CN110562485B - 一种桨距可调的火星飞行器共轴旋翼悬停特性测量装置 - Google Patents

Abstract

一种桨距可调的火星飞行器共轴旋翼悬停特性测量装置，它涉及一种悬停特性测量装置。本发明为了解决现有的共轴旋翼悬停特性测量装置无法提供足够的动力并获取具有高精度的升力及扭矩测量值。及无法满足高效快速的测量需求。本发明的驱动模块竖直设置，上旋翼系统和下旋翼系统由上至下安装在驱动模块上，且上旋翼系统和下旋翼系统的旋转运动同轴并相互独立，驱动模块具有两套驱动系统，分别驱动上旋翼系统和下旋翼系统旋转且旋转方向相反，桨距调节模块通过采用连杆推拉的形式驱动下旋翼系统的桨夹进行转动来实现桨距角可调，测量模块安装在驱动模块的下部并对升力和扭矩进行测量。本发明用于火星飞行器共轴旋翼悬停特性测量。

Description

一种桨距可调的火星飞行器共轴旋翼悬停特性测量装置

技术领域

本发明涉及一种火星飞行器共轴旋翼悬停特性测量装置，具体涉及一种桨距可调的火星飞行器共轴旋翼悬停特性测量装置。

背景技术

火星因其具有与地球相似的地质结构组成和物理特征而成为深空探测的重点对象。针对火星的探测方式主要包含环绕探测和表面巡视探测两种，其中最引人注目的是火星表面巡视探测。截至目前，世界各国发射的多辆火星漫游车已探明火星表面存在稀薄大气；同时，火星漫游车也暴露出视野狭窄、机动性差、可探测范围有限等缺陷。火星飞行器因其具备移动速度快、探测范围广、拍摄画面清晰等特点而成为未来火星探测的主要方式之一。

旋翼式飞行器相对浮空气球式、固定翼式、扑翼式等型式的飞行器具有良好的可操纵性和较低的环境依赖性，因而成为火星飞行器首选的结构型式。由于普通旋翼难以在火星稀薄低温的大气条件下产生足够升力，因此火星飞行器选用功率密度较大的共轴式旋翼。为测试火星飞行器共轴旋翼悬停特性，需测量具有不同桨距角的旋翼系统在火星大气条件下可产生的升力和所需克服的反扭矩，因此研制一种桨距可调的火星飞行器共轴旋翼悬停特性测量装置对我国火星探测重大航天工程具有重要意义。

现有的共轴旋翼悬停特性测量装置由于适用对象为地球，所以不是针对适用于火星大气环境的旋翼系统，无法为共轴旋翼系统提供足够的动力并获取具有高精度的升力及扭矩测量值。同时，现有的共轴旋翼悬停特性测量装置无法准确方便地调整旋翼桨距以满足高效快速的测量需求。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的共轴旋翼悬停特性测量装置难以针对适用于火星大气环境的旋翼系统，为共轴旋翼系统提供足够的动力并获取具有高精度的升力及扭矩测量值。同时，现有的共轴旋翼悬停特性测量装置无法准确方便地调整旋翼桨距以满足高效快速的测量需求。进而提供一种桨距可调的火星飞行器共轴旋翼悬停特性测量装置。

本发明的技术方案是：一种桨距可调的火星飞行器共轴旋翼悬停特性测量装置包括旋翼模块，旋翼模块包括上旋翼系统和下旋翼系统，它还包括驱动模块、桨距调节模块和测量模块，驱动模块竖直设置，上旋翼系统和下旋翼系统由上至下安装在驱动模块上，且上旋翼系统和下旋翼系统的旋转运动同轴并相互独立，驱动模块具有两套驱动系统，分别驱动上旋翼系统和下旋翼系统旋转且旋转方向相反，桨距调节模块通过采用连杆推拉的形式驱动下旋翼系统的桨夹进行转动来实现桨距角可调，测量模块安装在驱动模块的下部并对升力和扭矩进行测量。

进一步地，上旋翼系统和下旋翼系统结构相同，上旋翼系统包括桨毂、两个旋翼桨叶和两个旋翼桨夹，桨毂为长条形结构，桨毂的中心开设圆孔，桨毂的两端为圆柱形连接杆，圆柱形连接杆上开设环形凹槽，桨毂套装在驱动模块的内传动轴上，两个旋翼桨夹通过紧定螺钉分别安装在圆柱形连接杆上，每个旋翼桨夹上安装有一个旋翼桨叶，且旋翼桨夹通过紧定螺钉在环形凹槽中的安装位置不同来调节桨距角。

