CN108791838A - 一种甚轻型有人农林植保直升机 - Google Patents

Abstract

一种甚轻型有人农林植保直升机，包括动力装置及附件系统、传动系统、旋翼系统、机身结构、操纵系统、电气仪表系统和农林喷洒装置；所述的动力装置包括活塞式带涡轮增压的发动机，安装在座舱后部；本发明产生的有益效果是：具备商载能力大，作业效率高，可靠性安全性高及运行成本低等优势。

Description

一种甚轻型有人农林植保直升机

技术领域

本技术涉及直升机领域，尤其涉及一种甚轻型有人农林植保直升机。

背景技术

缩略语和关键术语定义

甚轻型直升机：根据EASA的CS-VLR Amendment 2 文件中的规定，将最大起飞重量不超过600kg、设计简单、乘员不超过2人（含飞行员），不是涡轮发动机或火箭发动机驱动、仅限于白天的目视飞行直升机定义为甚轻型直升机。

EASA：欧洲航空安全局，该机构主要职责是起草民用航空安全法规，并执行与航空安全相关的运行颁证工作，例如航空产品和有关设计、制造和维护的组织认证，这些认证活动有助于确保适航性和环保标准在成员国内达到同等水平。

CS-VLR Amendment 2 文件：该文件是甚轻型旋翼航空器适航标准，作为适航审定的认证基础。

从美国霍尼韦尔航空航天集团对未来几年全球直升机市场预测来看，2017年～2021年直升机交付量为3900～4400架，轻型单发直升机和双发直升机占预计采购量的66%以上，而轻型单发直升机占预计采购量的48%，所以说，单发轻型直升机是未来五年最受青睐的机型。

从目前直升机使用类型看，国内的民用直升机多为中型机和轻型机，分别占总数的39.7%和33.8%，甚轻型直升机仅占26.5%。直升机总体构成偏重于中型机，甚轻型直升机比例很小，使得部分可用甚轻型直升机作业的项目和任务不得不改用中、轻型直升机，影响了通用航空企业的经济效益。

我国是农业大国，拥有18亿亩基本农田和和森林，每年需要大量的农林植保作业。基于以上现状，中国甚轻型农林植保直升机的需求是相当巨大的。农林植保直升机具备高效安全、覆盖密度高、精确作业效果好、省水节药成本低等优势，甚轻型直升机在一定程度保证作业效率的同时，大大降低了作业成本，提高经济效益。

现有技术可以通过多旋翼无人机或中型、轻型直升机加装农喷设备进行农林喷洒作业。其中，多旋翼无人机进行农林喷洒作业有效载荷小，作业效率低；中型、轻型直升机进行农林喷洒作业使用成本高，农喷设备及直升机平台主要依赖进口。

发明内容

本发明针对上述技术问题，提供一种甚轻型有人农林植保直升机，在降低使用成本同时，最大限度发挥直升机农林喷洒作业效率，在满足适航性要求基础上进行飞行作业。

本发明一种甚轻型有人农林植保直升机的技术方案是：一种甚轻型有人农林植保直升机，包括动力装置及附件系统、传动系统、旋翼系统、机身结构、操纵系统、电气仪表系统和农林喷洒装置；所述的动力装置包括活塞式带涡轮增压的发动机，安装在座舱后部；附件系统包括燃油系统、滑油系统、冷却系统、点火系统及进、排气系统；

所述的机身结构包括主承力部件钢管焊接骨架、座舱、尾部结构和起落架；所述座舱安装在骨架上，所述的尾部结构和起落架连接在骨架上；所述座舱罩主体框架材料为复合材料，座舱罩采用航空有机玻璃；

所述的农林喷洒装置包括药箱、电动水泵、喷杆和操纵控制开关；其中药箱和喷杆布置于机身外部，药箱安装于机身骨架下部，主旋翼轴重心附近位置，离地面高度为500mm，药箱外形呈U字形，U字形药箱左右对称，分布在机身两侧，并且在药箱内部设计有防波板；药箱采用全复合材料结构，顶部布置无盖式加药口，并配备剩余药量传感器，另一侧顶部布置排气孔，底部布置排药口和卸药口；

所述喷杆采用高强度碳纤维管制成，喷杆前置安装在机身头部，喷杆与连接支架之间相互构成三角形结构；喷杆分为三段碳纤维管段，通过铝合金接头铰接，转场运输中可将左右两段的部分折叠。

在所述的一种甚轻型有人农林植保直升机中，所述燃油系统包括燃油箱、油量传感器、油面开关、切断阀、电动增压泵；所述的燃油箱为单一复合材料油箱，安装于发动机上部，由机身结构提供支撑。

