CN108408040B - 一种舵控喷气双旋翼飞行器 - Google Patents

一种舵控喷气双旋翼飞行器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种舵控喷气双旋翼飞行器，属于飞行器技术领域。该舵控喷气双旋翼飞行器由动力仓、上旋翼、下旋翼、动力装置、舵控装置、支承轮系、负载仓等组成。上旋翼位于动力仓上部，下旋翼位于动力仓下部，舵控系的喷嘴位于上、下旋翼之间，分布在动力仓的外圆周上，支承轮系分布在动力仓上、下的圆周上，保持与上、下旋翼接触以承受上下旋翼的轴向负载。动力装置驱动上旋翼和下旋翼等速反向旋转产生飞行器所需的升力和位姿控制推力，舵机改变控制推力的大小和方向。该舵控喷气双旋翼飞行器机动性能强，有利于复杂空间的飞行和起降控制；同时舵控装置机构简单、结构紧凑，动力仓和负载仓独立，安全性高。

Description

一种舵控喷气双旋翼飞行器
技术领域
本发明属于旋翼飞行器技术领域，具体涉及一种舵控喷气双旋翼飞行器。
背景技术
旋翼飞行器是通过改变旋翼的升力和叶片的桨距来控制飞行器升降和机动性的飞行器，它比固定翼飞机具有更强的机动性，起飞和降落不需要跑道，可以垂直起降、低速飞行或悬停，适应在复杂的空间中飞行。一般的旋翼直升机主旋翼及动力装置位于负载仓的中前部，尾桨位于负载仓的尾部，主桨悬臂长度大，承载能力小，飞行阻力大，且需要尾翼和复杂的桨距控制机构来控制飞行器的空中姿态和机动性，结构复杂、造价高。同时，动力仓和负载仓融为一体不可分离，一旦飞行动力发生故障时，负载仓与动力仓连接点太多难以分离保护。公知的一种双旋翼无人机（CN106428543A）利用机械陀螺仪的原理将一对旋翼作为转子铰接于内框架，内框架与外框架铰接，外框架与无人机的机身铰接，通过控制旋翼绕两个铰接轴旋转及调整旋翼转速达到机动性控制的目的。由于其框架外形大，控制系统的惯量大，控制灵敏性较差。公知的一种双旋翼碟形无人机（CN107399429A）利用上下旋翼叶片之间的舵叶改变机身前后的升力大小和方向来控制飞行的姿态和方向。由于改变升力的同时会产生转向力矩，机动性控制的精确度较差，需要舵机多次调整才能达到稳定的状态。
发明内容
为了克服现有旋翼飞行器旋翼承载能力小，机动性控制灵敏度和精确度差等不足，本发明提供了一种舵控喷气双旋翼飞行器。该飞行器具有传动机构简单、机动性控制机构的操作灵敏度和精确度高、动力仓和负载仓独立且单点连接、动力仓前后左右方向的气动力大小和方向都可灵活调节等特点，能实现垂直升降、水平前进与后退、空中悬停、灵活转向等功能。
本发明提供一种舵控喷气双旋翼飞行器，该飞行器包括上机壳、下机壳、上旋翼、下旋翼、动力装置、上滚轮、下滚轮、风管、喷嘴、阀芯、舵机、负载仓。所述上机壳和下机壳是轴对称的回转体，两者的轴线重合，上机壳位于下机壳的上部，固定连接后形成轴对称结构的动力仓。所述上旋翼由整流罩、上叶轮、上叶片、上导圈和空心轴固定连接而成，整体位于动力仓上方，所述整流罩、上叶轮、上导圈和空心轴都是轴对称回转体且轴线重合，上叶轮与空心轴的法兰固定连接，整流罩位于上叶轮上方并与空心轴的上端固定连接，上导圈与上叶轮的下端面接合并固定连接，上叶轮的圆周上均布安装n（n>2）个上叶片。所述下旋翼由下圆盘、下叶片和下导圈固定连接而成，整体位于动力仓下方，所述下圆盘和下导圈都是轴对称回转体且轴线重合，下导圈与下圆盘的上端面接合并固定连接，下圆盘的圆周上均布安装n（n>2）个下叶片。所述动力装置是上下双轴输出结构，上输出轴和下输出轴的轴线重合且与动力仓的轴线重合，动力装置上部与上机壳固定连接而下部与下机壳固定连接，上输出轴和下输出轴的转速相同而转向相反，上输出轴与上旋翼的空心轴固定连接，下输出轴与下旋翼的下圆盘固定连接，立轴穿过下输出轴的中心孔与动力装置的外壳固定连接。