进一步地，驱动模块包括内传动轴、外传动轴、下盖板、侧盖板、内传动从动锥齿轮、内传动主动锥齿轮、内传动电机、外传动从动锥齿轮、外传动主动锥齿轮、外传动电机、上盖板、导向基座、轴承端盖和外轴上部限位连接组件，下盖板水平布置，侧盖板竖直安装在下盖板上，内传动轴竖直设置并通过轴承和轴承端盖转动安装在下盖板上，内传动从动锥齿轮通过紧定螺钉安装在内传动轴的下部，内传动主动锥齿轮安装在内传动从动锥齿轮的侧面并与内传动从动锥齿轮相啮合，内传动电机安装在侧盖板上，且内传动电机的输出轴与内传动主动锥齿轮连接，外传动轴套装在内传动轴上，且外传动轴的上下两端均通过轴承进行限位，外传动从动锥齿轮通过紧定螺钉套装在外传动轴上，外传动电机安装在侧盖板上，外传动电机的输出轴与外传动主动锥齿轮连接，外传动主动锥齿轮与外传动从动锥齿轮相啮合，上盖板盖装在侧盖板上，导向基座通过多个轴承套装在外传动轴上。

进一步地，外轴上部限位连接组件包括外轴连接环和挡环，外轴连接环套装在外传动轴上，且外轴连接环与外传动轴之间安装有轴承，挡环安装在内传动轴上，且位于外轴连接环的上端。

进一步地，桨距调节模块包括桨距调整电机、桨距调整主动齿轮、桨距调整从动齿轮、桨距控制螺杆、螺套、变距推块和两组变距连杆推动件，桨距调整电机安装在上盖板上，桨距调整主动齿轮与桨距调整电机的输出轴连接，桨距控制螺杆套装在外传动轴上并位于导向基座的上方，桨距调整从动齿轮套装在桨距控制螺杆上，桨距调整从动齿轮与桨距调整主动齿轮相啮合，螺套螺纹连接在桨距控制螺杆上，变距推块转动安装在螺套上，每组变距连杆推动件的下端与变距推块连接，每组变距连杆推动件的上端与下旋翼系统的旋翼桨夹连接。

进一步地，桨距调节模块还包括工装，桨距调整主动齿轮通过工装与桨距调整电机的输出轴连接。

进一步地，每个变距连杆推动件均包括下杆座、连杆和上杆座，下杆座安装在变距推块的上端，上杆座安装在旋翼桨夹的下端，下杆座和上杆座之间通过连杆连接。

进一步地，测量模块包括扭矩测量工装、扭矩测量支架、扭矩传感器、测量安装板、压力传感器、底座、多个光电传感器安装架和多个光电传感器，多个光电传感器安装架安装在侧盖板上，且分别位于内传动电机和外传动电机的上方和下方，每个光电传感器安装架上安装有一个光电传感器；扭矩测量工装安装在下盖板的下端，扭矩测量支架可转动套装在扭矩测量工装上，扭矩测量支架的下端与测量安装板连接，扭矩传感器安装在扭矩测量工装的下端与扭矩测量支架内腔之间形成的空隙内，压力传感器安装在测量安装板的下端，底座与压力传感器的下端连接。

进一步地，扭矩测量支架通过多个轴承可转动套装在扭矩测量工装上。

进一步地，压力传感器为轮辐式压力传感器。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

1、本发明结构设计科学合理，两个直流无刷电机横向向布置在旋翼传动轴两侧，通过直流无刷电机直接连接的锥齿轮分别将旋转运动和动力传递至上、下旋翼的传动轴。上、下旋翼的传动轴通过两对深沟球轴承保证工作时的同轴度，传动轴系通过轴承端盖、轴承、套环、定位环、紧定螺钉实现预紧。桨距调整机构连接在驱动模块上，直流无刷电机将动力和运动通过齿轮传递至变距螺杆，通过导向基座和桨距控制螺母的花键连接及桨距控制螺母和桨距控制螺杆的螺纹连接实现变距推块的上下运动，进而推动变距杆改变下旋翼的桨距角。测量模块连接在驱动模块下方，传动轴系通过紧定螺钉连接至扭矩传感器，测量装置安装底板直接连接在压力传感器上，以精确测量旋翼系统可产生的升力和所需克服的扭矩。

