CN107264791A - 共轴反桨球形人力飞行器 - Google Patents

Abstract

共轴反桨球形人力飞行器中的：共轴传动结构：轴14、内转轴15、外转轴18和外转轴16组成共轴结构，内转轴15和处转轴16上端分别安装飞19和飞17，座椅21固定在轴承22轴瓦上；人力驱动结构：由连杆7、轴5、轴12及外转轴18组成驱动部分的支架，曲轴3上安装摇柄4及花盘齿轮1，花盘齿轮1、齿轮6、飞19两两啮合；曲轴10上安装脚踏板11及花盘齿轮8，花盘齿轮8、齿轮13、飞17两两啮合；反桨球形结构：连杆25上、下端分别固定在圆环23和外转轴16上，圆环23上固定桨叶24；连杆28上、下端分别固定在圆环26和内转轴15上，圆环26上固定桨叶27；轴14下端固定在起落架29上，座椅21置于圆环23及连杆25旋转的半球壳中。

Description

共轴反桨球形人力飞行器

技术领域

本发明属于飞行器类，具体涉及一种共轴反桨球形人力飞行器。

背景技术

1、共轴反桨直升机技术背景。单旋翼直升机的旋翼系统由主旋翼、尾旋翼和稳定陀螺仪组成。单旋翼直升机尾旋翼是为了抵消主旋翼旋转时产生反向力矩。因此尾旋翼旋转动时要额外消耗一部分功率；长长的尾梁传动结构复杂，飞行过程中尾梁振动和变形是引起传动机构的故障隐患。针对单旋翼直升机的缺陷，目前，科学家们设计出共轴反桨直升机，它是由转向相反、上下两副旋翼产生的扭矩在航向不变的飞行状态下相互平衡。共轴反桨直升机上述特征决定了它与传统的单机翼带尾桨的直升机相比有着自身的特点。20世纪40年代初，这种结构引起了世界上航空爱好者极大的兴趣，并试图将其变成可实用的飞行器。然而由于当时人们对共轴反桨气动特性认识的缺乏以及在结构设计方面遇到的困难，许多设计者最终放弃了努力，而在很长一段时间内对共轴反桨直升机的研究仍停留在实验阶段。由于共轴反桨直升机需要解决两螺旋桨桨叶的周期变距及变总距问题，结构非常复杂，也非常难于实现。迄今为止，也只有俄罗斯独家掌握了载人直升机共轴式螺旋桨技术。共轴反桨直升机有很多优点：1、共轴反桨直升机与同重量的单旋翼直升机相比，由于没有尾桨，既可以省去一部分复杂的传动结构，又不需要用额外功率来用于航向操纵；2、共轴反直桨直升机机身部分一般情况下均在桨盘面积之内，机体总共纵向尺寸就是桨盘尺寸。这样，在桨盘载荷、发动机和相同载重的情况下，共轴反桨直升机的总体纵向尺寸仅为单旋翼直升机的60％左右；3、共轴反桨直升机主要靠它的倾斜器和变距机构来实行操纵的，大部分飞行状态时，通过不断地改变旋翼不同角度的迎角，使直升机可以悬停、前后左右飞行自如；4、由于双桨叶提供升力，在相同的拉力和旋翼直径下，刚性共轴旋翼的诱导阻力比单旋翼机低20％-30％；5、共轴反桨直升机可以提供较大的升力，又可用直径较小的桨叶，所以占用停飞的空间小了很多，低空飞行时受障碍物的影响也小了很多，无论对战斗还是舰载都有好处的。然而，目前共轴反桨直升机也存在不少缺陷：1、共轴反桨直升机的操纵系统部分非流线形状的上下桨毂及其他部件暴露在气流中，因而废面阻力增大；2、共轴反桨直升机的机身部分一般情况均在桨盘面积之内，桨叶带动的气流冲击机身要损耗掉一部分功率；3、共轴反桨直升机在飞行过程中，旋翼变距机构以及倾斜角始终在非常高频率的动作下工作，故障率相对于固定旋翼飞机来说，要多得多。

