CN107225925B - 一种滚转翼垂直起降多栖飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开涉及一种滚转翼垂直起降多栖飞行器，包括若干滚转翼装置，其特征在于，所述滚转翼装置内设置有桨叶、变距连杆以及偏置机构，对所述偏置机构设置偏置量，使桨叶在不同旋转位置均具有迎角，形成始终向某一方向（可调）合力的旋转状态，最终提供飞行器某一方向的推力。该装置不同于旋翼（或螺旋桨或风扇），它绕水平轴旋转，可与车轮驱动轴共轴，这样空中升力系统与地面车轮推动系统便处于同一平台，可以共用一套动力装置和传动系统，结构紧凑、重量轻，为飞行器带来更多有效载荷和经济效益，也可以在水面时通过滚转翼装置的旋转搅动水而产生的反作用力前行。

Description

一种滚转翼垂直起降多栖飞行器

技术领域

本发明涉及水陆空三栖交通工具领域，具体是一种滚转翼垂直起降多栖飞行器。

背景技术

当前世界飞行汽车概念设计种类较多，根据其产生升力的方式，飞行汽车的升力系统主要有固定机翼、自转旋翼、驱转旋翼、矢量发动机以及涵道风扇，其中以固定机翼或自转旋翼为升力系统飞行汽车需要专门的跑道实现起飞和降落，不具有垂直起降能力，实用性较差(如美国马萨诸塞州的TERRAFUGIA公司设计的第一代飞行汽车产品TRANSITION和欧洲的AEROMOBILE)，因此没用实用价值。以驱转旋翼或涵道风扇作为升力系统飞行汽车具有垂直起降能力，国外也对垂直起降的飞行汽车研究很多年，设计出了多种可垂直起降的飞行汽车，如X-Hawk虽然具有较好的垂直起降功能，并且与直升机相比具有更好的隐蔽性，但是其比直升机的耗油率高出50%，同时由于这台飞行器过于笨重，速度与航程都不够理想，而且其操纵稳定性存在问题，很难投入使用。由于国外现有的飞行汽车结构设计复杂、成本高、有效载荷和飞行性能都很低,作为飞行器,无法与通航飞机相比；作为汽车,又结构设计不实用,容易损坏，满足不了汽车产品的法规。目前很多所谓的“飞行汽车”只能算是一种特殊的通用航空器（即可在地面跑的飞行器），不能称之为真正的飞行汽车。

目前具备垂直起降功能的飞行汽车，无论是采用旋翼还是涵道风扇技术，要么尺寸小，起飞重量小，基本不能负载，没有使用价值；要么起飞重量大，外形尺寸也大，超过了汽车的相关法规限制的2.5m车宽要求，需要作为特种装备提供起飞场地，不能在普通公路上跑。而且都是采用位于机身左右两侧，使用吊挂在可以折叠的车身两侧的2至4个或多个旋翼或涵道风扇作为起飞及飞行的动力，升力面与动力系统不在同一面，需要多个转向传动系统，且折叠结构过于复杂、重量代价大，同时对垂直起飞降落的场地周边环境和面积有较大的要求，严重影响其它正常运行的汽车，不适合在地面上作为汽车行驶或道路拥堵时使用。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种采用滚转翼的飞车用的新型升力装置，该装置不同于现有旋翼、螺旋桨或风扇，它绕水平轴旋转，可与车轮驱动轴共轴，这样空中升力系统与地面车轮推动系统（或水面推进系统）便处于同一平台，可以共用一套动力装置和传动系统，结构紧凑、重量轻，为飞车带来更多有效载荷和经济效益。本发明公开了一种滚转翼垂直起降多栖飞行器，包括飞行器本体，以及连接在飞行器本体上的若干滚转翼装置，所述滚转翼装置内设置有桨叶、桨叶支架、变距连杆以及偏置机构，所述桨叶连接在桨叶支架上，所述桨叶支架上设有一中心轴，所述偏置机构连接在所述中心轴上，对所述偏置机构设置偏置量，使桨叶在不同旋转位置均具有迎角，形成合力始终指向某一方向的旋转状态，最终提供飞行器相应的运动力。

所述滚转翼装置具体包括若干组桨叶、变距连杆、桨叶支架、偏置机构以及连杆轴线；所述桨叶与中心轴平行等距设置在支架轴周围，在所述中心轴的一端，所述桨叶支架以中心轴为圆心连接在桨叶上；所述桨叶侧面的一端为旋转端，连接在桨叶支架上，另一端为控制端，通过桨叶铰链连接至变距连杆上；所述变距连杆另一端连接在偏置机构上。