2、本发明的旋翼桨叶直接连接在桨夹上，桨夹通过紧定螺钉安装在桨毂上，桨毂通过紧定螺钉连接至旋翼传动轴。旋翼模块可以整体进行安装与拆卸，可通过调整紧定螺钉在桨毂环槽上的安装角度实现对旋翼桨距角的调整，可通过拆装旋翼桨叶实现不同结构型式桨叶的更换，旋翼模块安装调整非常简便。

3、本发明采用两对垂直布置的锥齿轮传动实现上、下旋翼传动轴反向转动，避免两直流无刷电机装配发生干涉，且充分利用了驱动模块内部空间，结构紧凑。

4、本发明中桨距调整模块轴系与驱动模块轴系采用嵌套式设计，可缩短预紧传动路线并保证装配方便快捷，结构紧凑。

5、本发明的测量模块采用轮辐式压力传感器直接测量，可实现竖直方向升力的精确测量，并可保证测量装置整体稳定性。

6、本发明通过多次试验可知，共轴旋翼悬停特性测量装置可实现的转速调节范围为0–5000r/min，转速误差为±10r/min，旋翼系统桨叶直径的调节范围为0.2–0.6m，桨距角调整范围为0–50°，旋翼系统可快速更换桨叶，装配简单高效。

7、本发明通过多次试验可知，旋翼系统在5000r/min，内、外轴高速运动过程具有良好的同轴度与运动平稳性。

8、本发明通过多次试验可知，旋翼系统在5000r/min，翼展0.6m时，640Pa的二氧化碳环境工作过程整体性能稳定。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是图1的侧视图；

图3是图1沿A-A处的剖视图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式的一种桨距可调的火星飞行器共轴旋翼悬停特性测量装置包括旋翼模块1，旋翼模块1包括上旋翼系统和下旋翼系统，它还包括驱动模块2、桨距调节模块3和测量模块4，驱动模块2竖直设置，上旋翼系统和下旋翼系统由上至下安装在驱动模块2上，且上旋翼系统和下旋翼系统的旋转运动同轴并相互独立，驱动模块2具有两套驱动系统，分别驱动上旋翼系统和下旋翼系统旋转且旋转方向相反，桨距调节模块3通过采用连杆推拉的形式驱动下旋翼系统的桨夹进行转动来实现桨距角可调，测量模块4安装在驱动模块2的下部并对升力和扭矩进行测量。

本发明中旋翼模块、驱动模块和测量模块沿竖直方向布置，桨距调节装置沿径向布置，具有结构紧凑可靠性高等特点，两个直流无刷电机分别驱动共轴旋翼系统的内轴与外轴高速旋转，保证上下旋翼间运动的相互独立，旋翼系统产生的升力大小由布置于测量装置底部的压力传感器直接测量，旋翼系统所克服反扭矩通过布置于装置下方的扭矩传感器直接测量。

本发明针对旋翼式火星飞行器的共轴旋翼系统测量，用于火星飞行器不同桨叶参数及桨距角的旋翼悬停特性测量与评价。

具体实施方式二：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式的上旋翼系统和下旋翼系统结构相同，上旋翼系统包括桨毂1-1、两个旋翼桨叶1-2和两个旋翼桨夹1-3，桨毂1-1为长条形结构，桨毂1-1的中心开设圆孔1-1-1，桨毂1-1的两端为圆柱形连接杆1-1-2，圆柱形连接杆1-1-2上开设环形凹槽1-1-3，桨毂1-1套装在驱动模块2的内传动轴上，两个旋翼桨夹1-3通过紧定螺钉分别安装在圆柱形连接杆1-1-2上，每个旋翼桨夹1-3上安装有一个旋翼桨叶1-2，且旋翼桨夹1-3通过紧定螺钉在环形凹槽1-1-3中的安装位置不同来调节桨距角。