2、人力飞行器技术背景。研制人力飞机比研制依靠发动机推动的固定翼飞机更具有挑战性，人力飞行器表演是勇气与智惠并重结晶，也更能体现人体的作用。远从达芬奇所在的时代开始，科学家就在寻求人力飞行器的实现，然而在当时人们认为人力飞行这比登天还难。在动飞机诞生不久，人们就开始研制人力飞机。人力飞机是完全依靠人的体能作为驱动力飞行的飞机，航空发达国家自1918年起一直致力于人力飞机的研发，1935年，德国人海斯勒设计了一架类似滑翔机的人力飞机，它是第一架现代意义上的人力飞机，试飞时飞出了120米的距离，留空时间17秒。20世纪50年代以后，随着轻型材料的进步和结构技术的发展，人力飞机的研制进入了一个新的发展时期。1961年11月，英国南安普顿大学研制的“南安普顿”号人力飞机完成了首次飞行，最远飞行了622米。此后，英国人又设计出“海鸭”号、“木星”号，后者创造了1000米的飞行记录。1966年日本人制成“红雀”号人力飞机。1976年，又设计制造了优良的“白鹤”号，并创造了飞行距离2093米的纪录。比较成功的是1979年英国的：“信天翁”飞越英吉利海峡，1988年美国航天局和麻利工学院联合西腊政府，花巨资成功创造出人力飞机飞行116公里的世界纪录并保持至今。因人力体能限制，并从人力飞机试验中已成功飞行的结果来看，现代人力飞机的设计特点：大都采用了大展弦比机翼、轻型材料、自行车加滑翔机的设计。所谓自行车式驱动机构，即由人的双脚驱动脚踏，通过链轮再带动推进式螺旋桨旋转，从而驱动飞机前进，靠机翼产生举力，使飞机升空飞行。由于人力飞机翼展尺寸很长，达20多米，所以在20世纪60年代试飞成功的只能作直线飞行。1978年首次完成了“8”形航线飞行。在我国，人力飞机领域长期处于空白，但前不久，一架名为“墨子号”全人力动力飞机在沪公开亮相，并于3月26日下午5时26分在奉贤海边完成“处女航”。“墨子号”人力飞机是一架由竞技航模爱好者们独立研制的人力机，全机采用超轻材料制造的“墨子号”，翼展27.4米，仅重35公斤。一名飞行员在机翼下的开放座舱内，像踩自行车一样驱动螺旋桨，平均每秒使直经2.8米的螺旋桨转3圈。“墨子号’＝’首航是在地面“助跑”情况下腾空，高度2.6米，航速达每秒7米，共飞行126米。美国的人力飞机研制晚于欧洲和日本，但是成就却很高。目前美国直升机协会正在酝酿一轮新的挑战。1979年，美国人麦克里迪设计出“蝉翼信天翁”号人力飞机。同年6月12日，艾伦驾驶它成功地飞越英吉利海峡，历时2小时50分钟，飞行距离37千米，这次飞行是人类飞行史上的一次创举。目前，人力飞机仍然处于发展的初级阶段，可望在体育娱乐方面得到首先应用。

本人在对共轴反桨直升机及人力飞行器研究的基础上，设计出共轴反桨球形人力飞行器，驾使员置于飞行器双旋翼中间的半球形驾驶舱中，驾驶员通过摇柄和脚踏板的差动来形成桨叶差动力矩，驾驶员通过改变身体上位倾斜度来改变人机一体的重心位置，从而达到操纵飞行器飞行状态的目的，即可克服单旋翼人力直升机尾桨问题，又可克服双旋翼人力直升机变距及变总距操纵问题，还可克服单旋翼人力直升机及非螺旋桨人力飞机机体过长、过重双重问题。