所述偏置机构的一端与中心轴固接，另一端设有滑槽，所述滑槽内设有连杆轴线，所述变距连杆连接在连杆轴线上，可移动的连接在滑槽内。

所述飞行器本体为汽车或者水路两用车。

所述中心轴与车子的车轮轴同轴心，套装在车轮轴外，带动两侧滚转翼装置同时滚转。

该飞行汽车内设有四个滚转翼装置，其中，前后各两个滚转翼装置，每个滚转翼装置设置在车轮的内侧。

所述桨叶支架和变距连杆均采用套管结构来改变其长度。

该飞行器设有可开关外壳，所述外壳的开启位置覆盖在滚转翼装置上、下方，在使用滚转翼装置时外壳打开。

所述滚转翼装置连接车辆的离合装置，在需要飞行时，通过所述离合装置，切换成驱动滚转翼装置的模式。

本发明的相对于现有技术的有益效果在于：

1、本发明提供一种带有新的升力装置和姿态控制方式的飞行器，所提供的滚转翼装置可以应用在汽车或者水路多用车上，使其成为一种三栖飞行器，该装置不同于旋翼（或螺旋桨或风扇），它绕水平轴旋转，可与车轮驱动轴共轴，这样空中升力系统与地面车轮推动系统便处于同一平台，可以共用一套动力装置和传动系统，结构紧凑、重量轻，为飞车带来更多有效载荷和经济效益。

2、改装后的飞行器既有足够的升力，实现垂直起降和前飞，如果是应用在普通汽车上，滚转翼装置在车轮内部，所以不会让车宽尺寸超过道路安全法的相关规定。

3、本发明提供的滚转翼升力装置依靠偏心机构就可以实现二维全向矢量推力控制，滚转翼转动时，桨叶、变距轴线、变距连杆同步运动，当固定桨叶支架的位置，而操纵变距连杆上下运动，则桨叶可实现变迎角。变迎角后相对流体（空气或水）而产生的作用力会改变。比现有飞行器其他升力系统用在飞车上会有更好的机动性能和操纵性能；由于滚转翼所有升力叶素的转速相同，且位于桨桶的最外围（线速度最大），效率比旋翼的效率更高，因此以滚转翼作为升力系统具有更高的气动效率。

4、本发明提供的滚转翼装置装备在飞车上，只占用垂向高度和纵向长度尺寸，对道路安全法规严格限制的宽度不构成问题，而且滚转翼纵垂向尺寸也可适合当前车辆内部安装用，对于重型车辆还可以使用多套滚转翼系统前后并列安放。

附图说明

图1 为本发明滚转翼装置结构示意图；

图2为本发明滚转翼装置的局部结构示意图；

图3 为桨叶旋转原理图；

图4为滚转翼装置变直径效果示意图；

图5 为为滚转翼装置变直径机构示意图；

图6为滚转翼二维矢量推力控制示意图；

图7、图8、图9为飞行汽车三视图及轴侧测图；

其中，1-飞行器；2-滚转翼装置；3-可开关外壳；4-车轮；5-桨叶；6-连杆轴线；7-桨叶支架；8-变距连杆；9-偏置机构；10-中心轴；11-变距连杆套筒；12-桨叶支架套筒。

具体实施方式

本发明提供一种滚转翼垂直起降飞行器，为使本发明的目的，技术方案及效果更加清楚，明确，以及参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供的滚转翼垂直起降飞行器，包括飞行器本体，以及连接在飞行器本体上的若干滚转翼装置2，所述滚转翼装置2内设置有桨叶5、桨叶支架7、变距连杆8以及偏置机构9，所述桨叶5连接在桨叶支架7上，所述桨叶支架7上设有一中心轴10，所述偏置机构9连接在所述中心轴10上，对所述偏置机构9设置偏置量，使桨叶5在不同旋转位置均具有迎角，形成始终向某一方向旋转状态，最终提供飞行器相应的运动推力。

具体的说，如图1、图2所示，滚转翼装置2具体包括若干组桨叶5、变距连杆8、桨叶支架7、偏置机构9以及连杆轴线6；所述桨叶5与中心轴10平行等距设置在支架7轴周围，在所述中心轴10的一端，所述桨叶支架7以中心轴10为圆心连接桨叶5；所述桨叶5侧面的一端为旋转端，连接在桨叶支架7上，另一端为控制端，通过桨叶铰链连接至变距连杆8上；所述变距连杆8另一端连接在偏置机构9上。

更进一步的，如图3所示，所述偏置机构9的一端与中心轴10固接，另一端设有滑槽，所述滑槽内设有连杆轴线6，所述变距连杆8连接在连杆轴线6上，可移动的连接在滑槽内。所述中心轴10与车子的车轮4轴同轴心，套装在车轮轴外，带动两侧滚转翼装置同时滚转。