如此设置，本实施方式由于在圆柱形连接杆1-1-2上开设环形凹槽1-1-3，便于在调整桨距角时，紧定螺钉直接在环形凹槽1-1-3内移动，桨距角调节方便、快捷。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式的驱动模块2包括内传动轴2-1、外传动轴2-2、下盖板2-3、侧盖板2-4、内传动从动锥齿轮2-5、内传动主动锥齿轮2-6、内传动电机2-7、外传动从动锥齿轮2-8、外传动主动锥齿轮2-9、外传动电机2-10、上盖板2-11、导向基座2-12、轴承端盖2-13和外轴上部限位连接组件A，下盖板2-3水平布置，侧盖板2-4竖直安装在下盖板2-3上，内传动轴2-1竖直设置并通过轴承和轴承端盖2-13转动安装在下盖板2-3上，内传动从动锥齿轮2-5通过紧定螺钉安装在内传动轴2-1的下部，内传动主动锥齿轮2-6安装在内传动从动锥齿轮2-5的侧面并与内传动从动锥齿轮2-5相啮合，内传动电机2-7安装在侧盖板2-4上，且内传动电机2-7的输出轴与内传动主动锥齿轮2-6连接，外传动轴2-2套装在内传动轴2-1上，且外传动轴2-2的上下两端均通过轴承进行限位，外传动从动锥齿轮2-8通过紧定螺钉套装在外传动轴2-2上，外传动电机2-10安装在侧盖板2-4上，外传动电机2-10的输出轴与外传动主动锥齿轮2-9连接，外传动主动锥齿轮2-9与外传动从动锥齿轮2-8相啮合，上盖板2-11盖装在侧盖板2-4上，导向基座2-12通过多个轴承套装在外传动轴2-2上。

如此设置，本实施方式采用了两种驱动独立的驱动方式对上旋翼系统和下旋翼系统进行分别驱动，结构紧凑。其它组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式的外轴上部限位连接组件A包括外轴连接环A-1和挡环A-2，外轴连接环A-1套装在外传动轴2-2上，且外轴连接环A-1与外传动轴2-2之间安装有轴承，挡环A-2安装在内传动轴2-1上，且位于外轴连接环A-1的上端。如此设置，便于对外传动轴2-2的上部进行限位。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二或三相同。

具体实施方式五：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式的桨距调节模块3包括桨距调整电机3-1、桨距调整主动齿轮3-2、桨距调整从动齿轮3-3、桨距控制螺杆3-4、螺套3-5、变距推块3-6和两组变距连杆推动件B，桨距调整电机3-1安装在上盖板2-11上，桨距调整主动齿轮3-2与桨距调整电机3-1的输出轴连接，桨距控制螺杆3-4套装在外传动轴2-2上并位于导向基座2-12的上方，桨距调整从动齿轮3-3套装在桨距控制螺杆3-4上，桨距调整从动齿轮3-3与桨距调整主动齿轮3-2相啮合，螺套3-5螺纹连接在桨距控制螺杆3-4上，变距推块3-6转动安装在螺套3-5上，每组变距连杆推动件B的下端与变距推块3-6连接，每组变距连杆推动件B的上端与下旋翼系统的旋翼桨夹1-3连接。

如此设置，螺套3-5、变距推块3-6、下杆座B-1、上杆座B-3、旋翼桨夹1-3和角接触球轴承3-7构成空间连杆机构，实现将螺套3-5的上下移动转换为桨距角大小的变化。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。

本实施方式通过花键传动、齿轮传动和螺纹传动实现将桨距调整电机的旋转运动转换为桨距控制螺母的上下移动。

具体实施方式六：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式的桨距调节模块3还包括工装3-7，桨距调整主动齿轮3-2通过工装3-7与桨距调整电机3-1的输出轴连接。

如此设置，本实施方式的工装3-7为“⊥”字形工装，工装3-7与桨距调整电机3-1的输出轴之间通过螺钉连接，桨距调整主动齿轮3-2与工装3-7之间通过螺钉连接。连接方式简单、可靠，便于后续的养护和维修。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四或五相同。

具体实施方式七：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式的每个变距连杆推动件B均包括下杆座B-1、连杆B-2和上杆座B-3，下杆座B-1安装在变距推块3-6的上端，上杆座B-3安装在旋翼桨夹1-3的下端，下杆座B-1和上杆座B-3之间通过连杆B-2连接。如此设置，便于与旋翼桨夹1-3等构成空间连杆机构，实现将螺套3-5的上下移动转换为桨距角大小的变化。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五或六相同。