发明内容

本发明的目的是：解决人力飞行器机体过长、过重、操纵及体能利用率低的问题，为体育爱好者及游乐场所提供新型的体育健身器材和游乐工具。

本发明的技术方案是：共轴反桨球形人力飞行器包括共轴传动结构、人力驱动结构、反桨球形结构三个部分：共轴传动结构：轴14为内转轴15的轴，内转轴15上、下部位分别安装外转轴18和外转轴16，内转轴15和外转轴16上端分别安装飞19和飞17，飞19圆周下侧和飞17圆周上侧分别设置齿轮，轴承22的轴安装在轴14上端，驾驶员座椅21固定在轴承22轴瓦上，连杆20两端及中间部位分别固定轴承2的轴瓦、外转轴18及座椅上；人力驱动结构：连杆7的一端和轴5的一端垂直固定在轴承2轴瓦上，连杆7的另一端和轴12的一端垂直固定在轴承9轴瓦上，轴5和轴12的另一端分别沿径向固定在外转轴18上、下端圆周上；轴5和轴12分别作为齿轮6的轴和齿轮13的轴：曲轴3中间位置安装在轴承2的轴上，曲轴3曲部安装摇柄4，花盘齿轮1的圆心固定在曲轴3上并与轴承2垂直，花盘齿轮1与齿轮6啮合，齿轮6与飞19啮合；曲轴10中间位置安装在轴承9的轴上，曲轴10曲部安装脚踏板11，花盘齿轮8的圆心固定在曲轴10上并与轴承9垂直，花盘齿轮8与齿轮13啮合，齿轮13与飞17啮合；反桨球形结构：孤形连杆25上、下端分别固定在圆环23和外转轴16上，圆环23上固定桨叶24，脚踏11动力驱动外转轴16并带动桨叶24按顺时针方向旋转；孤形连杆28上、下端分别固定在圆环26和内转轴15上，圆环26上固定桨叶27，手柄4动力驱动内转轴15并带动桨叶27按逆时针方向旋转；轴14下端固定在起落架29上，起落架29杆端下方安装万向轮30；驾驶员乘坐的座椅21置于圆环23及孤形连杆25旋转的半球壳中，人机重心位于圆环23和圆环26两圆心连线中点以下位置，座椅21在半球壳中的高度，制约驾驶员只有胸部以上部分超出圆环23平面。

本发明的有益效果是：1、人机一体化飞行器结构优化，驾驶员通过四肢差动及上位躯体倾斜来操纵飞行器飞行状态，既可减小废面阻力，也尽可减轻飞行器重量；2、驾驶舱处在上、下桨盘中央位置，桨叶带动的气流冲击不到机舱而减小一部分功率损耗，提高体能利用率。

附图说明：

图1为本发明驱动及传动结构立体示意图。

图2为本发明球形起落结构立体示意图。

图中：1、花盘齿轮；2、轴承；3、曲轴；4、摇柄；5、轴；6、齿轮；7、连杆；8、花盘齿轮；9、轴承；10、曲轴；11、脚踏板；12、轴；13、齿轮；14、轴；15、内转轴；16、外转轴；17、飞；18、外转轴；19飞；20、连杆；21、座椅；22、轴承；23、圆环；24、桨叶；25、连杆；26、圆环；27桨叶；28、连杆；29、起落架；30、万向轮。

具体实施方式

以下结合附图和实施例加以说明。

共轴反桨球形人力飞行器，由花盘齿轮、曲轴、摇柄、脚踏板、连杆、轴承、齿轮、飞、轴、内转轴、外转轴、起落架、桨叶、座椅部件所组成，主要抱括共轴传动结构、人力驱动结构、反桨球形结构三个部分。

1、共轴传动结构：如图1所示，轴14为内转轴15的轴，在内转轴15上位安装外转轴18，在内转轴15下位安装外转轴16，内转轴15和外转轴16上端分别安装飞19和飞17，飞19和飞17的作用既可传递四肢动力，又可截断驱动结构与传动结构之间的联系，在四肢不用力时内转轴15、外转轴16及桨叶利用惯性仍能继续转动。飞19圆周下侧和飞17圆周上侧分别设置齿轮；轴承22的轴安装在轴14上端，驾驶员座椅21固定在轴承22轴瓦上，连杆20的一端固定在轴承2的轴瓦上，连杆20的另一端固定在外转轴18上，连杆20中间部位固定在座椅上，外转轴18与座椅21及驱动结构连为一体，可同时转动或停止，而齿轮6与飞19、齿轮13与飞17始终保持啮合状态。