其作动原理为：

当变距杆轴线6与桨叶支架轴线10重合时，滚转翼在0°-360°转动的各个位置迎角均一样，产生的作用力相互抵消，合力为零。当变距杆轴线6往下偏转后，由于变距连杆8总长度没有操纵而保持不变，故滚转翼某片桨叶在上半圆运动时受变距连杆8牵制（下拉）使其迎角正向变大，产生向上的流体作用力；而处在下半圆的桨叶片由于受变距连杆8牵制（下压）使其迎角也正向变大，也产生向上的流体作用力；故合力为向上的作用力。

同理，当变距杆轴线6往左偏转后，由于变距连杆8总长度没有操纵而保持不变，故滚转翼某片桨叶在上半圆运动和下半圆时受变距连杆8牵制的长度是一样的，迎角镜像相等，产生向上和向下的流体作用力相等，故上下合力为零；而处在左半圆和右半圆的桨叶片由于受变距连杆8牵制的长度不一样，均会产生向右的流体作用力，故合力为向右的作用力。

故通过操纵偏置机构9，改变变距杆轴线6与桨叶支架轴线10相对位置，则可以进行作用力方向调节，且偏离越远，作用力越大。作用力方向与6偏离10的方向相反。

所述桨叶支架和变距连杆均采用套筒结构来改变其长度，其具体的机构如图4、图5所示，当桨叶支架套筒12沿轴线向左运动时，小连杆作用于支架杆向外运动，使滚转翼桨叶外扩，直径变大；当桨叶支架套筒12沿轴线向右运动时，小连杆拉着支架杆向内运动，使滚转翼桨叶内缩，直径变小。变距连杆套筒11运动原理同桨叶支架套筒12一致。

变距连杆套筒11与桨叶支架套筒12套筒可以直线舵机或液压、气压杆作动，也可以分档级人为手动操纵。通过实现变直径，滚转翼可以在地面运转时，通过操纵变成小直径滚转翼，体积明显减小，小到小于车轮直径，这样就不会碰撞到地面。当在水中时，由于滚转翼作为水轮用，而全车吃水线较低，故操纵调大滚转翼直径，让最低处叶片能直接作用到水中；当需要离开水面，准备起飞时，滚转翼不能作用于空气产生升力的同时高速拍打水（会损坏叶片），故先停下不在水中前行，把滚转翼直径变小，收缩到吃水线以上，旋转全部桨叶直接作用于空气，产生升力而离开水面，进行空中飞行。在空中飞行时，滚转翼变直径也可以作为改变升力大小的一种方式，这样可以应对不同起飞重量的飞行。

本发明提供的飞行器，其本体为可以是汽车或者水路两用车，下面以汽车为例作为说明。

如图7、图8、图9所示，该飞行汽车内设有四个滚转翼装置，其中，前后各两个滚转翼装置，每个滚转翼装置设置在车轮的内侧。

该飞行器设有可开关外壳3，所述外壳的开启位置覆盖在滚转翼装置上、下方，在使用滚转翼装置时外壳打开。

如果偏置机构9的偏置量是一定的，各桨叶5在不同位置的迎角则也是一定的，因此可以通过改变滚转翼的转速以改变产生的升力大小，或通过稍微的调节偏置机构9的位置也可以改变升力的大小，因此具有优异的机动性和操纵性。本发明中的滚转翼装置组成及各桨叶5在不同位置的迎角如图1所示。假如飞行汽车重1吨，通过试验和理论计算得出飞车总需要动力功率为250kW，每个滚转翼装置2要承担250kg以上升力，选用直径比车轮略小的滚转翼：D=0.45m，桨叶每片长1m，宽0.1m，则转速需2000～3000rpm即可满足需要，如果车轮选大一些，每个滚转翼直径也可以加大，则转速可以更低。

飞车选用1台或2台发动机（或电机、油电混合等其它动力装置），滚转翼与车轮通过同一套传动系统与发动机连接，由离合器进行选择接通驱动滚转翼装置2还是车轮。为简化结构节省重量，4个滚转翼转速不变，通过改变滚转翼偏置机构9进行桨叶迎角变化来操纵升力变化，从而调整飞车姿态。

