CN110949663B - 桨尖射流的自转旋翼机及其实现垂直跳跃起飞的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种桨尖射流的自转旋翼机及其实现垂直跳跃起飞的方法，该自转旋翼机由机架、动力系统、旋翼系统、操纵系统、起落架系统、桨尖射流装置、机身尾翼以及航电系统构成，在结构上，与常规自转旋翼机相比，去掉了旋翼预转机构，而改加装桨尖射流装置。本发明继承了常规自转旋翼机的优点，又因为替换了常规自转旋翼机的预转方案，桨尖射流装置的重量主要集中在桨尖，增加了旋翼的储能能力，而且避免了旋翼预转对发动机的依赖，从而实现垂直跳跃起飞的同时还进一步减小发动机要求和结构重量以及更轻松实现垂直跳跃起飞和降低跳飞操纵难度。因此该自转旋翼机在搜救、测绘、农林作业以及旅游观光等领域有广阔的应用前景。

Description

桨尖射流的自转旋翼机及其实现垂直跳跃起飞的方法

技术领域

本发明涉及航空技术领域，具体是一种桨尖射流的自转旋翼机及其实现垂直跳跃起飞的方法。

背景技术

旋翼机又称为自转旋翼飞行器,于20世纪20年代先于直升机产生,因不能悬停和机动性不如直升机,曾一度只应用在体育运动和娱乐领域。近十几年来,随着飞行性能的提高,该类飞行器再次成为航空领域关注的热点。

自转旋翼飞行器简称旋翼机是一种以自转旋翼作为升力面、螺旋桨推力为前进动力的旋翼类航空飞行器。旋翼机的旋翼提供升力和俯仰、滚转等姿态操纵力矩,因而与靠发动机动力驱转旋翼的直升机不同,一旦发动机空中停车,旋翼机的旋翼依靠前方来流吹动而始终处于自转状态,因此其仍能够依靠旋翼自转安全着陆。旋翼机兼有直升机和飞机的特点,具有良好的低空、低速性能和安全性,比直升机制造、使用和维护成本低且操纵简单。旋翼机通过旋翼预转功能,可以实现跳跃式起飞(简称跳飞)或超短距起飞,这是旋翼机不同于直升机和定翼飞机所特有的起飞方式。对于常规自转旋翼机来说，旋翼轴通过离合器与发动机等动力源连接在一起,起飞前首先进行预转,当主旋翼预旋转速达到相当于相同尺寸直升机的旋翼转速时,突然断开离合器并同时改变主旋翼的总距以得到较大的升力,旋翼飞行器就可以实现跳跃式起飞。

具有跳飞功能的旋翼机改善了滑跑起飞式旋翼飞行器起飞距离长的缺陷,可以省略机场、跑道等建造的工作,其使用将不受地点的限制。然而要实现传统跳飞有几个必备条件：1.旋翼预转速要大，即发动机功率要大，发动机要有足够功率带动旋翼预转达到离地转速；2.旋翼要有足够的储能能力，即旋翼转动惯量要大，旋翼转动惯量越大所储存的旋转动能越大，离地时转换成的高度势能也越大；3.离地提总距前就需要切断动力来源，即提总距就意味着机体开始离开地面，如不切断预转的动力来源，旋翼上产生的反扭矩会使机体转向而造成不自主偏航。因此传统跳飞对发动机、旋翼的设计要求以及飞行员的操纵要求都比较高。而在工程实践中，发动机以及旋翼都会受到设计限制，发动机功率越大，其结构重量以及成本造价也将越大；旋翼转动惯量也是有限的,所储存能量一般仅仅适合轻型自转旋翼机跳飞，对于桨盘载荷较大的中、重型旋翼机无法适用此种形式的跳飞。

发明内容

本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种桨尖射流的自转旋翼机及其实现垂直跳跃起飞的方法,将常规自转旋翼机作为载体，去掉了旋翼预转机构，而改加装桨尖射流装置，继承了常规自转旋翼机操作简单、动力系统简单要求不高、制造成本低廉、安全性高、滑跑距离短等优点，还进一步减小发动机要求和结构重量以及更轻松实现垂直跳跃起飞和降低跳飞操纵难度。因此该自转旋翼机在搜救、测绘、农林作业以及旅游观光等领域有广阔的应用前景。