所述风管是轴对称回转体，轴线与上机壳轴线重合，风管位于上旋翼和下旋翼之间，与上机壳外圆面形成集风通道，风管的下部与上机壳的外法兰固定连接，风管的上部与上机壳的外圆面间设有作为进风入口的间隙，上旋翼的上导圈下部插入该间隙中且不与上机壳和风管接触。所述喷嘴是轴对称结构，其轴线垂直于风管的轴线，四个喷嘴沿风管的外圆周均布，与风管的径向孔配合并固定连接，四个喷孔均布在喷嘴的圆周上，喷孔的轴线与喷嘴的轴线夹角稍大于90°，其中两个喷孔的轴线位于水平面上。所述阀芯是杯状的轴对称结构，其轴线与喷嘴的轴线重合，阀芯的外圆锥面与喷嘴的内圆锥面配合形成转动副和密封面，阀芯的圆锥面上设有一个径向孔可与喷嘴（12）的喷孔相通。所述舵机位于动力仓内部，与上机壳固定连接，舵机的输出轴插入阀芯的内孔中并固定连接，四个舵机分别控制四个喷嘴的阀芯转动，形成飞行器的舵控系。所述上滚轮是轴对称回转体，由轴承支承在上机壳上部的水平轴上，上滚轮的轴线垂直于上机壳的轴线，可相对于上机壳转动，上滚轮的数量≥3，沿上机壳圆周均布，上滚轮的外圆面保持与上导圈接触以承受上叶片产生的升力。所述下滚轮是轴对称回转体，由轴承支承在下机壳下部的水平轴上，下滚轮的轴线垂直于下机壳的轴线，可相对于下机壳转动，下滚轮的数量≥3，沿下机壳圆周均布，下滚轮的外圆面保持与下圆盘接触以承受下叶片产生的升力。所述负载仓是圆筒形结构，轴线与下机壳的轴线重合，位于下圆盘的下方，负载仓上部与动力装置的立轴固定连接，下部设有供降落的支腿。
进一步的，所述的上叶轮是盘形轴对称结构，外圆上的轮圈和中心区的轮芯之间均布设置可产生轴向气流的径向叶片，该径向叶片的旋向与上叶片的旋向相同。
进一步的，所述的上叶片和下叶片结构尺寸相同，但旋向相反。
进一步的，所述的上滚轮和下滚轮结构相同，上滚轮直径稍小于上导圈和上叶轮所构成的空间高度，下滚轮直径稍小于下导圈和下圆盘所构成的空间高度。
进一步的，所述喷嘴围绕其轴线有四个径向喷口，阀芯转动时依次开闭四个径向喷口，不同喷口的组合产生调姿的力矩或助推力。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、上旋翼和下旋翼的承载能力大，气动升力大。上旋翼的上叶片和下旋翼的下叶片数量多，上叶片和下叶片的转动半径大而悬臂小，动力仓圆周上支承上、下旋翼的滚轮多，大大提高了旋翼的承载能力。轴对称结构的上旋翼和下旋翼动平衡性能好，适应转速高，能产生较大的升力。
2、机动性控制力矩小，控制灵敏，反应快。上叶轮产生的气流经上导圈与上机壳之间的通道加速进入风管扩压，经舵机控制的阀芯由喷嘴的不同喷口喷出产生气动力，能形成多方向的推力和多轴的调姿力矩，阀芯的驱动力矩小，控制灵敏度高，气流的损失小，动力利用率。
3、动力仓和负载仓独立，一旦发生飞行故障，可快速分离动力仓，让负载仓开伞降落，保护重要财物和生命的安全。
附图说明
图1是本发明舵控喷气双旋翼飞行器的主视装配示意图。
图2是本发明舵控喷气双旋翼飞行器的俯视装配示意图。
图3是本发明舵控喷气双旋翼飞行器的主视装配A放大图。
图4是本发明舵控喷气双旋翼飞行器的主视装配C放大图。
图中：1.整流罩、2.上叶轮、2a.上导圈、3.上机壳、4.上滚轮、5.上叶片、6.下叶片、7.下滚轮、8.下圆盘、8a.下导圈、9.立轴、10.下机壳、11.负载仓、12.喷嘴、13.风管、14.舵机、15.动力装置、16.空心轴、17.紧定螺钉、18.螺钉A、19.螺钉B、20.上小轴、21.螺钉C、22.下小轴、23.螺钉D、24.阀芯、25.螺钉E、 26.螺栓组件。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