具体实施方式八：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式的测量模块4包括扭矩测量工装4-3、扭矩测量支架4-4、扭矩传感器4-5、测量安装板4-6、压力传感器4-7、底座4-8、多个光电传感器安装架4-1和多个光电传感器4-2，多个光电传感器安装架4-1安装在侧盖板2-4上，且分别位于内传动电机2-7和外传动电机2-10的上方和下方，每个光电传感器安装架4-1上安装有一个光电传感器4-2；扭矩测量工装4-3安装在下盖板2-3的下端，扭矩测量支架4-4可转动套装在扭矩测量工装4-3上，扭矩测量支架4-4的下端与测量安装板4-6连接，扭矩传感器4-5安装在扭矩测量工装4-3的下端与扭矩测量支架4-4内腔之间形成的空隙内，压力传感器4-7安装在测量安装板4-6的下端，底座4-8与压力传感器4-7的下端连接。

如此设置，本实施方式采用光电传感器4-2对型式为外转子电机的旋翼驱动电机的转速进行实时测量，(旋翼驱动电机指的是外传动电机2-10和内传动电机2-7)。扭矩测量支架4-4采用静态扭矩传感器传感器，对旋翼模块1所克服的反作用扭矩直接测量。其它组成和连接关系与具体实施方式一至七中任意一项相同。

具体实施方式九：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式的扭矩测量支架4-4通过多个轴承可转动套装在扭矩测量工装4-3上。其它组成和连接关系与具体实施方式一至八中任意一项相同。

具体实施方式十：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式的压力传感器4-7为轮辐式压力传感器。便于对旋翼模块1中各方向产生的升力直接测量。其它组成和连接关系与具体实施方式一至九中任意一项相同。

实施例：

本实施方式包括旋翼模块1、驱动模块2、桨距调节模块3和测量模块4,旋翼模块1、驱动模块2和测量模块4沿旋翼系统传动轴竖直方向依次连接，桨距调节模块3与驱动模块2沿传动轴径向连接；

旋翼模块1包括上、下两个旋翼系统。旋翼桨叶1-2与旋翼桨夹1-3通过螺栓、弹簧垫圈和六角螺母连接，旋翼桨夹1-3与桨毂1-1通过紧定螺钉连接，桨毂1-1与内传动轴2-1通过紧定螺钉连接。

内传动轴2-1通过紧定螺钉与挡环A-2连接至深沟球轴承，通过内传动从动锥齿轮2-5、辅助挡环、深沟球轴承与轴承端盖2-13连接。

外传动轴2-2通过螺栓、外轴连接环A-1、弹簧垫圈连接至深沟球轴承，通过第二挡环3-26、多个角接触球轴承3-25与桨距控制螺杆3-4保证同轴度，通过外传动从动锥齿轮2-8和第三挡环2-14连接至角接触球轴承，通过多个角接触球轴承与导向基座2-12保证同轴度。导向基座2-12与上盖板2-11通过螺钉连接。轴承端盖2-13与下盖板2-13通过调整垫片、螺钉连接。通过调整调节垫片的厚度，轴承端盖可实现共轴旋翼轴系预紧。

外传动电机2-10利用止口定位并通过螺钉与侧盖板2-4连接，通过螺钉、垫片、联轴工装将运动和动力传递至外传动主动锥齿轮2-9。外传动从动锥齿轮2-8与外传动主动锥齿轮2-9配合，并通过紧定螺钉将动力和运动转递至外传动轴2-2。

内传动电机2-7利用止口定位并通过螺钉连接至侧盖板2-4，通过螺钉、垫片、联轴工装将运动和动力传递至外传动主动锥齿轮2-9。内传动从动锥齿轮2-5与外传动主动锥齿轮2-9配合，并通过紧定螺钉将动力和运动转递至内传动轴2-1。

桨距调整电机3-1通过紧定螺钉与联轴工装连接，通过紧定螺钉与桨距调整主动齿轮3-2连接。桨距调整从动齿轮3-3通过卡簧连接至桨距控制螺杆3-4，并与桨距调整主动齿轮3-2配合。

变距推块3-6通过角接触球轴承与变距推块3-6连接。变距推块3-6通过螺钉、弹簧垫圈与下杆座B-1连接。变矩杆3-3通过螺栓3-4与下杆座B-1连接，通过螺栓与上杆座B-2连接，并通过螺钉连接至下旋翼桨夹3-1。

