CN106342057B - 一种无人直升机 - Google Patents

Abstract

一种无人直升机。包括旋翼(1)和置于涵道(3)内的风扇(4)共轴反转上下排列，共同构成升力面和飞行操纵面，操纵机构(2)置于旋翼(1)与涵道风扇(4)之间。涵道机身内装油箱和飞控设备安装在“井”字梁(5)上方，发动机(8)、减速器(7)分别吊装在“井”字梁(5)的下方。“井”字梁(5)安装在环形布局的起落架(9)上。本无人直升机与现有国内外无人直升机相比，具有结构紧凑、简单、起降和停放场地小，便于储存和运输，着陆及停机稳定性好，抗气动干扰能力强，气动效率高，悬停和垂直飞行性能好，安全可靠等技术优势。

Description

一种无人直升机

一、技术领域

本发明涉及一种直升机，尤其是涉及一种无尾桨的无人直升机。

二、背景技术

迄今国内外已有或正在研制的无人直升机，按照旋翼气动反扭矩平衡方式大体可分为两大类，既单旋翼带尾桨式无人直升机和共轴双旋翼无人直升机。

已有或正在研制的单旋翼带尾桨式无人直升机，国外的主要有美国的“火力侦察兵”和“蜂鸟”，以及奥地利的“坎姆考普特”和日本的“雅马哈”等小型无人直升机。国内的主要有南京航空航天大学的“翔鸟”无人直升机，以及上海雏鹰科技有限公司的“LE-110”无人直升机等。这类无人直升机都有一个长尾梁，结构不紧凑，起降和停放场地大，尾桨的可靠性和安全性较差；长尾伸向后方，该构形直升机对侧风及后向来风的抗风性较差；因有发动机、旋翼、尾传动轴、尾桨等至少4种不同转速的振源，难以完全避免局部共振。

已有或正在研制的共轴双旋翼无人直升机，国外的主要有美国的“AH-50”反潜无人直升机、德国的“希摩斯”无人直升机、英国的“小精灵”无人直升机、俄罗斯的“Ka-137”无人直升机，国内的有北京航空航天大学正在研制的“M-18”无人直升机。这类无人直升机上下旋翼反扭矩彼此平衡，不需要尾桨消耗能量来平衡反扭矩，气动效率较高；全机结构紧凑，起降和停放场地小，抗突风干扰能力较好；但操纵系统结构复杂，故障率较高；而且上下旋翼之间气功干扰强烈，致使旋翼轴较长，整机高度大，储存和运输不便，起降和停机稳定性较差。

英国专利GB2360752公开了一种无尾桨直升机技术方案，该直升机包括旋翼和位于其下方共轴反转的涵道风扇，提出旋翼的反扭矩由涵道风扇来平衡，风扇和涵道之间构成发电机的转子和定子，通过改变风扇叶片与涵道之间电磁耦合强度，实现航向操纵和稳定性，并提供电能。该专利技术认为旋翼和风扇之间的扭矩平衡是它们彼此之间的角动量平衡，这是一种概念错误。实际上，旋翼和风扇共轴反转，彼此相互平衡的是它们与空气之间的反作用力矩。风扇和涵道之间的电磁作用力属于系统内力，不能改变直升机空中航向姿态。因此，所述的“通过改变风扇叶片与涵道之间电磁耦合强度，实现航向操纵和稳定性”无法实现。

三、发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种其旋翼下设置有共轴反转的涵道风扇的无尾桨无人直升机，它要能够实现旋翼和涵道风扇的气动反扭矩的平衡，并实现航向操纵。

为解决上述技术问题，本发明的无尾桨无人直升机，包括旋翼、涵道、置于涵道中的风扇、旋翼操纵机构、风扇操纵机构、发动机、起落架；所述涵道风扇包括风扇叶片、拉扭杆、固定支座、托盘、带外伸舌片的变距滚筒、变距摇臂。风扇叶片与变距滚筒外伸舌片相连接，变距滚筒通过固定支座与托盘铰接，拉扭杆一端与变距滚筒相连，另一端与托盘固定连接。变距摇臂卡箍在叶片变距滚筒尾部，用于同操纵机构相联。

作为本发明的一种改进，采用“井”字梁作为机体主承力结构，其中所述的涵道为圆环空腔结构，沿其圆周分成对称的八段，装在“井”字梁上方，其中四段空腔结构作为飞控设备舱，分别位于“井”字梁四根梁顶端上方，另外交叉布置四段为油箱舱，内置的四个燃油箱相互联通，“井”字梁安装在环形布局的起落架上，构成全对称的环形涵道机身。两台发动机分别吊装在“井”字梁的下方，沿无人直升机前后纵向排列，分别通过离心式离合器与吊装在“井”字梁下正中间的减速器相联，减速器的外输出轴通过法兰盘与所述托盘相联，减速器内输出轴通过受剪销与旋翼轴相联，旋翼轴上端通过受剪销与旋翼桨毂相联。