在所述的一种甚轻型有人农林植保直升机中，所述的滑油系统由发动机滑油系统和传动系统滑油系统组成；发动机滑油系统及其系统部件由发动机自带提供，并独立于传动系统滑油系统；发动机8滑油系统为干槽式压力滑油系统；传动系统的主、尾减速器采用飞溅式润滑系统。

在所述的一种甚轻型有人农林植保直升机中，所述的传动系统主传动采用V型皮带轮传动装置，通过V型皮带传递扭矩到主减速器；尾传动向后通过弹性联轴节和尾传动装置将动力传递到尾桨；主减速器和尾减速器均采用一级螺旋伞齿轮传动和飞溅式润滑结构。

在所述的一种甚轻型有人农林植保直升机中，所述的旋翼系统主桨叶为“跷跷板”式双桨叶，是全金属铝制桨叶，翼型为NACA23012；两片主桨叶共用一个挥舞铰；尾桨为刚性无铰式构型。

在所述的一种甚轻型有人农林植保直升机中，所述尾桨安装4片碳纤维材料尾桨叶，翼型为OAF117。

在所述的一种甚轻型有人农林植保直升机中，所述的起落架为滑撬式起落架，所述起落架横向构件可弯曲变形。

在所述的一种甚轻型有人农林植保直升机中，所述座舱内部两座驾驶员座椅并排布局，座椅左侧布置总距/油门杆，周期变距杆位于座舱中部，便携式灭火瓶、农林喷洒装置的自吸水泵及过滤器安装于右侧底板上。

本发明产生的有益效果是：具备商载能力大，作业效率高，可靠性安全性高及运行成本低等优势。

（1）用于农林植保领域多旋翼无人机连续作业能力差，效率低，单架次需要最少2-4块电池组。例如：10L多旋翼无人机，单架次最少2块电池组，作业面积1：1（10升：10亩），200亩植保作业需要飞行20次，携带电池40—80块，重量约为80—160kg（单块电池重量约2kg）。

本发明直升机按60km/h飞行速度进行喷洒作业，150L药水喷洒12min，装载一箱药水时间约8min，每小时飞行3个起降，实际作业时间36min，喷管幅宽6.9m，折算下来每小时可喷洒372亩地。这是人工喷洒农药100倍，是一般无人机的10倍。

（2）本发明作为一款甚轻型直升机，可以使用95#燃油，大大降低了飞行成本。该机采用单旋翼带尾桨常规构型结构，使用及维护简单。

（3）座舱罩主体框架材料为复合材料，降低了空机重量的同时，使飞机大面积采用航空有机玻璃，很好的保证飞行员的视野，提高安全性。

（4）改进了药箱外形避免机身下部大容量药箱重心离主轴重心远，对飞行姿态影响大，难以操控平衡，U字形药箱左右对称，分布在机身两侧，并且在药箱内部设计有防波板，以防止飞行中药水随飞行状态产生振荡，破坏机体操控平衡性，导致飞行姿态不稳定。

（5）农喷喷杆采用高强度碳纤维管制成，喷杆前置安装在机身头部，喷杆与连接支架之间相互构成三角形结构，增强喷杆的强度和刚度，提高农喷作业的飞行稳定性。

喷杆分为三段碳纤维管段，通过铝合金接头铰接，转场运输中可将左右两段的部分折叠；缩减整体宽度，避免了运输过程中的拆卸，简单易操作的安装结构，降低作业准备时间，提高作业效率。

附图说明

图1为本发明整机结构示意图；

图2为本发明剖视结构示意图；

图3为图2的局部细节结构示意图；

图4为本发明座舱布局结构示意图；

图5为本发明农喷杆外观结构示意图；

图6为本发明座舱外形布局图；

图7为本发明药箱外观结构示意图；

图中：仪表板1；周期变距杆2；总距/油门杆3；倾斜盘4；主旋翼5；燃油箱6；主减速器7；发动机8；尾梁9；尾面10；尾减速器11；尾桨12；脚蹬13；散热风扇14；蓄电池15；农喷杆16；药箱17；排药口17-1；安装连接件17-2；滑油箱18；尾梁撑杆19；起落架20；座舱21；灭火器21-1；过滤器21-2；自吸水泵21-3；驾驶舱底板21-4。

具体实施方式

下面结合本发明的优选实施方式对本发明创造进行详细说明：

本发明采用单旋翼带尾桨12式常规构型，滑撬式起落架20，包括动力装置及附件系统、传动系统、旋翼系统、机身结构、操纵系统、电气仪表系统和农林喷洒装置。

动力装置包括一已适航取证的平直队列的四缸ROTAX914F活塞式带涡轮增压的发动机8，安装在座舱21后部。该发动机8功率大，性能稳定，工作可靠，具有功率重量比高，油耗低，寿命长，首翻期（TBO）可达2000小时。