扭矩测量工装4-3与下盖板2-3通过螺钉连接，通过紧定螺钉连接至扭矩传感器4-5，通过一对角接触球轴承和垫圈与扭矩测量支架4-4连接。测量安装板4-6通过紧定螺钉与扭矩传感器4-5连接，通过螺钉、调整垫圈与测量支架4-8连接，通过螺钉连接至压力传感器4-7。压力传感器4-7通过螺栓与安装底座4-8连接。光电传感器安装支座4-4与光电测速传感器4-2通过螺栓连接。

本发明中外传动电机2-10和内传动电机2-7布置于旋翼模块1传动轴两侧，在电机驱动器的指令控制下高速旋转，并通过内传动从动锥齿轮2-5、外传动主动锥齿轮2-9、外传动从动锥齿轮2-8、外传动主动锥齿轮2-9将运动和动力传递至旋翼模块1，实现上、下旋翼桨叶1-2共轴反向转动。上、下旋翼桨叶1-2运动的同轴性通过内传动轴2-1和外传动轴2-2的同轴度保证，内传动轴2-1与外传动轴2-2的同轴度通过深沟球轴承保证，外传动轴2-2与上盖板2-11安装孔的同轴度通过角接触球轴承、导向基座2-12保证，内传动轴2-1与下盖板2-13安装孔的同轴度通过深沟球轴承、轴承端盖2-13保证。

本发明中桨距调整电机3-1通过工装3-7将动力和运动传递至桨距调整主动齿轮3-2，进而传动至桨距调整从动齿轮3-3。桨距调整从动齿轮3-3与桨距控制螺杆3-4通过螺纹连接，并通过卡簧限位。变距推块3-6与导向基座2-12利用花键连接，因此只能沿传动轴轴向运动。桨距调节模块可将桨距调整电机3-1的旋转运动转变为变距推块3-6沿传动轴轴向的运动，从而推动变距推块3-6。变距推块3-6、下杆座B-1、上杆座B-2、螺栓、下旋翼桨夹3-1、角接触球轴承构成的空间连杆机构实现下旋翼桨距角的自动实时调节。旋翼模块1中紧定螺钉可安装在桨毂1-1的环槽上任意相位角位置，这改变了桨叶1-1的安装角。

本发明中的直流无刷电机(指外传动电机2-10和内传动电机2-7)在驱动器控制下可实时改变转速，其由于齿轮间转速比为1，因此旋翼转速可进行直接调节，直流无刷电机是外转子电机，其转速可通过光电传感器4-2进行高精度实时测量，这满足了测量装置对共轴旋翼转速控制性能的要求。

本发明中扭矩传感器4-5布置于测量安装板4-6上，并通过紧定螺钉与传感器测头侧平面配合实现共轴旋翼系统所克服空气反扭矩的实时精确测量。

本发明中轮辐式压力传感器4-7布置于安装底座4-8底部，在共轴旋翼高速旋转时对上、下旋翼产生的总升力进行实时精确测量。

工作过程：

上旋翼系统的传动过程：内传动电机2-7在直流电压驱动下高速旋转，内传动电机2-7通过螺钉、垫片、联轴工装将运动和动力传递至外传动主动锥齿轮2-9。内传动从动锥齿轮2-5与外传动主动锥齿轮2-9配合，并通过紧定螺钉将动力和运动转递至内传动轴2-1，最终内传动轴2-1通过桨毂1-1、旋翼桨夹1-3带动桨叶1-1高速旋转产生升力。

下旋翼系统的传动过程：外传动电机2-10在直流电压驱动下高速旋转，外传动电机2-10通过螺钉、垫片、联轴工装将运动和动力传递至外传动主动锥齿轮2-9。外传动从动锥齿轮2-8与外传动主动锥齿轮2-9配合，并通过紧定螺钉将动力和运动转递至内传动轴2-10，最终内传动轴2-10通过桨毂1-1、旋翼桨夹1-3带动桨叶1-1高速旋转产生升力。