作为本发明的另一种改进，起落架由四根复合材料夹层板制成的撬板和底环构成环形结构，四根撬板上端分别与“井”字梁四个端头相联，下端对称地与底环相联；底环与撬板联接处为四段橡胶管，四段橡胶管之间为铝合金管。

作为本发明的另一种改进，所述的旋翼操纵机构由旋翼自动倾斜器机构、三个旋翼操纵舵机和固定托架组成，固定托架由对称分布的四个支臂组成，旋翼自动倾斜器包括拔杆机构、万向铰机构、自动倾斜器和操纵托盘，所述拔杆机构由拔杆支臂和拔杆中间的卡箍所组成；所述自动倾斜器包括内圈的不旋转环和外圈的旋转环，不旋转环与旋转环之间通过轴承相联，不旋转环内圆联于由中间两组轴承“十”字形排列构成的万向铰机构，并附着于旋翼轴外部上套筒上，可以上下运动；旋转环的外圆边有两组对称的耳片，不旋转环底部与操纵托盘相联，操纵托盘在间隔90°方位角上通过轴销联于三个旋翼操纵舵机的输出端。所述的三个旋翼操纵舵机主体铰接安装在固定托架的其中三个支臂上。

作为本发明的另一种改进，所述风扇操纵机构，包括一个风扇操纵舵机和风扇总距操纵机构，其中风扇操纵舵机向下通过风扇操纵舵机铰支点铰支在固定托架第四个支臂上，所述固定托架的中心圆孔通过轴承及过渡件支撑在旋转轴上，固定托架的四个支臂端部设有铰接点，通过4组支撑杆支撑在涵道上；所述风扇总距操纵机构包括风扇总距操纵盘和风扇总距操纵杠杆，风扇总距操纵盘由附着在旋翼轴外部下套筒上的不旋转环和通过轴承与不旋转环外圆相联的旋转环所组成，旋转环外圆周围上有八个等分的矩形齿，外端通过变距摇臂与风扇变距滚筒相连，矩形齿底部连有风扇变距拔杆，不旋转环通过一组轴承与风扇变距操纵杠杆相联。

本发明的无人直升机也是通过涵道风扇来平衡旋翼的反扭矩，并实现航向操纵。为克服英国专利GB2360752无法实现涵道风扇来平衡旋翼的反扭矩，并实现航向操纵的问题，必须使共轴反转的旋翼和风扇彼此相互平衡的是它们与空气之间的反作用扭矩。旋翼在不同工况下，其气动反作用扭矩也在变化，需要风扇的气动反扭距随之配合变化，来平衡旋翼的气动反扭矩。在本发明中，通过风扇操纵机构的操纵动作，带动变距滚筒尾部卡箍的变距摇臂上下运动，带动变距滚筒转动，使风扇叶片的安装角配合变化，从而使风扇总距发生变化，而风扇总距的变化即可实现风扇气动反扭矩的变化。当通过风扇操纵机构的单独操纵动作、独自改变风扇气动反扭矩的大小时，即可实现航向操纵。

本发明的一种无人直升机以旋翼与涵道风扇共同构成升力系统为主要特征，采用了全轴对称总体布局形式，避免了共轴双旋翼直升机操纵机构复杂，可靠性差，以及上下旋翼气动干扰明显的缺点，具有结构更紧凑，起降场地小，抗风性能好的优势。与常规单旋翼带尾桨直升机相比，没有尾桨，因而也就没有尾传动机构和尾梁，具有明显的优势。而且旋翼为常规直升机旋翼，风扇只有总距操纵，类似与单旋翼带尾桨直升机的尾桨操纵，因而其操纵机构简单，可靠性高。环形涵道机身兼作飞控设备舱和燃油箱舱，可以保证全机重心在全飞行任务时间内，只在垂向有所变化，易于操纵配平。整个起落架配合整机呈轴对称结构，提供起降和停放支撑，具有良好的吸振性能，增加了起飞着陆稳定性，特别适合舰载使用。任务设备挂载在减速器正下方，该位置通达性好，便于对任务设备的检测和维修；该位置下视通畅便于不同任务设备工作；该位置即整机重心的正下方，便于挂载不同重量的任务设备，而不引起整机重心前后左右偏移。该构型的无人直升机世界上还没有先例。