2、人力驱动结构是：如图1所示，连杆7的一端和轴5的一端垂直固定在轴承2轴瓦上，连杆7的另一端和轴12的一端垂直固定在轴承9轴瓦上，轴5和轴12的另一端分别沿径向固定在外转轴18上、下端圆周上，轴5和轴12分别作为齿轮6的轴和齿轮13的轴，由连杆7、轴5、轴12及外转轴18组成驱动结构支架；曲轴3中间位置安装在轴承2的轴上，曲轴3两曲部分别安装两个摇柄4，花盘齿轮1的圆心固定在曲轴3上并与轴承2垂直，花盘齿轮1与齿轮6啮合，齿轮6与飞19啮合，上肢用力通过摇柄4驱动花盘齿轮1逆时针转动，并驱动齿轮6来带动飞19逆时针转动，达到驱动内转轴15来带动桨叶27逆时针转动。曲轴10中间位置安装在轴承9的轴上，曲轴10曲部分别安装两个脚踏板11，花盘齿轮8的圆心固定在曲轴10上并与轴承9垂直，花盘齿轮8与齿轮13啮合，齿轮13与飞17啮合，下肢用力通过脚踏板11驱动花盘齿轮8逆时针转动，并驱动齿轮13来带动飞17顺时针转动，达到驱动外转轴16来带动桨叶24顺时针转动。因驱动飞19和飞17的作用力相反，四肢作用力使飞19和飞17产生的力矩相同情况下，外转轴18处于静止状态，即座椅处于静止状态；四肢作用力使飞19和飞17产生的力矩不相同情况下，外转轴18并会左转或右转，即座椅左转或右转，伴随着驾驶员在座椅上前倾或后仰的动作，并达到操纵飞行器飞行状态的目的。

3、反桨球形结构：如图2所示，使用相同的四个孤形连杆25，每个连杆25上、下端分别固定在圆环23和外转轴16上，圆环23上固定四个相同的桨叶24，脚踏11动力驱动外转轴16并带动桨叶24按顺时针方向旋转；使用相同的四个孤形连杆28，每个孤形连杆28上、下端分别固定在圆环26和内转轴15上，圆环26上固定四个相同的桨叶27，摇柄4动力驱动内转轴15并带动桨叶27按逆时方向旋转；轴14下端固定在起落架29上，起落架29杆端下方安装万向轮30，便于飞行器降落地面时的滑行和稳定。驾驶员乘坐的座椅21置于圆环23及四个孤形连杆25旋转的半球壳中，设计飞行器时使人机重心位于圆环23和圆环26两圆心连线中点以下位置，选择轴14的长度，以确定座椅21在半球壳中的高度，制约乘坐的驾驶员只有胸部以上部分超出圆环23平面，便于驾驶员操纵飞行器飞行和稳定。

Claims (2)

1.一种共轴反桨球形人力飞行器，主要包括花盘齿轮、曲轴、摇柄、脚踏板、连杆、轴承、齿轮、飞、轴、内转轴、外转轴、起落架、桨叶、座椅；其特征在于共轴传动结构、人力驱动结构、反桨球形结构；所述共轴传动结构是：轴14为内转轴15的轴，内转轴15上、下部位分别安装外转轴18和外转轴16，内转轴15和外转轴16上端分别安装飞19和飞17，飞19圆周下侧和飞17圆周上侧分别设置齿轮，轴承22的轴安装在轴14上端，驾驶员座椅21固定在轴承22轴瓦上，连杆20两端及中间部位分别固定在轴承2的轴瓦、外转轴18及座椅21上；人力驱动结构是：连杆7的一端和轴5的一端垂直固定在轴承2轴瓦上，连杆7的另一端和轴12的一端垂直固定在轴承9轴瓦上，轴5和轴12的另一端分别沿径向固定在外转轴18上、下端圆周上，轴5和轴12分别作为齿轮6和齿轮13的轴；曲轴3中间位置安装在轴承2的轴上，曲轴3曲部安装摇柄4，花盘齿轮1的圆心固定在曲轴3上并与轴承2垂直，花盘齿轮1与齿轮6啮合，齿轮6与飞19啮合；曲轴10中间位置安装在轴承9的轴上，曲轴10曲部安装脚踏板11，花盘齿轮8的圆心固定在曲轴10上并与轴承9垂直，花盘齿轮8与齿轮13啮合，齿轮13与飞17啮合；反桨球形结构：孤形连杆25上、下端分别固定在圆环23和外转轴16上，圆环23上固定桨叶24，脚踏11动力驱动外转轴16并带动桨叶24按顺时针方向旋转；孤形连杆28上、下端分别固定在圆环26和内轴15上，圆环26上固定桨叶27，摇柄4动力驱动内转轴15并带动桨 叶27按逆时针方向旋转；轴14下端固定在起落架29上，起落架29杆端下方安装万向轮30。

2.根据权利要求1所述的共轴反桨球形人力飞行器，其特征在于驾驶员的座椅21，座椅21置于圆环23及孤形连杆25旋转的半球壳中，人机重心位于圆环23和圆环26两圆心连线中点以下位置，座椅21在半球壳中的高度，制约驾驶员只有胸部以上部分超出圆环23平面。