旋翼桨距调节方法：桨距调整电机3-1通过工装3-7将动力和运动传递至桨距调整主动齿轮3-2，进而传动至桨距调整从动齿轮3-3。桨距调整从动齿轮3-3与桨距控制螺杆3-4通过螺纹连接，并通过卡簧限位实现与桨距控制螺杆3-4的相对固定。桨距控制螺母与导向基座2-12利用花键连接，从而只能沿传动轴轴向运动。因此桨距调节模块可将桨距调整电机3-1的旋转运动转变为变距推块3-6沿传动轴轴向的运动，从而推动变距推块3-6。螺套3-5、变距推块3-6、下杆座B-1、上杆座B-2、下旋翼桨夹3-1、角接触球轴承构成空间连杆机构。该机构可实现将变距推块3-6的上下运动转化为下旋翼桨距角的变化。旋翼模块1中紧定螺钉可安装在桨毂1-1的环槽上任意相位角位置以实现旋翼桨距角的实时调节。因此桨距调整电机3-1可实现旋翼桨距自动实时调节。

旋翼系统升阻特性测试方法：上、下旋翼在直流无刷电机的驱动下高速旋转并产生升力，布置于测量安装板4-6下的轮辐式压力传感器4-7直接测量共轴旋翼产生的升力。扭矩传感器4-5的测头与扭矩测量工装4-3通过紧定螺钉4-9连接，扭矩传感器4-5的固定端与测量安装板4-6通过紧定螺钉连接，因此扭矩传感器4-5可实时测量共轴旋翼所克服的反扭矩。通过计算可获得上、下旋翼驱动电机驱动过程中所损耗的功率大小。

Claims (9)

1.一种桨距可调的火星飞行器共轴旋翼悬停特性测量装置，它包括旋翼模块(1)，旋翼模块(1)包括上旋翼系统和下旋翼系统，其特征在于：它还包括驱动模块(2)、桨距调节模块(3)和测量模块(4)，驱动模块(2)竖直设置，上旋翼系统和下旋翼系统由上至下安装在驱动模块(2)上，且上旋翼系统和下旋翼系统的旋转运动同轴并相互独立，驱动模块(2)具有两套驱动系统，分别驱动上旋翼系统和下旋翼系统旋转且旋转方向相反，桨距调节模块(3)通过采用连杆推拉的形式驱动下旋翼系统的桨夹进行转动来实现桨距角可调，测量模块(4)安装在驱动模块(2)的下部并对升力和扭矩进行测量；

驱动模块(2)包括内传动轴(2-1)、外传动轴(2-2)、下盖板(2-3)、侧盖板(2-4)、内传动从动锥齿轮(2-5)、内传动主动锥齿轮(2-6)、内传动电机(2-7)、外传动从动锥齿轮(2-8)、外传动主动锥齿轮(2-9)、外传动电机(2-10)、上盖板(2-11)、导向基座(2-12)、轴承端盖(2-13)和外轴上部限位连接组件(A)，下盖板(2-3)水平布置，侧盖板(2-4)竖直安装在下盖板(2-3)上，内传动轴(2-1)竖直设置并通过轴承和轴承端盖(2-13)转动安装在下盖板(2-3)上，内传动从动锥齿轮(2-5)通过紧定螺钉安装在内传动轴(2-1)的下部，内传动主动锥齿轮(2-6)安装在内传动从动锥齿轮(2-5)的侧面并与内传动从动锥齿轮(2-5)相啮合，内传动电机(2-7)安装在侧盖板(2-4)上，且内传动电机(2-7)的输出轴与内传动主动锥齿轮(2-6)连接，外传动轴(2-2)套装在内传动轴(2-1)上，且外传动轴(2-2)的上下两端均通过轴承进行限位，外传动从动锥齿轮(2-8)通过紧定螺钉套装在外传动轴(2-2)上，外传动电机(2-10)安装在侧盖板(2-4)上，外传动电机(2-10)的输出轴与外传动主动锥齿轮(2-9)连接，外传动主动锥齿轮(2-9)与外传动从动锥齿轮(2-8)相啮合，上盖板(2-11)盖装在侧盖板(2-4)上，导向基座(2-12)通过多个轴承套装在外传动轴(2-2)上。

2.根据权利要求1所述的一种桨距可调的火星飞行器共轴旋翼悬停特性测量装置，其特征在于：上旋翼系统和下旋翼系统结构相同，上旋翼系统包括桨毂(1-1)、两个旋翼桨叶(1-2)和两个旋翼桨夹(1-3)，桨毂(1-1)为长条形结构，桨毂(1-1)的中心开设圆孔(1-1-1)，桨毂(1-1)的两端为圆柱形连接杆(1-1-2)，圆柱形连接杆(1-1-2)上开设环形凹槽(1-1-3)，桨毂(1-1)套装在驱动模块(2)的内传动轴上，两个旋翼桨夹(1-3)通过紧定螺钉分别安装在圆柱形连接杆(1-1-2)上，每个旋翼桨夹(1-3)上安装有一个旋翼桨叶(1-2)，且旋翼桨夹(1-3)通过紧定螺钉在环形凹槽(1-1-3)中的安装位置不同来调节桨距角。