四、附图说明

图1：无人飞行平台总体布局示意图。

图2：无人飞行平台升力系统总体布局示意图。

图3：旋翼桨毂结构示意图。其中＜a＞图是主视图，＜b＞图是俯视图。

图4：风扇盘毂结构示意图。其中＜c＞图是主视剖视图，＜d＞图是俯视图。

图5：旋翼和风扇操纵机构示意图。

图6：拔杆机构示意图。

图7：自动倾斜器结构示意图。其中左图是俯视图，右图是仰视图。

图8：旋翼和风扇操纵舵机(左)及其固定托架(右)示意图。

图9：风扇总距操纵盘结构示意图。其中左图是俯视图，右图是仰视图。

图10：左图是风扇总距操纵杠杆机构，右图是拔杆结构示意图。

图11：左图是旋翼轴外部上下套筒装配示意图，右图是旋翼和风扇操纵机构装配关系示意图。

以上图中的标号名称：

1.旋翼 2.旋翼和风扇操纵机构 3.涵道 4.风扇 5.“井”字梁 6.旋翼轴 7.减速器 8.发动机 9.起落架 10.离合器 11.桨毂变距外套筒 12.起吊圆环 13与14.传扭销 15.传扭承力方块 16.变距摇臂连接耳片 17.旋翼拉扭杆 18.桨毂中心件 19.风扇拉扭杆 20.固定支座 21.托盘 22.叶片变距滚筒 23.外伸舌片 24.变距摇臂 25.拔杆支臂 26.卡箍 27.不旋转环 28.万向铰机构 29.旋转环 30与31.耳片 32.底部操纵托盘 33.操纵舵机连接轴销 34.旋翼操纵舵机铰支点 35.固定托架 36.风扇操纵舵机铰支点 37.支撑杆铰结点 38.不旋转环 39.旋转环 40.旋转环外圆矩形齿41.旋翼操纵舵机 42.风扇操纵舵机 43.支撑杆 44.旋翼轴外部上套筒 45.旋翼轴外部下套筒 46.风扇变距拔杆 47.风扇变距操纵杠杆 48.风扇叶片

五、具体实施方式

由图1和图2可知，本发明的无人直升机包括旋翼1和置于涵道3内的涵道风扇4以反转的布局方式上下共轴线排列，共同构成升力面和飞行操纵面。旋翼提供大部分升力和俯仰、滚转操纵力矩，可产生较大的前向拉力，操纵性和稳定性也好。风扇负担小部分升力，并配平旋翼的气动反扭矩，通过风扇桨距操纵实施航向操纵。这种总体结构布局具有结构紧凑、简单，可靠性高，安全性好，旋翼风扇气动干扰不明显，气动效率高，抗风性能好，着陆及停机稳定性好等优点，而且起降和停放场地小；操纵结构2置于旋翼1和涵道风扇4之间分别装于旋翼轴6外部的上下套筒44、45上；环形涵道3兼作飞控设备舱和油箱舱安装于“井”字梁5上方四根梁的顶端处，对风扇提供保护，并产生附加升力；四个飞控设备舱安装于“井”字梁5四个端头上方；前后两个发动机8吊装在涵道机身3底部的“井”字梁5下方，分别通过离心离合器10与吊装在“井”字梁5下方的减速器7相联；减速器7的外输出轴通过法兰盘与涵道风扇盘毂相联，减速器内输出轴通过受剪销与旋翼轴6相联，旋翼轴6上端通过受剪销与旋翼桨毂相联。减速器内外输出轴转速相同、转向相反。这样两台发动机的动力即可传至旋翼和风扇，旋翼和风扇旋转产生的拉力，又通过减速器、“井”字梁传递到涵道机身上；“井”字梁5安装在起落架9的四根撬板上，起落架9撬板由复合材料夹层板制成，分别等分地固定在底圆环上构成环形起落架。这种环形起落架结构与整机轴对称分布局协调匹配，易于保证安全起飞和着陆，且具有良好的停机稳定性，特别适合舰载使用；另外整个起落架吸振性能良好，不需要维护，一旦局部损坏，很容易外场更换，特别适合于野外使用。

旋翼由两片桨叶通过螺栓与旋翼桨毂联接而成。图3是旋翼桨毂的结构示意图，由桨毂中心件18两端通过两组滚针轴承，分别联于与左右两片桨叶相联的且带有变距摇臂连接耳片16的左右两个桨毂变距外套筒11相联，旋翼拉扭杆17置于桨毂变距外套筒11内，两端通过金属销分别联于桨毂中心件18和桨毂变距外套筒11，使离心力通过旋翼拉扭杆17传至桨毂中心件相互平衡，变距运动通过旋翼拉扭杆17的扭转弹性变形实现。置于旋翼中心件18内的传扭承力方块15通过受剪销13、14分别与旋翼轴6上端和旋翼桨毂中心件18相联，使旋翼轴6的扭矩通过传扭承力方块15传给桨毂中心件18，再由桨毂中心件带动桨毂变距外套筒11和桨叶旋转。旋翼轴6上端与起吊圆环12通过螺纹相联。

