局在飞艇尾部，螺旋桨产生的推力在飞艇纵向产生了俯仰力矩，调节了飞艇的飞行姿态，完成飞艇爬升或下降。

如图6示出本发明的一个实例在飞艇俯仰和偏航同时进行时的三维视图，图7是图6的俯视图，当飞艇转弯同时又需要调整姿态时，偏航减速器4和俯仰减速器6同时启动，俯仰减速器6使推进电机7与螺旋桨10俯仰一定角度，完成飞艇姿态调整；偏航减速器4使推进电机7与螺旋桨10方位偏转一定角度，完成飞艇转弯。

综上所述，在本发明的飞艇两轴联动矢量推进装置中，俯仰机构部完成飞艇的姿态调整需求，偏航机构部实现飞艇转弯的目的，并且俯仰机构部和偏航机构部可同时运行，互不影响，同步做到飞艇的俯仰和偏航的两轴联动，闭环控制，转动角度精确，位置反馈及时，并且依靠偏航减速器4和俯仰减速器6的自锁功能，无外加指令情况下，俯仰机构部和偏航机构部能保持既定位置，增加了本发明矢量推进装置的刚度以及飞行的稳定性。人为控制时，俯仰减速机的驱动力矩，用以克服螺旋桨俯仰时产生的阻力矩，偏航减速机的驱动力矩，用以克服螺旋桨偏航时产生的阻力矩。

以上通过举例对本发明进行了说明，但是，并不限于本发明。应当明白，在该原理和精神下，还可以对所举实例做出各种变化、变更以及组合，这些变化和变更以及组合只要被涵盖在本发明的权利要求范围内，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种飞艇两轴联动螺旋桨矢量推进装置，其特征在于包括：支撑外框、偏航机构部和俯仰机构部，其中：依靠布设于支撑外框侧板的定位螺钉孔，将支撑外框与飞艇的尾舱或尾部支撑结构连接，使支撑外框布局于飞艇的尾部；偏航机构部与支撑外框固定连接，俯仰机构部嵌入偏航机构部内，与偏航机构部的旋转内框固定连接，俯仰机构部的螺旋桨随推进电机同步高速转动，产生推力，俯仰机构部负责螺旋桨的姿态调整，改变飞艇的俯仰角，偏航机构部负责螺旋桨的方位偏转，实现飞艇的转弯，该发明装置可同步实现飞艇的辅推、偏航和俯仰。

2.根据权利要求1所述的飞艇两轴联动螺旋桨矢量推进装置，其特征在于，所述支撑外框设置有侧板、上翼板和下翼板，上翼板与下翼板相互平行，上翼板和下翼板与侧板垂直，侧板上有多个定位螺钉孔。

3.根据权利要求2所述的飞艇两轴联动螺旋桨矢量推进装置，其特征在于，所述旋转内框为上板、下板、左侧板和右侧板组成矩形框架结构，左侧板和右侧板分别设有开孔，所述开孔的位置在左侧板与右侧板的中心，且沿上板与下板的中心轴对称。

4.根据权利要求3所述的飞艇两轴联动螺旋桨矢量推进装置，其特征在于，所述偏航机构部包括旋转内框、偏航电机、偏航减速器、偏航轴承和连接轴；偏航减速器置于支撑外框的上翼板上，依靠偏航减速器侧面的安装定位螺钉孔与上翼板固定连接；偏航电机的输出轴与偏航减速器的输入轴通过键配合固定连接构成偏航减速机；旋转内框的上板与偏航减速器的输出轴固定连接，偏航轴承布设于支撑外框中下翼板的开孔内，位于旋转内框的正下方，用于支撑旋转内框；连接轴将旋转内框的下板、支撑外框的下翼板以及偏航轴承连接在一起，如此，偏航减速器转动使旋转内框在支撑外框的上下翼板之间的区域作方位偏转运动。

5.根据权利要求4所述的飞艇两轴联动螺旋桨矢量推进装置，其特征在于，所述俯仰机构部包括俯仰电机、俯仰减速器、推进电机、俯仰轴承、螺旋桨、左辅助托板、右辅助托板；俯仰减速器通过其侧面的安装定位螺钉孔与旋转内框的右侧板固定连接，俯仰电机的输出轴与俯仰减速器的输入轴通过键配合固定连接构成俯仰减速机；右辅助托板与俯仰减速器的输出轴固定连接；左辅助托板与俯仰轴承固定连接，并沿旋转内框的左侧板开孔中心自由转动，左辅助托板为平板加圆轴结构，所述圆轴与俯仰轴承的内孔过盈配合，俯仰轴承固定于旋转内框的左侧板上的开孔内；推进电机两侧均设有安装定位螺纹孔，推进电机布局于左辅助托板、右辅助托板之间并通过安装定位螺纹孔与左辅助托板、右辅助托板固定连接成一体；螺旋桨安装于推进电机的输出轴上，螺旋桨随推进电机同步转动；如此，俯仰减速器的输出轴、推进电机、俯仰轴承、螺旋桨、左辅助托板和右辅助托板固定连接组成一体，控制俯仰减速机转动使推进电机与螺旋桨姿态改变，并俯仰一角度。

6.根据权利要求4所述的飞艇两轴联动螺旋桨矢量推进装置，其特征在于，所述偏航减速器的输出轴为法兰结构，在法兰结构的本体上布设有偏航定位螺纹孔，通过偏航定位螺纹孔将旋转内框的上板与偏航减速器的输出轴即输出法兰固定连接。

7.根据权利要求5所述的飞艇两轴联动螺旋桨矢量推进装置，其特征在于，所述俯仰减速器的输出轴也为法兰结构，在法兰结构中布设有俯仰定位螺纹孔，通过俯仰定位螺纹孔将右辅助托板与俯仰减速器的输出轴即输出法兰固定连接。

8.根据权利要求5所述的飞艇两轴联动螺旋桨矢量推进装置，其特征在于，俯所述仰轴承、偏航轴承都使用圆锥滚子轴承，能同时承受一定轴向力和径向力，在受压情况下仍然能自由转动，俯仰轴承和俯仰减速机输出轴在同一中心线上，以及偏航轴承和偏航减速机的输出轴在同一中心线上。

9.根据权利要求5所述的飞艇两轴联动螺旋桨矢量推进装置，其特征在于，所述偏航电机和俯仰电机都使用伺服电机，具有位置反馈功能，偏航减速器和俯仰减速器均为蜗轮蜗杆减速器，且具有自锁功能。

10.根据权利要求1所述的飞艇两轴联动螺旋桨矢量推进装置，其特征在于，所述俯仰机构部完成飞艇的姿态调整需求，偏航机构部实现飞艇转弯的目的；并且俯仰机构部和偏航机构部能同时运行，互不影响，同步做到飞艇的俯仰和偏航的两轴联动；无外加指令情况下，俯仰机构部和偏航机构部能保持既定位置；人为控制时，俯仰减速机的驱动力矩，用以克服螺旋桨俯仰时产生的阻力矩，偏航减速机的驱动力矩，用以克服螺旋桨偏航时产生的阻力矩。