3.根据权利要求2所述的一种桨距可调的火星飞行器共轴旋翼悬停特性测量装置，其特征在于：外轴上部限位连接组件(A)包括外轴连接环(A-1)和挡环(A-2)，外轴连接环(A-1)套装在外传动轴(2-2)上，且外轴连接环(A-1)与外传动轴(2-2)之间安装有轴承，挡环(A-2)安装在内传动轴(2-1)上，且位于外轴连接环(A-1)的上端。

4.根据权利要求3所述的一种桨距可调的火星飞行器共轴旋翼悬停特性测量装置，其特征在于：桨距调节模块(3)包括桨距调整电机(3-1)、桨距调整主动齿轮(3-2)、桨距调整从动齿轮(3-3)、桨距控制螺杆(3-4)、螺套(3-5)、变距推块(3-6)和两组变距连杆推动件(B)，

桨距调整电机(3-1)安装在上盖板(2-11)上，桨距调整主动齿轮(3-2)与桨距调整电机(3-1)的输出轴连接，桨距控制螺杆(3-4)套装在外传动轴(2-2)上并位于导向基座(2-12)的上方，桨距调整从动齿轮(3-3)套装在桨距控制螺杆(3-4)上，桨距调整从动齿轮(3-3)与桨距调整主动齿轮(3-2)相啮合，螺套(3-5)螺纹连接在桨距控制螺杆(3-4)上，变距推块(3-6)转动安装在螺套(3-5)上，每组变距连杆推动件(B)的下端与变距推块(3-6)连接，每组变距连杆推动件(B)的上端与下旋翼系统的旋翼桨夹(1-3)连接。

5.根据权利要求4所述的一种桨距可调的火星飞行器共轴旋翼悬停特性测量装置，其特征在于：桨距调节模块(3)还包括工装(3-7)，桨距调整主动齿轮(3-2)通过工装(3-7)与桨距调整电机(3-1)的输出轴连接。

6.根据权利要求4所述的一种桨距可调的火星飞行器共轴旋翼悬停特性测量装置，其特征在于：每个变距连杆推动件(B)均包括下杆座(B-1)、连杆(B-2)和上杆座(B-3)，下杆座(B-1)安装在变距推块(3-6)的上端，上杆座(B-3)安装在旋翼桨夹(1-3)的下端，下杆座(B-1)和上杆座(B-3)之间通过连杆(B-2)连接。

7.根据权利要求6所述的一种桨距可调的火星飞行器共轴旋翼悬停特性测量装置，其特征在于：测量模块(4)包括扭矩测量工装(4-3)、扭矩测量支架(4-4)、扭矩传感器(4-5)、测量安装板(4-6)、压力传感器(4-7)、底座(4-8)、多个光电传感器安装架(4-1)和多个光电传感器(4-2)，

多个光电传感器安装架(4-1)安装在侧盖板(2-4)上，且分别位于内传动电机(2-7)和外传动电机(2-10)的上方和下方，每个光电传感器安装架(4-1)上安装有一个光电传感器(4-2)；扭矩测量工装(4-3)安装在下盖板(2-3)的下端，扭矩测量支架(4-4)可转动套装在扭矩测量工装(4-3)上，扭矩测量支架(4-4)的下端与测量安装板(4-6)连接，扭矩传感器(4-5)安装在扭矩测量工装(4-3)的下端与扭矩测量支架(4-4)内腔之间形成的空隙内，压力传感器(4-7)安装在测量安装板(4-6)的下端，底座(4-8)与压力传感器(4-7)的下端连接。

8.根据权利要求7所述的一种桨距可调的火星飞行器共轴旋翼悬停特性测量装置，其特征在于：扭矩测量支架(4-4)通过多个轴承可转动套装在扭矩测量工装(4-3)上。

9.根据权利要求8所述的一种桨距可调的火星飞行器共轴旋翼悬停特性测量装置，其特征在于：压力传感器(4-7)为轮辐式压力传感器。

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