发动机8附件系统由燃油系统、滑油系统、冷却系统、点火系统及进、排气系统组成。

燃油系统包括燃油箱6、油量传感器、油面开关、切断阀、电动增压泵。所述的燃油箱6为单一复合材料油箱，安装于发动机8上部，由机身结构提供支撑。燃油为压力供油，由电动泵增压，机上电源自动开启主泵和辅助泵，两个泵同时工作，确保各个飞行剖面的发动机8供油。

滑油系统由发动机8滑油系统和传动系统滑油系统组成。发动机8滑油系统及其系统部件由已取证发动机8自带提供，并独立于传动系统滑油系统。发动机8滑油系统为干槽式压力滑油系统；传动系统的主、尾减速器11采用飞溅式润滑系统。

冷却系统功能为发动机8汽缸头冷却和滑油冷却。汽缸头冷却液由散热器流到4个气缸头，以达到冷却效果。

点火系统采用双路独立的无触点式电容器放电电路，由发动机8自带线圈绕组供电，点火电路不需要外部电源供电。

进气系统配置有涡轮增压器，利用发动机8排气冲击惯性来推动增压涡轮叶片，使增压后的压缩空气进入气缸，提高发动机8输出功率。

排气系统主要功能是收集4个气缸作功后的全部气体，经排气管道输送到涡轮增压器，涡轮增压控制器（TCU）通过步进电机驱动钢索，以控制发动机8输出功率。

传动系统主传动采用V型皮带轮传动装置，通过4根V型皮带传递扭矩到主减速器7；尾传动向后通过弹性联轴节和尾传动装置将动力传递到尾桨12。

主减速器7和尾减速器11均采用一级螺旋伞齿轮传动和飞溅式润滑结构。

旋翼系统主桨叶为“跷跷板”式双桨叶，是全金属铝制桨叶，翼型为NACA23012。两片主桨叶共用一个挥舞铰，无垂直铰。构型简单，维护方便。

尾桨12为刚性无铰式构型，安装4片碳纤维材料尾桨12叶，翼型为OAF117。

机身结构包括主承力部件钢管焊接骨架、座舱21、尾部结构和起落架20。所述座舱21为两座并排布局驾驶员座椅，碳纤维外蒙皮包覆了发动机8、主减速器7及机载设备等大部分成附件。尾部结构主要包括通过两根碳纤维尾管支撑的铝合金尾梁9、后置垂尾、高置平尾、尾传动及尾旋翼。

座舱罩主体框架材料为复合材料，降低了空机重量的同时，使飞机大面积采用航空有机玻璃，很好的保证飞行员的视野。提高安全性。其座舱罩外形见图。

起落架20为滑撬式起落架20，未安装缓冲装置。着陆时依靠结构的弹性变形（主要是横向构件的弯曲变形）来吸收着陆撞击能量，起到缓冲保护作用。

飞行操纵系统采用机械式操纵系统设计，由周期变距、总距-油门和航向操纵系统组成。周期变距和总距通过倾斜盘4操纵桨叶的变距。总距-油门操纵，通过调节器的调整保持旋翼和发动机8的转速在预设的范围内。脚蹬13通过钢索操纵尾桨12变距，实现航向操纵。未采用配平操纵装置和操纵系统锁。未采用高桨距限制装置和旋翼刹车。

电气仪表系统采用12V低压直流电源，主电源由2台交流发电机及整流调节器组成，应急电源是1块13.8Ah锂电池。

座舱21不加温。座舱21仪表采用分立式航空仪表。无货舱或行李舱。

农林喷洒装置包括150升容量药箱17、电动水泵、喷杆16和操纵控制开关。其中药箱17和喷杆16布置于机身外部。150L容量药箱安装于机身骨架下部，主旋翼轴重心附近位置，离地面高度为500mm。药箱外形呈U字形（见图），避免机身下部大容量药箱重心离主轴重心远，对飞行姿态影响大，难以操控平衡，U字形药箱左右对称，分布在机身两侧，并且在药箱内部设计有防波板，以防止飞行中药水随飞行状态产生振荡，破坏机体操控平衡性，导致飞行姿态不稳定。