涵道风扇由风扇盘毂通过8个叶片变距滚筒22的前端外伸舌片23分别联于8片风扇叶片48构成。图4是风扇盘毂的结构示意图，包括与减速器7外输出轴法兰盘相联的托盘21，此托盘21具有8个均匀分布的椭圆孔，底面有8条均匀分布的加强筋，盘中部较厚。风扇拉扭杆19的一端通过受剪螺栓固定于托盘21中部较厚的圆盘上，另一端通过受剪销与叶片变距滚筒22联接。变距摇臂24卡箍在叶片变距滚筒22尾部相联，用于与操纵机构相联。发动机输出动力经减速器后，以扭矩形式经法兰盘传至风扇盘毂的托盘21，带动与8个叶片变距滚筒前端外伸舌片23相联的8片风扇叶片旋转。

图5是旋翼和风扇操纵机构示意图，包括旋翼自动倾斜器机构、旋翼和风扇操纵舵机及固定托架以及风扇总距操纵机构三部分。下面分别叙述。

自动倾斜器机构是操纵旋翼运动的机构，包括如图5上部所示的拔杆机构、自动倾斜器和操纵托盘。

图6是拔杆机构示意图，包括拔杆支臂25、拔杆中间的卡箍26。此拔杆机构通过中间的卡箍26卡在旋翼轴6上，垂直向下拔杆支臂25用来与自动倾斜器中的旋转环上的一组耳片31相联。带动自动倾斜器旋转环与旋翼轴一同旋转。

图7是自动倾斜器结构示意图，左图是俯视图，右图是仰视图。具体构成是，包括内圈的不旋转环27和外圈的旋转环29，内外圈的不旋转环27和旋转环29之间通过轴承相联，内圈的不旋转环内圆联于由中间两组轴承“十”字形排列构成万向铰机构28，用于固定在旋翼轴6外部上套筒上，外圈的旋转环29上的外边有两组对称的耳片30、31，其中一组耳片30通过旋翼操纵小拉杆与旋翼相联，这样通过旋翼操纵小拉杆与旋翼同步旋转，随时对旋翼桨叶实施变距操纵，旋转环29上的另一组耳片31与拔杆机构中的拔杆25两端的两个垂直向下的拔杆支臂25相联。内圈不旋转环27底部与操纵托盘32相联，操纵托盘32在间隔90°方位角通过操纵舵机轴销杆33联于三个向上的旋翼操纵舵机41。

图8是旋翼和风扇操纵舵机及固定托架示意图。三个旋翼操纵舵机向上分别通过旋翼操纵舵机铰支点34铰支在固定托架35上，一个风扇操纵舵机42向下通过风扇操纵舵机铰支点36铰支在固定托架35上，固定托架的中心大圆孔通过轴承及过渡件支撑在旋翼轴6上，固定托架35通过端部的四个支撑杆铰结点37与支撑杆相联，支撑在涵道机身上。

风扇总距操纵机构包括图9所示的风扇总距操纵盘和图10左图所示的风扇总距操纵杠杆机构。风扇总距操纵盘由安装于旋翼轴6外部下套筒上的不旋转环38和通过轴承与不旋转环38外圆相联的旋转环39所组成，旋转环39的外圆圆周上具有均分的8个矩形齿40，此8个矩形齿40通过如图2所示的8根拉杆变距摇臂24联于如图4所示的风扇盘毂的8个叶片变距滚筒22，带动风扇叶片48绕变距轴转动，实施变距操纵，旋转环39的8个矩形齿40的底部通过如图10右图所示的拔杆联于风扇盘毂，带动风扇盘毂与风扇同步旋转。不旋转环38的内圆通过一组轴承与如图10左图所示的风扇变距操纵杠杆47相联，此杠杆机构的一端通过如图2所示的拉杆与固定于固定托架上的风扇操纵舵机42相联，另一端通过与杠杆联于舵机托架下方的一个支点，实现风扇变距操纵。