图1是舵控喷气双旋翼飞行器的主视装配示意图。整流罩1、空心轴16、上导圈2a、上叶轮2和上叶片5固定连接形成关于空心轴16轴线对称的上旋翼，动力装置15的上输出轴与空心轴固定连接，可驱动上旋翼转动。
下圆盘8、下导圈8a和下叶片6固定连接形成关于下圆盘轴线对称的下旋翼，动力装置15的下输出轴与下圆盘固定连接，可驱动下旋翼转动。动力装置15的上部与上机壳3固定连接，其下部与下机壳10固定连接形成刚性的动力仓，该动力仓的外形呈碟形，飞行时可产生附加升力，有利于减小动力消耗。
上机壳3圆周上的上滚轮4支承上旋翼，承受上旋翼产生的轴向升力；下机壳10圆周上的下滚轮7支承下旋翼，承受下旋翼产生的轴向升力；
舵机14和风管13都与上机壳3固定连接，舵机14位于动力仓的内部，而风管位于动力仓的外部，喷嘴12与风管13固定连接，舵机14的输出轴与喷嘴12中的阀芯固定连接构成飞行器的舵控喷气装置。
动力装置15下部的立轴9与轴对称结构的负载仓上部的连接装置连接，带动负载仓飞行。必要时，可快速分离动力仓，伞降负载仓以保护重要财物和生命安全。
图2中四个上叶片5和四个下叶片6均布安装在上旋翼和下旋翼的圆周上，整流罩1位于上叶轮2的中心，上叶轮2的12个径向叶片均布在整流罩的周围，4个喷嘴12均布于飞行器的前后左右四个方向，每个喷嘴能产生上下左右四个方向的喷气推力。
图3是舵控喷气双旋翼飞行器的主视装配A放大图。上机壳3用螺钉B19与动力装置15固定连接，上叶轮2与空心轴16用螺钉A18固定连接，空心轴内孔与动力装置15的上输出轴间隙配合进行径向定位，由紧定螺钉17轴向固定并传递扭矩。空心轴16的轴径与整流罩1的内孔过盈连接。
图4中，上小轴20通过紧配合与上机壳3固定连接，上小轴20通过轴承与上滚轮4连接形成转动副，上滚轮4的外圆面与上导圈2a保持接触。下小轴22通过紧配合与下机壳10固定连接，下小轴22通过轴承与下滚轮7连接形成转动副，下滚轮7的外圆面与下圆盘8保持接触。上机壳3的内圆面与下机壳10的外圆柱面配合定位并用螺钉C21固定连接。
风管13通过螺钉D23与上机壳3固定连接，喷嘴12插入风管13的径向孔中并胶结，阀芯24通过圆锥面与喷嘴12 间隙配合形成转动副，舵机14的输出轴通过螺钉E25固定连接阀芯24并驱动其转动，实现喷嘴上四个方向喷口的开闭。
上叶片5、上导圈2a和上叶轮2通过螺栓组件26固定连接，下叶片6、下导圈8a和下圆盘8通过螺栓组件26固定连接。
当动力装置工作时，驱动上旋翼和下旋翼等速反向转动，旋向相反的上、下叶片只产生叠加的轴向气动力；同时上叶轮中的径向叶片产生轴向气流进入风管，舵机控制阀芯转动产生不同方向喷气推力。如果飞行器前后喷嘴的上下喷口工作，可控制飞行器俯仰和进退，同时，飞行器左右喷嘴的水平方向喷口同方向工作，可加速飞行器的前进或后退。飞行器侧倾和左右横移的控制原理与俯仰和进退的相同。4个喷嘴同侧的水平方向喷口工作时可产生飞行器快速转向力矩。每个喷嘴的上下喷口工作时，可助力飞行器的升降或悬停控制。

Claims (5)

1.一种舵控喷气双旋翼飞行器，其特征在于，该飞行器包括上机壳（3）、下机壳（10）、上旋翼、下旋翼、动力装置（15）、上滚轮（4）、下滚轮（7）、风管（13）、喷嘴（12）、阀芯（24）、舵机（14）、负载仓（11）；
所述上机壳（3）和下机壳（10）是轴对称的回转体，两者的轴线重合，上机壳（3）位于下机壳（10）的上部，固定连接后形成轴对称结构的动力仓；
所述上旋翼由整流罩（1）、上叶轮（2）、上叶片（5）、上导圈（2a）和空心轴（16）固定连接而成，整体位于动力仓上方，所述整流罩（1）、上叶轮（2）、上导圈（2a）和空心轴（16）都是轴对称回转体且轴线重合，上叶轮（2）与空心轴（16）的法兰固定连接，整流罩（1）位于上叶轮（2）上方并与空心轴（16）的上端固定连接，上导圈（2a）与上叶轮（2）的下端面接合并固定连接，上叶轮（2）的圆周上均布安装n（n>2）个上叶片（5）；