药箱采用全复合材料结构，左侧顶部布置无盖式加药口，并配备剩余药量传感器，右侧顶部布置排气孔，右侧底部布置排药口和卸药口。

农喷喷杆采用高强度碳纤维管制成，喷杆前置安装在机身头部，喷杆与连接支架之间相互构成三角形结构，增强喷杆的强度和刚度，提高农喷作业的飞行稳定性。

喷杆分为三段碳纤维管段，通过铝合金接头铰接，转场运输中可将左右两段的部分折叠，缩减整体宽度，避免了运输过程中的拆卸，简单易操作的安装结构，降低作业准备时间，提高作业效率。

座舱21内部两座驾驶员座椅并排布局，座椅左侧布置总距/油门杆，周期变距杆2位于座舱21中部，便携式灭火瓶、农林喷洒装置的自吸水泵21-3及过滤器21-2安装于右侧地板上，仪表板1布置在座舱21前、中部位置，座舱21内部布置见图4。座舱罩主体框架材料为复合材料，降低了空机重量的同时，使飞机大面积采用航空有机玻璃，很好的保证飞行员的视野。提高安全性。其座舱罩外形见图3。

尽管本发明创造的优选实施例为了说明性的目的在此公开，但是本领域的技术人员应当理解，在不背离所附属权利要求所公开的本发明创造的范围和精神的前提下，各种修改、增加和变造都是可能的，应指出的是，在不背离本发明创造范围和精神的前提下的上述各种修改、增加和变造都应涵盖在本发明创造的权利范围之内。

Claims (8)

1.一种甚轻型有人农林植保直升机，包括动力装置及附件系统、传动系统、旋翼系统、机身结构、操纵系统、电气仪表系统和农林喷洒装置；所述的动力装置包括活塞式带涡轮增压的发动机，安装在座舱后部；附件系统包括燃油系统、滑油系统、冷却系统、点火系统及进、排气系统；

其特征在于，所述的机身结构包括主承力部件钢管焊接骨架、座舱、尾部结构和起落架；所述座舱安装在骨架上，所述的尾部结构和起落架连接在骨架上；所述座舱罩主体框架材料为复合材料，座舱罩采用航空有机玻璃；

所述的农林喷洒装置包括药箱、电动水泵、喷杆和操纵控制开关；其中药箱和喷杆布置于机身外部，药箱安装于机身骨架下部，主旋翼轴重心附近位置，离地面高度为500mm，药箱外形呈U字形，U字形药箱左右对称，分布在机身两侧，并且在药箱内部设计有防波板；药箱采用全复合材料结构，顶部布置无盖式加药口，并配备剩余药量传感器，另一侧顶部布置排气孔，底部布置排药口和卸药口；

所述喷杆采用高强度碳纤维管制成，喷杆前置安装在机身头部，喷杆与连接支架之间相互构成三角形结构；喷杆分为三段碳纤维管段，通过铝合金接头铰接，转场运输中可将左右两段的部分折叠。

2.如权利要求1所述的一种甚轻型有人农林植保直升机，其特征在于，所述燃油系统包括燃油箱、油量传感器、油面开关、切断阀、电动增压泵；所述的燃油箱为单一复合材料油箱，安装于发动机上部，由机身结构提供支撑。

3.如权利要求1所述的一种甚轻型有人农林植保直升机，其特征在于，所述的滑油系统由发动机滑油系统和传动系统滑油系统组成；发动机滑油系统及其系统部件由发动机自带提供，并独立于传动系统滑油系统；发动机滑油系统为干槽式压力滑油系统；传动系统的主、尾减速器采用飞溅式润滑系统。

4.如权利要求1所述的一种甚轻型有人农林植保直升机，其特征在于，所述的传动系统主传动采用V型皮带轮传动装置，通过V型皮带传递扭矩到主减速器；尾传动向后通过弹性联轴节和尾传动装置将动力传递到尾桨；主减速器和尾减速器均采用一级螺旋伞齿轮传动和飞溅式润滑结构。

5.如权利要求1所述的一种甚轻型有人农林植保直升机，其特征在于，所述的旋翼系统主桨叶为“跷跷板”式双桨叶，是全金属铝制桨叶，翼型为NACA23012；两片主桨叶共用一个挥舞铰；尾桨为刚性无铰式构型。

6.如权利要求5所述的一种甚轻型有人农林植保直升机，其特征在于，所述尾桨安装4片碳纤维材料尾桨叶，翼型为OAF117。

7.如权利要求1所述的一种甚轻型有人农林植保直升机，其特征在于，所述的起落架为滑撬式起落架，所述起落架横向构件可弯曲变形。

8.如权利要求1所述的一种甚轻型有人农林植保直升机，其特征在于，所述座舱内部两座驾驶员座椅并排布局，座椅左侧布置总距/油门杆，周期变距杆位于座舱中部，便携式灭火瓶、农林喷洒装置的自吸水泵及过滤器安装于右侧底板上。