图11左图是旋翼轴外部上下套筒示意图。右图是旋翼和风扇操纵机构装配关系示意图。由图11可知旋翼轴外部的上下套筒44、45有四个螺栓固定在舵机托架35上，其主要功能是把旋翼轴的旋转运动和旋翼、风扇操纵机构隔离开，使得这些操纵机构能够相对于固定部件运动。对旋翼实施总距操纵时，整个旋翼操纵自动倾斜器通过滑动摩擦付沿着上套筒44、45上下运动；对风扇实施变距操纵时，杠杆机构47带动风扇操纵旋转40和不旋转环39，通过不旋转环39内摩擦付沿着下套筒44、45上下运动。

Claims (5)

1.一种无人直升机，包括旋翼、涵道、置于涵道中的风扇、旋翼操纵机构、风扇操纵机构、发动机、起落架；其中所述的涵道风扇包括风扇叶片(48)、拉扭杆(19)、固定支座(20)、托盘(21)、带外伸舌片(23)的变距滚筒(22)、变距摇臂(24)，风扇叶片(48)与变距滚筒外伸舌片(23)相连接，变距滚筒(22)通过固定支座(20)与托盘(21)铰接，拉扭杆(19)一端与变距滚筒相连，另一端与托盘(21)固定连接，变距摇臂(24)卡箍在叶片变距滚筒(22)尾部，用于同操纵机构相联。

2.根据权利要求1所述的无人直升机，其特征在于采用“井”字梁(5)作为机体主承力结构，其中所述的涵道(3)为圆环空腔结构，沿其圆周分成对称的八段，装在“井”字梁(5)上方，其中四段空腔结构作为飞控设备舱，分别位于“井”字梁(5)四根梁顶端上方，另外交叉布置四段为油箱舱，内置的四个燃油箱相互联通，“井”字梁(5)安装在环形布局的起落架(9)上，构成全对称的环形涵道机身，两台发动机(8)分别吊装在“井”字梁(5)的下方，沿无人直升机前后纵向排列，分别通过离心式离合器(10)与吊装在“井”字梁(5)下正中间的减速器(7)相联，减速器(7)的外输出轴通过法兰盘与所述托盘(21)相联，减速器(7)内输出轴通过受剪销与旋翼轴(6)相联，旋翼轴(6)上端通过受剪销与旋翼桨毂相联。

3.根据权利要求1或2所述的无人直升机，其特征在于起落架由四根复合材料夹层板制成的撬板和底环构成环形结构，四根撬板上端分别与“井”字梁四个端头相联，下端对称地与底环相联，底环与撬板联接处为四段橡胶管，四段橡胶管之间为铝合金管。

4.根据权利要求1或2或3所述的无人直升机，其特征在于所述的旋翼操纵机构由旋翼自动倾斜器机构、三个旋翼操纵舵机(41)和固定托架(35)组成，固定托架由对称分布的四个支臂组成，旋翼自动倾斜器包括拔杆机构、万向铰机构、自动倾斜器和操纵托盘；所述拔杆机构由拔杆支臂(25)和拔杆中间的卡箍(26)所组成；所述自动倾斜器包括内圈的不旋转环(27)和外圈的旋转环(29)，不旋转环与旋转环之间通过轴承相联，不旋转环(27)内圆联于由中间两组轴承“十”字形排列构成的万向铰机构(28)，并附着于旋翼轴外部上套筒(44)上，可以上下运动；旋转环(29)的外圆边有两组对称的耳片(30、31)，不旋转环(27)底部与操纵托盘(32)相联，操纵托盘(32)在间隔90°方位角上通过轴销(33)联于三个旋翼操纵舵机(41)的输出端；所述的三个旋翼操纵舵机(41)主体铰接安装在固定托架(35)的其中三个支臂上。

5.根据权利要求1或2或3所述的无人直升机，其特征在于所述风扇操纵机构，包括一个风扇操纵舵机(42)和风扇总距操纵机构，其中风扇操纵舵机向下通过风扇操纵舵机铰支点(36)铰支在固定托架第四个支臂(35)上，所述固定托架的中心圆孔通过轴承及过渡件支撑在旋转轴(6)上，固定托架的四个支臂(35)端部设有铰接点(37)，通过4组支撑杆(43)支撑在涵道上；所述风扇总距操纵机构包括风扇总距操纵盘和风扇变距操纵杠杆(47)，风扇总距操纵盘由附着在旋翼轴(6)外部下套筒(45)上的不旋转环(38)和通过轴承与不旋转环(38)外圆相联的旋转环(39)所组成，旋转环(39)外圆周围上有八个等分的矩形齿(40)，外端通过变距摇臂(24)与风扇变距滚筒(22)相连，矩形齿(40)底部连有风扇变距拔杆(46)，不旋转环(38)通过一组轴承与风扇变距操纵杠杆(47)相联。