基本型飞车（大型或重型车，可使用多套升力系统滚转翼装置）上在前后轮轴上各装2个滚转翼，即每个轮子对应1个滚转翼装置，在地面行驶时发动机（或电机、混合动力等动力系统）直接驱动车轮轴（滚转翼轴不动）；需要飞行时，通过离合装置，切换直接驱动中心轴10（车轮轴不动）。中心轴10与车轮轴共轴，即2个滚转翼位于同轴2个车轮内侧，在地面行驶时滚转翼被车身壳包裹（此段车身壳设有开关，可进行封闭及开口通气操作）。该飞行汽车设有可开关外壳3，所述外壳3的开启位置覆盖在滚转翼装置2上、下方，在使用滚转翼装置2时汽车外壳打3开，飞行时，滚转翼上下车壳结构打开，可保证气流上下通畅。地面为车时，与普通汽车工作原理一样；空中飞行时，全部滚转翼共同升力克服重力，两两相对绕轴反转相互抵消反扭矩，前后组滚转翼装置升力差进行俯仰操纵，左右组升力差进行滚转操纵，通过复合偏置机构调节实现滚转翼升力方向偏差可实现航向操纵。如选用多套升力系统的滚转翼，基本也是分为前后左右4组装置进行控制。

本发明的滚转翼飞行汽车1是滚转翼与汽车的结合体，升力系统由车身前后布置的四套滚转翼装置2组成，以提供垂直起降及空中前飞或地面前进的动力。在飞行模式，滚转翼提供的二维矢量推力一方面克服重力，另一方面克服前飞的阻力及实现飞行姿态的控制，以实现一定速度的前飞；在地面模式，可以通过两种方式实现汽车的前进，可以通过调节偏置机构9的位置，使得二维矢量力以汽车前进方向为主，从而实现汽车地面模式的前进，也可以通过发动机及或电动机驱动车轮前进的常规方式。调节滚转翼的转速可以实现各个滚转翼桨叶升力的变化，而通过调节偏置机构9的位置可以实现滚转翼推力及升力矢量方向的控制，从而实现车身的操纵。

该飞行汽车的可以更加灵活的实现车身的俯仰、滚转及偏航运动。飞行汽车四组前后左右布置的滚转翼为飞行汽车提供了灵活的控制方式，滚转翼主要结构如图1所示，每组滚转翼装置2不仅可以改变自身升力大小，还可以改变力的方向。如图2所示，在转速恒定时，推力随偏置机构控制点位置的改变而改变，而控制点的位置由控制点的方位角和控制点与旋转轴之间的偏移量来确定，控制点与旋转轴之间的距离决定了推力大小，控制点的方位角决定推力的方向。

Claims (7)

1.一种滚转翼垂直起降多栖飞行器，包括飞行器本体，以及连接在飞行器本体上的若干滚转翼装置，其特征在于，所述滚转翼装置内设置有桨叶、桨叶支架、变距连杆以及偏置机构，所述桨叶连接在桨叶支架上，所述桨叶支架上设有一中心轴，所述偏置机构连接在所述中心轴上，对所述偏置机构设置偏置量，使桨叶在不同旋转位置均具有迎角，形成合力始终指向某一方向的旋转状态，最终提供飞行器相应的运动推力；

所述滚转翼装置具体包括若干组桨叶、变距连杆、桨叶支架、偏置机构以及连杆轴线；所述桨叶与中心轴平行等距设置在支架轴周围，在所述中心轴的一端，所述桨叶支架以中心轴为圆心连接桨叶；所述桨叶侧面的一端为旋转端，连接在桨叶支架上，另一端为控制端，通过桨叶铰链连接至变距连杆上；所述变距连杆另一端连接在偏置机构上；

所述偏置机构的一端与中心轴固接，另一端设有滑槽，所述滑槽内设有连杆轴线，所述变距连杆连接在连杆轴线上，可移动的连接在滑槽内。

2.根据权利要求1所述的一种滚转翼垂直起降多栖飞行器，其特征在于，所述飞行器本体为汽车或者水路两用车。

3.根据权利要求2所述的一种滚转翼垂直起降多栖飞行器，其特征在于，所述中心轴与车子的车轮轴同轴心，套装在车轮轴外，带动两侧滚转翼装置转动。

4.根据权利要求2所述的一种滚转翼垂直起降多栖飞行器，其特征在于，该飞行汽车内设有四个滚转翼装置，其中，前后各两个滚转翼装置，每个滚转翼装置设置在车轮的内侧。

5.根据权利要求2所述的一种滚转翼垂直起降多栖飞行器，其特征在于，所述桨叶支架和变距连杆均采用套管结构来改变其长度以实现滚转翼改变转动直径。

6.根据权利要求2所述的一种滚转翼垂直起降多栖飞行器，其特征在于，该飞行器设有可开关外壳，所述外壳的开启位置覆盖在滚转翼装置上、下方，在使用滚转翼装置时外壳打开。

7.根据权利要求2所述的一种滚转翼垂直起降多栖飞行器，其特征在于，所述滚转翼装置连接车辆的离合装置，在需要飞行时，通过所述离合装置，切换成驱动滚转翼装置的模式。