CN108146632B - 一种用于垂直起降固定翼飞行器的组合旋翼 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于垂直起降固定翼飞行器的组合旋翼。该组合旋翼包括：小螺旋桨、大旋翼、大/小桨帽、桨毂、动力输出轴、电控离合器、大旋翼变速器、转轴支架、大旋翼转轴、大旋翼末端卡勾、承力卡槽和发动机变速器；其前部为小螺旋桨，不可折叠收放；后部为大旋翼，可通过转轴向后折叠收放。此组合旋翼具有垂直起降模式和巡航平飞模式。垂直起降模式中发动机高功率运行，带动大旋翼转动，产生升力完成起降；巡航平飞模式中，发动机小功率运行，带动小螺旋桨转动，产生前飞的牵引力，实现低能耗平飞。具有垂直起降需求功率大和巡航平飞需求功率小的特点，满足了垂直起降固定翼飞行器的动力需求，且节省了能源消耗。

Description

一种用于垂直起降固定翼飞行器的组合旋翼

技术领域

本发明涉及一种用于垂直起降固定翼飞行器的组合旋翼，属于航空技术领域。

背景技术

直升机可以垂直起降而不受起降场地限制，具备可悬停、灵活性好的优势，但飞行速度低，航时短；固定翼飞机具有巡航速度高、航时长的优势，但不具备垂直起降能力。垂直起降固定翼飞行器综合了直升机和固定翼飞机两者的优点，既可以垂直起降，同时拥有固定翼飞机的速度性能和续航性能优势，尤其适用于需要垂直起降的场合。目前，世界各个公司都在开展垂直起降飞行器的技术研究工作。

垂直起降模式下的升力和巡航平飞模式下的推力之比非常大，这是垂直起降固定翼飞行器设计的难点是之一。因为垂直起降模式下升力大于等于重力，而巡航平飞模式下推力大于等于阻力，重力与阻力之比约为升力与阻力之比，一般外形的垂直起降固定翼飞行器的升阻比从5到15不等，升阻比越大，气动性能越好，同时也为动力装置的设计提出了巨大的挑战。

目前出现了一些垂直起降固定翼飞行器动力装置的专利和产品，这些设计倾向于小型垂直起降固定翼飞行器，难以应用在100kg级及以上的飞行器中。如公告号为CN107187595 A的专利中公开了一种带有变矩螺旋桨的垂直起降固定翼无人机，其中动力装置为一组可变矩的螺旋桨。由于螺旋桨桨尖的速度受到音速的限制，所以随着重量的增加，即使螺旋桨可以改变桨距，其尺寸仍然越来越大，最终导致该螺旋桨在平飞状态下效率低。公告号CN 107097950 A的专利中公开了一种用于航空器垂直起降的收放式旋翼，其利用离心力展开旋翼，之后使用收合为一阻力较小的形状，在小重量范围内有一定的优势，但是其旋翼叶片的展弦比小，不适合高速运转。关于垂直起降固定翼飞行器动力装置的产品有NASA在2015年提出的GL-10倾转垂直起降无人机，该试验机使用了多组电机和可向后折叠的螺旋桨，在小重量时能够提供升力，在大重量级的垂直起降固定翼飞行器上应用则有两个缺点：1)、多组电机需要油动发动机发电，而发电机和各组电机的重量不容忽视，对垂直起降固定翼飞行器的性能是不利因素；2)、分布式的螺旋桨效率较单一或者双螺旋桨的效率低。

总之，现有的技术方案都不能很好的解决垂直起降固定翼飞行器动力装置设计过程的一些矛盾，有必要设计一种新型动力装置克服上述现有技术中存在的缺陷。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷，本发明要解决的技术问题是：结合垂直起降和巡航平飞这两个模式，综合考虑用于垂直起降固定翼飞行器设计的要求，提出一种更好的组合旋翼系统。

