CN105620743A - 一种倾转三旋翼飞行器倾转机构 - Google Patents

Abstract

本发明倾转三旋翼飞行器倾转机构包括三套旋翼系统，两套旋翼位于机身前部，固定在机身上的前倾转轴两端；一套旋翼系统位于机身后部，与机身上伸出的偏航轴相连。三套旋翼系统都位于机身水平面下方，后旋翼系统在前后倾转的同时还又可以绕偏航轴左右转动，用于飞机航向控制。在以三旋翼模式垂直起飞(或降落)时，三套旋翼系统产生垂直向下推力和航向力矩，实现倾转三旋翼飞行器垂直起飞(或降落)；当由三旋翼模式向固定翼模式加速过渡时，三套旋翼系统由垂直向后倾转，作为倾转三旋翼飞行器固定翼模式飞行动力；当由固定翼模式向三旋翼模式减速过渡时，三套旋翼系统由水平向前倾转。本发明减小了倾转力矩，改善了倾转驱动机构受力状况。

Description

一种倾转三旋翼飞行器倾转机构

技术领域：

本发明涉及一种倾转三旋翼飞行器倾转机构，其属于航空机械领域。

背景技术：

倾转旋翼飞机具有优良的短距/垂直起降和高速巡航性能，已经得到了各国包括军用和民用领域越来越多的重视，如美国的V22“鱼鹰”飞机已经在美国军队服役。但同时这种飞机也有它固有的缺陷，如结构复杂、安全性、可维护性差等。“鱼鹰”的旋翼系统结构上采用与常规直升机同样的可周期变桨距机构，这就极大的增加了结构重量和复杂性，增加了维护成本；在直升机模式下，旋翼与机翼有很大的重叠面积，造成的气动干扰极大的削弱了悬停时的拉力效率；由于旋翼过大，“鱼鹰”不能像常规固定翼飞机那样以常规方式起飞降落，客观上减少了它的航程潜力，同时过大的旋翼也限制了飞机的最大飞行速度。

倾转三旋翼飞行器国内外也已有研究，但机身都限于常规布局，且由于后机身的阻挡，后旋翼系统只能设置为固定的向上产生拉力的方式，最多只能左右转动产生偏航力矩来控制航向，而不能像前两套旋翼系统一样前后倾转。这就使得在固定翼模式飞行时，后旋翼系统停止工作，且会产生一定的阻力；此种构型的倾转三旋翼飞行器并没有充分发挥其所有旋翼系统的效率。

发明内容：

本发明提供一种倾转三旋翼飞行器倾转机构，通过前后倾转机构带动前两套旋翼系统和后旋翼系统倾转，以及后旋翼系统偏航运动，实现倾转三旋翼飞行器三旋翼模式和固定翼模式飞行和过渡转换。

本发明采用如下技术方案：一种倾转三旋翼飞行器倾转机构，包括机身、固定于机身前部下方的前倾转轴、从机身后部伸出的航向控制轴、固定在航向控制轴上的后倾转轴、前两套旋翼系统和后旋翼系统、固定于前倾转轴上的驱动前两套旋翼系统运动的前电机、固定于后倾转轴上的驱动后旋翼系统运动的后电机、机翼、固定于机翼上的升降副翼和翼尖小翼、位于机身下方的前起落架和主起落架，其中机翼共包括有两个，其分别位于机身的左右两侧，在所述前倾转轴中部安装有第二同步带轮、第一同步带轮、前倾转舵机、同步带，其中前倾转舵机的转轴固连于第一同步带轮右侧，第一同步带轮位于第二同步带轮正上方，第二同步带轮固定在前倾转轴中间位置，利用同步带将第一同步带轮和第二同步带轮连接起来，所述前倾转轴、第二同步带轮、第一同步带轮、前倾转舵机以及同步带共同构成了前倾转机构；在所述后倾转轴前部安装有滑轮、软钢丝、后倾转舵机、舵机盘，其中后倾转舵机的转轴固连于舵机盘左侧，软钢丝固定在舵机盘上的凹槽内，软钢丝通过滑轮将舵机盘和后倾转轴连接起来，所述后倾转轴、滑轮、软钢丝、后倾转舵机及舵机盘共同构成了后倾转机构；在所述航向控制轴前端安装有偏航舵机、连杆、摇臂及舵角，其中摇臂固连在偏航舵机左侧，舵角固定在航向控制轴上，摇臂和舵角平行且通过连杆连接，所述航向控制轴、偏航舵机、连杆、摇臂以及舵角共同构成了偏航轴控制机构。