所述下旋翼由下圆盘（8）、下叶片（6）和下导圈（8a）固定连接而成，整体位于动力仓下方，所述下圆盘（8）和下导圈（8a）都是轴对称回转体且轴线重合，下导圈（8a）与下圆盘（8）的上端面接合并固定连接，下圆盘（8）的圆周上均布安装n（n>2）个下叶片（6）；
所述动力装置（15）是上下双轴输出结构，上输出轴和下输出轴的轴线重合且与动力仓的轴线重合，动力装置（15）上部与上机壳（3）固定连接而下部与下机壳（10）固定连接，上输出轴和下输出轴的转速相同而转向相反，上输出轴与上旋翼的空心轴（16）固定连接，下输出轴与下旋翼的下圆盘（8）固定连接，立轴（9）穿过下输出轴的中心孔与动力装置（15）的外壳固定连接；
所述风管（13）是轴对称回转体，轴线与上机壳（3）轴线重合，风管（13）位于上旋翼和下旋翼之间，与上机壳（3）外圆面形成集风通道，风管（13）的下部与上机壳（3）的外法兰固定连接，风管（13）的上部与上机壳（3）的外圆面间设有作为进风入口的间隙，上旋翼的上导圈（2a）下部插入该间隙中且不与上机壳（3）和风管（13）接触；
所述喷嘴（12）是轴对称结构，其轴线垂直于风管（13）的轴线，四个喷嘴（12）沿风管（13）的外圆周均布，与风管（13）的径向孔配合并固定连接，四个喷孔均布在喷嘴（12）的圆周上，喷孔的轴线与喷嘴（12）的轴线夹角稍大于90°，其中两个喷孔的轴线位于水平面上；
所述阀芯（24）是杯状的轴对称结构，其轴线与喷嘴（12）的轴线重合，阀芯（24）的外圆锥面与喷嘴（12）的内圆锥面配合形成转动副和密封面，阀芯（24）的圆锥面上设有一个径向孔与喷嘴（12）的喷孔相通；
所述舵机（14）位于动力仓内部，与上机壳（3）固定连接，舵机（14）的输出轴插入阀芯（24）的内孔中并固定连接，四个舵机（14）分别控制四个喷嘴（12）的阀芯（24）转动，形成飞行器的舵控系；
所述上滚轮（4）是轴对称回转体，由轴承支承在上机壳（3）上部的水平轴上，上滚轮（4）的轴线垂直于上机壳（3）的轴线，可相对于上机壳（3）转动，上滚轮（4）的数量≥3，沿上机壳（3）圆周均布，上滚轮（4）的外圆面保持与上导圈（2a）接触以承受上叶片（5）产生的升力；
所述下滚轮（7）是轴对称回转体，由轴承支承在下机壳（10）下部的水平轴上，下滚轮（7）的轴线垂直于下机壳（10）的轴线，可相对于下机壳（10）转动，下滚轮（7）的数量≥3，沿下机壳（10）圆周均布，下滚轮（7）的外圆面保持与下圆盘（8）接触以承受下叶片（6）产生的升力；
所述负载仓（11）是圆筒形结构，轴线与下机壳（10）的轴线重合，位于下圆盘（8）的下方，负载仓（11）上部与动力装置（15）的立轴（9）固定连接，下部设有供降落的支腿。
2.根据权利要求1所述的舵控喷气双旋翼飞行器，其特征在于，所述的上叶轮（2）是盘形轴对称结构，外圆上的轮圈和中心区的轮芯之间均布设置可产生轴向气流的径向叶片，该径向叶片的旋向与上叶片（5）的旋向相同。
3.根据权利要求1所述的舵控喷气双旋翼飞行器，其特征在于，所述的上叶片（5）和下叶片（6）结构尺寸相同，但旋向相反。
4.根据权利要求1所述的舵控喷气双旋翼飞行器，其特征在于，所述的上滚轮（4）和下滚轮（7）结构相同，上滚轮（4）直径稍小于上导圈（2a）和上叶轮（2）所构成的空间高度，下滚轮（7）直径稍小于下导圈（8a）和下圆盘（8）所构成的空间高度。
5.根据权利要求1所述的舵控喷气双旋翼飞行器，其特征在于，所述喷嘴（12）围绕其轴线有四个径向喷口，阀芯（24）转动时依次开闭四个径向喷口，不同喷口的组合产生调姿的力矩或助推力。
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