本发明采用的技术方案如下：

一种用于垂直起降飞行的组合旋翼，其特征在于，该组合旋翼包括：小螺旋桨、大旋翼、小桨帽、大桨帽、桨毂、动力输出轴、电控离合器、变速箱内侧齿轮、变速箱中继齿轮、变速箱外侧齿轮、变速箱外侧壁、转轴支架、大旋翼转轴、大旋翼末端卡勾、承力卡槽和发动机变速器；其中，所述小螺旋桨连接于所述桨毂，所述桨毂连接于所述动力输出轴；所述大旋翼连接于所述承力卡槽，所述承力卡槽内侧为大旋翼变速器，所述大旋翼变速器包括所述变速箱内侧齿轮、所述变速箱中继齿轮、所述变速箱外侧齿轮和所述变速箱外侧壁；所述大旋翼变速器连接于电控离合器，所述电控离合器内侧是所述动力输出轴；所述动力输出轴为所述发动机变速器输出的动力轴；该组合旋翼有两种工作模式，一种工作模式是垂直起降模式，另一种是巡航平飞模式；两种工作模式采用同一套动力系统。在垂直起飞时，可变功率发动机高功率运行、转速高、扭矩大，小螺旋桨在动力输出轴的带动下转动，提供较小的升力。调节大旋翼连接的电控离合器，使动力输出轴带动大旋翼转动，大旋翼在离心力的作用下旋转展开，大旋翼末端卡勾插入卡槽中固定，大旋翼提供大部分升力。其中，高速转动的动力输出轴经过大旋翼变速器后转速降低，保证了大旋翼的翼梢速度不超过音速。

该组旋翼在巡航平飞时，可变功率发动机低功率运行、转速小，带动小螺旋桨高速旋转，产生向前的推力。断开电控离合器，大旋翼在重力和空气阻力的作用下绕连接在承力卡槽上的转轴旋转后折。

在垂直降落时，闭合大旋翼连接的电控离合器，使动力输出轴带动离合器、大旋翼变速器、承力卡槽和大旋翼转动，大旋翼在离心力的作用下旋转展开，大旋翼末端卡勾插入卡槽中固定。大旋翼在展开的过程中，绕着旋转轴展开，转轴固定于转轴支架，转轴支架固定于承力卡槽，转轴与转轴支架在大旋翼工作时一同旋转。

优选地，所述大旋翼在重力和空气阻力的作用下绕连接在承力卡槽上的大旋翼转轴旋转80°后折，最终靠拢在飞行器上。

本发明的优点在于：

(1)结构简单，巡航平飞模式与垂直起降模式转换方便。

(2)分开设计巡航平飞用的螺旋桨和垂直起降用的螺旋桨，提高了两种状态下的螺旋桨效率。

(3)采用同一个动力系统，巡航平飞模式与垂直起降模式使用同一组动力系统，能够在巡航平飞模式中低功率省油飞行，又能在垂直起降模式中高功率大升力运行。由于采用了一个独立动力系统，从而减少飞行器重量，对飞行器性能有显著提升。

(4)在巡航平飞模式中，大旋翼后折，减小了空气阻力。

(5)在垂直起降模式下，小螺旋桨桨叶面积小，对大旋翼影响小。

附图说明

图1为本发明组合旋翼的垂直起降模式下的等轴测视图(含大桨帽和小桨帽)。

图2为本发明组合旋翼的垂直起降模式下的等轴测视图(不含大桨帽和小桨帽)。

图3为图2大旋翼旋转中心的放大结构图。

图4为本发明组合旋翼在垂直起降模式下的侧视图，展示了大旋翼、转轴和承力卡槽的位置关系。

图5为本发明组合旋翼在巡航平飞模式下的侧视图。

图6为本发明组合旋翼在巡航平飞模式下的侧视图，展示了大旋翼、转轴和承力卡槽的位置关系。

其中：1.小螺旋桨，2.大旋翼，3.小桨帽，4.大桨帽，5.桨毂，6.动力输出轴，7.电控离合器，8.变速箱内侧齿轮，9.变速箱中继齿轮，10.变速箱外侧齿轮，11.变速箱外侧壁，12.转轴支架，13.大旋翼转轴，14.大旋翼末端卡勾，15.承力卡槽，16.发动机变速器。

具体实施方式

参见附图1至图6，该组合旋翼包括：小螺旋桨1，大旋翼2，小桨帽3，大桨帽4，桨毂5，动力输出轴6，电控离合器7，变速箱内侧齿轮8，变速箱中继齿轮9，变速箱外侧齿轮10，变速箱外侧壁11，转轴支架12，大旋翼转轴13，大旋翼末端卡勾14，承力卡槽15，和发动机变速器16。该组合旋翼的大旋翼2展长3m，小螺旋桨1展长1m。

该实例中，小螺旋桨1连接于桨毂5，桨毂5连接于动力输出轴6。大旋翼2通过大旋翼转轴13连接于转轴支架12，转轴支架12固连于大旋翼变速器外侧，承力卡槽15也固连于大旋翼变速器，大旋翼变速器包括变速箱内侧齿轮8、变速箱中继齿轮9、变速箱外侧齿轮10和变速箱外侧壁11。大旋翼变速器固连于电控离合器，电控离合器内侧是动力输出轴6。动力输出轴6为发动机变速器中输出的动力轴。该组合旋翼具有巡航平飞和垂直起降两种工作模式，两种工作模式采用同一套动力系统。