进一步地，所述前两套旋翼系统位于前倾转轴两端，后旋翼系统位于航向控制轴末端。

进一步地，所述前两套旋翼和后旋翼系统呈正三角形或等腰三角形布置。

进一步地，所述前两套旋翼和后旋翼系统的尺寸相同。

本发明具有如下有益效果：

(1)与倾转两旋翼相比，倾转三旋翼飞行器可以更容易配平纵向力矩，对重心位置不敏感；

(2)前两套旋翼系统和后旋翼系统在三旋翼模式和固定翼模式下都在使用，充分利用所有旋翼系统的动力；

(3)倾转机构使所有旋翼系统在由三旋翼模式向固定翼模式加速过渡时均向后倾，减少倾转力矩，保护倾转驱动机构和舵机，通过前两套旋翼系统和后旋翼系统的差动可有效提供纵向増稳控制，通过前两套旋翼系统转速差动，可有效提供航向増稳控制；

(4)倾转三旋翼飞行器由三旋翼模式向固定翼模式转换时，三套旋翼系统向后倾转加速过渡可有效减少所需倾转力矩，保护旋翼倾转驱动机构；

(5)前倾转轴驱动机构，后倾转轴驱动机构以及航向控制轴驱动机构分开设计，由飞控系统单独控制，通过前两套旋翼系统和后旋翼系统的差动可有效提供纵向俯仰力矩控制；

(6)机身后部预留足够的空间，能够使后旋翼系统可以前后倾转及左右偏航运动。

附图说明：

图1为本发明倾转三旋翼飞行器倾转机构整体布局图(处于固定翼模式)。

图2是倾转三旋翼飞行器前倾转机构。

图3是倾转三旋翼飞行器后倾转机构。

图4是倾转三旋翼飞行器偏航轴控制机构。

图5是在低速风洞中测试倾转三旋翼飞行器倾转机构后倾和前倾加速过渡所需倾转力矩。

其中：

1-机身，2-旋翼系统，3-机翼，4-升降副翼，5-航向控制轴，6-后倾转轴，7-后电机，8-前起落架，9-前倾转轴，10-前电机，11-主起落架，12-翼尖小翼，13-前倾转舵机，14-第一同步带轮，15-第二同步带轮，16-后倾转舵机，17-滑轮，18-软钢丝，19-舵机盘，20-连杆，21-舵角，22-摇臂，23-偏航舵机。

具体实施方式：

请参照图1至图4所示，本发明倾转三旋翼飞行器倾转机构包括机身1、固定于机身1前部下方的前倾转轴9、从机身1后部伸出的航向控制轴5、固定在航向控制轴5上的后倾转轴6、前两套旋翼系统和后旋翼系统2、固定于前倾转轴9上的驱动前两套旋翼系统运动的前电机10、固定于后倾转轴6上的驱动后旋翼系统运动的后电机7、机翼3、固定于机翼3上的升降副翼4和翼尖小翼12、位于机身1下方的前起落架8和主起落架11，其中机翼3共包括有两个，其分别位于机身1的左右两侧。在前倾转轴9中部安装有第二同步带轮15、第一同步带轮14、前倾转舵机13、同步带，前倾转舵机13的转轴固连于第一同步带轮14右侧，第一同步带轮14位于第二同步带轮15正上方，第二同步带轮15固定在前倾转轴9中间位置，利用同步带将第一同步带轮14和第二同步带轮15连接起来，前倾转轴9、第二同步带轮15、第一同步带轮14、前倾转舵机13以及同步带共同构成了本发明倾转三旋翼飞行器前倾转机构。其中前倾转舵机13通过同步带、第一同步带轮14、第二同步带轮15使前倾转轴9与前倾转舵机13同步转动，以此带动前两套旋翼系统倾转。在后倾转轴6上安装有滑轮17、软钢丝18、后倾转舵机16、舵机盘19，后倾转舵机16的转轴固连于舵机盘19左侧，软钢丝18固定在舵机盘19上的凹槽内，软钢丝18通过滑轮17将舵机盘19和后倾转轴6连接起来，后倾转轴6、滑轮17、软钢丝18、后倾转舵机16及舵机盘19共同构成了本发明倾转三旋翼飞行器后倾转机构。其中后倾转舵机16通过舵机盘19和软钢丝18使后倾转轴6与后倾转舵机16同步转动，以此带动后旋翼系统倾转。在航向控制轴5上安装有偏航舵机23、连杆20、摇臂22及舵角21，摇臂22固连在偏航舵机23左侧，舵角21固定在航向控制轴5上，摇臂22和舵角21平行且通过连杆20连接，航向控制轴5、偏航舵机23、连杆20、摇臂22以及舵角21共同构成了本发明倾转三旋翼飞行器偏航轴控制机构。其中偏航舵机23通过连杆20和摇臂22使航向控制轴5与偏航舵机23同步转动，以此带动后旋翼系统左右偏航运动。

本发明倾转三旋翼飞行器倾转机构中前两套旋翼系统位于前倾转轴9两端，后旋翼系统位于航向控制轴5末端。三套旋翼系统呈正三角形或等腰三角形布置，三套旋翼系统中前两套旋翼系统旋翼转向相反，后旋翼系统可以与前两套旋翼系统的旋翼尺寸不同(优选为旋翼尺寸相同且三套旋翼系统呈正三角形布置)且旋翼转向任意。

前两套旋翼系统倾转角度范围为-10°～95°(以旋翼系统轴线水平为0°，旋翼系统下偏为正，上偏为负)，后旋翼系统倾转角度范围为0°～95°；前两套旋翼系统由前倾转轴驱动偏转，当旋翼系统轴线达到水平状态下，仍有10°的上下偏转裕度，通过飞控系统増稳控制程序，按照姿态变化使前两套旋翼系统在水平0°附近上下偏转，可有效解决飞翼布局飞行器的纵向不稳定问题。当旋翼系统轴线处于垂直90°时，仍可继续向前偏转5°，用于减速过渡，可快速由固定翼模式转换到三旋翼模式。同时，可以通过前两套旋翼系统的转速差动，解决飞翼布局飞行器的航向不稳定问题。

本发明倾转三旋翼飞行器倾转机构在设计时，充分利用飞翼布局的优势，同时解决了飞翼布局飞行器纵向和航向不稳定的缺点。并在低速风洞中，通过倾转力矩试验，验证该倾转方式可有效减少倾转力矩的问题；通过模型风洞自由飞试验，验证该套倾转机构的工作情况及可靠性。风洞试验结果表明：在由三旋翼模式向固定翼模式加速过渡时，旋翼系统采用后倾过渡比前倾过渡所需要的倾转力矩大大减少。

如图5所示，为了测试倾转三旋翼飞行器倾转机构后倾和前倾加速过渡过程中所需倾转力矩，在低速风洞中进行了测量倾转力矩试验。试验中，风速恒为12.5m/s，油门设定为55％(接近悬停油门)，对加速过渡状态下前两套旋翼系统前倾和后倾两种过渡方式进行了倾转力矩测量。结果显示，采用后倾转方式可明显减小倾转力矩，这也是本发明采用后倾转方式的原因。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种倾转三旋翼飞行器倾转机构，其特征在于：包括机身(1)、固定于机身(1)前部下方的前倾转轴(9)、从机身(1)后部伸出的航向控制轴(5)、固定在航向控制轴(5)上的后倾转轴(6)、前两套旋翼系统和后旋翼系统(2)、固定于前倾转轴(9)上的驱动前两套旋翼系统运动的前电机(10)、固定于后倾转轴(6)上的驱动后旋翼系统运动的后电机(7)、机翼(3)、固定于机翼(3)上的升降副翼(4)和翼尖小翼(12)、位于机身(1)下方的前起落架(8)和主起落架(11)，其中机翼(3)共包括有两个，其分别位于机身(1)的左右两侧，在所述前倾转轴(9)中部安装有第二同步带轮(15)、第一同步带轮(14)、前倾转舵机(13)、同步带，其中前倾转舵机(13)的转轴固连于第一同步带轮(14)右侧，第一同步带轮(14)位于第二同步带轮(15)正上方，第二同步带轮(15)固定在前倾转轴(9)中间位置，利用同步带将第一同步带轮(14)和第二同步带轮(15)连接起来，所述前倾转轴(9)、第二同步带轮(15)、第一同步带轮(14)、前倾转舵机(13)以及同步带共同构成了前倾转机构；在所述后倾转轴(6)前部安装有滑轮(17)、软钢丝(18)、后倾转舵机(16)、舵机盘(19)，其中后倾转舵机(16)的转轴固连于舵机盘(19)左侧，软钢丝(18)固定在舵机盘(19)上的凹槽内，软钢丝(18)通过滑轮(17)将舵机盘(19)和后倾转轴(6)连接起来，所述后倾转轴(6)、滑轮(17)、软钢丝(18)、后倾转舵机(16)及舵机盘(19)共同构成了后倾转机构；在所述航向控制轴(5)前端安装有偏航舵机(23)、连杆(20)、摇臂(22)及舵角(21)，其中摇臂(22)固连在偏航舵机(23)左侧，舵角(21)固定在航向控制轴(5)上，摇臂(22)和舵角(21)平行且通过连杆(20)连接，所述航向控制轴(5)、偏航舵机(23)、连杆(20)、摇臂(22)以及舵角(21)共同构成了偏航轴控制机构。

2.如权利要求1所述的倾转三旋翼飞行器倾转机构，其特征在于：所述前两套旋翼系统位于前倾转轴(9)两端，后旋翼系统位于航向控制轴(5)末端。

3.如权利要求2所述的倾转三旋翼飞行器倾转机构，其特征在于：所述前两套旋翼和后旋翼系统呈正三角形或等腰三角形布置。

4.如权利要求3所述的倾转三旋翼飞行器倾转机构，其特征在于：所述前两套旋翼和后旋翼系统的尺寸相同。