在垂直起飞时，如图1、图2、图3和图4所示，发动机高功率运行，转速高，小螺旋桨1在动力输出轴6的带动下转动，提供较小的升力。调节大旋翼2连接的电控离合器，使动力输出轴6带动大旋翼2转动，大旋翼2在离心力的作用下旋转展开，大旋翼末端卡勾14固定于承力卡槽15上，固定了大旋翼2的位置。动力输出轴6通过可控的电控离合器、大旋翼变速器、大旋翼末端卡勾14、转轴支架12和承力卡槽15带动大旋翼2旋转，大旋翼2提供大部分升力。其中，高速转动的动力输出轴6经过大旋翼变速器后转速降低，保证了大旋翼2的翼梢速度不超过音速。

该组旋翼在巡航平飞时，如图5和图6所示，发动机低功率运行、转速小，带动小螺旋桨1旋转，产生向前的推力。并且断开大旋翼电控离合器，大旋翼2在重力和空气阻力的作用下绕连接在承力卡槽15上的转轴旋转80°后折，最终靠拢在飞行器上。

在垂直降落模式下，如图1、图2、图3和图4所示，调节大旋翼2连接的电控离合器，使动力输出轴6带动电控离合器、大旋翼变速器、承力卡槽15和大旋翼2转动，大旋翼2在离心力的作用下旋转展开，大旋翼末端卡勾14插入承力卡槽15中固定。大旋翼2在展开的过程中，绕着旋转轴展开，转轴13固定于转轴支架12，转轴支架12固定于承力卡槽15，转轴13与转轴支架12在大旋翼2工作时一同旋转。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。本发明的上述实施例是对方案的说明而不能用于限制本发明，与本发明有保护范围相当的含义和范围内的任何改变，都应认为是包括在本发明保护的范围内。

Claims (2)

1.一种用于垂直起降固定翼飞行器的组合旋翼，其特征在于，该组合旋翼包括：小螺旋桨(1)、大旋翼(2)、小桨帽(3)、大桨帽(4)、桨毂(5)、动力输出轴(6)、电控离合器(7)、变速箱内侧齿轮(8)、变速箱中继齿轮(9)、变速箱外侧齿轮(10)、变速箱外侧壁(11)、转轴支架(12)、大旋翼转轴(13)、大旋翼末端卡勾(14)、承力卡槽(15)和发动机变速器(16)；其中，所述小螺旋桨(1)连接于所述桨毂(5)，所述桨毂(5)连接于所述动力输出轴(6)；所述大旋翼(2)连接于所述承力卡槽(15)，所述承力卡槽(15)内侧为大旋翼变速器，所述大旋翼变速器包括所述变速箱内侧齿轮(8)、所述变速箱中继齿轮(9)、所述变速箱外侧齿轮(10)和所述变速箱外侧壁(11)；所述大旋翼变速器连接于电控离合器，所述电控离合器内侧是所述动力输出轴(6)；所述动力输出轴(6)为所述发动机变速器(16)输出的动力轴；

该组合旋翼有两种工作模式，一种工作模式是垂直起降模式，另一种是巡航平飞模式；在垂直起降模式中，该组合旋翼的所述大旋翼(2)展开并且旋转；在巡航平飞模式中，该组合旋翼的所述大旋翼(2)向后折叠；

所述大旋翼(2)可以绕轴旋转，也能够向后折叠和展开；所述大旋翼(2)末端具有的所述大旋翼末端卡勾(14)在展开过程中用于固定所述大旋翼(2)；所述大旋翼(2)通过所述电控离合器、变速箱内侧齿轮(8)、变速箱中继齿轮(9)、变速箱外侧齿轮(10)和变速箱外侧壁(11)与动力输出轴(6)相连；

所述小螺旋桨(1)通过桨毂(5)与动力输出轴(6)相连，在垂直起降模式和巡航平飞模式这两种模式中，所述小螺旋桨(1)均旋转；

在垂直起降模式下，所述大旋翼(2)绕所述大旋翼转轴(13)旋转展开，所述大旋翼末端卡勾(14)与承力卡槽(15)相扣，固定所述大旋翼(2)，并且与所述大旋翼(2)一同旋转。

2.一种如权利要求1所述的组合旋翼，其特征在于，所述大旋翼(2)在重力和空气阻力的作用下绕连接在所述承力卡槽(15)上的大旋翼转轴(13)旋转80°后折，最终靠拢在飞行器上。

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