本发明提供了一种桨尖射流的自转旋翼机，包括机架以及安装在机架上的动力系统、旋翼系统、操纵系统、起落架系统、桨尖射流装置、机身和尾翼。

所述旋翼系统包括：旋翼片、旋翼毂；其中，旋翼毂安装于机架顶部；旋翼片与旋翼毂连接。

所述桨尖射流装置包括：射流喷嘴、储液罐、抽液泵、旋翼供液管、旋翼毂供液管、机体供液管；其中，射流喷嘴安装于储液罐尾端，从而产生反推力以使旋翼片旋转。储液罐位于旋翼片翼尖外侧，与旋翼片连接；抽液泵位于旋翼片翼尖内部，安装于旋翼片里面并与储液罐连接；旋翼供液管内埋于旋翼片里面，沿旋翼片展向延伸，一端连接在抽液泵上；旋翼毂供液管内埋于旋翼毂中心，沿旋翼毂从上到下延伸，一端与旋翼供液管连接；机体供液管固定于机架上，自上而下延伸，一端与旋翼毂供液管连接，另一端伸入外部储液容器，桨尖射流装置从外部抽取射流液，无需机体自带大量射流液。

外接喷射水，可就地取材，方便野外执行任务；外接水源，可以取之不尽，不需携带；内存水源使用时可减轻起飞重量，提升或保持好的飞行性能。

进一步地，所述的储液罐采用旋成体外形，用以减小其产生的阻力。

进一步地，所述的储液罐、抽液泵均位于旋翼片的翼尖，既可以增加旋翼存储的动能，又可以保持旋翼高速旋转，增加自转旋翼机垂直起降能力。

本发明还提供了一种桨尖射流的自转旋翼机实现垂直跳跃起飞的方法，具体如下：

1)在该自转旋翼机起飞过程中，利用抽液泵通过旋翼供液管、旋翼毂供液管、机体供液管从机体外部抽取射流液，将其储存于储液罐中，并通过射流喷嘴喷出高速高压射流，产生反推力，促使旋翼片旋转。由于储液罐及其中的射流液、抽液泵均位于旋翼片的翼尖，旋翼片的转动惯量较大，能够储存更多的旋转动能。

2)当旋翼达到一定转速后，提总距，旋翼片的旋转动能转化成高度势能，即旋翼片产生足够的升力将机体带离地面，同时机体供液管末端离开外部储液容器，抽液泵不再工作(抽取射流液)。但射流喷嘴持续工作(射流)，由于此时储液罐中已存储大量射流液，仅凭借这些射流液产生的反推力足够维持旋翼的转速，并将机体带到足够高度。高度大约15m，离开地面至该高度约需5S时间，储液罐(12)设计成能维持5S喷射流容量。

3)当机体达到足够高度，发动机开始工作并带动推力螺旋桨旋转产生前推力，同时射流喷嘴开始逐渐停止工作，接下来即由前推力带动旋翼转动产生升力，至此，起飞已经完成。因为已储存的射流液均被喷射出去，桨叶自身重量和转动惯量基本恢复到普通旋翼机桨叶值，则飞行过程中操纵与常规旋翼机一致。

射流液通常是水，也可以是特供的液体，不污染环境，而且容易获得，成本低。

如果自身携带射流液，则降落时主动连通供给机体供液管(10)，则可以实现垂直降落。

由于在起飞过程中离地达到一定高度前，发动机并未参与工作，因此此时并没有前向推力产生，也即自转旋翼机没有前向速度，这一过程中只有垂向速度，于是垂直跳跃起飞(基本上是垂直起飞)实现。而且在这一过程中，旋翼预转无需由发动机提供动力来源，因此也减小发动机要求以及结构重量。同时仅靠射流而不依赖发动机带动预转不会产生反扭矩，无需考虑提总距前要切断旋翼动力来源的问题，这也进一步降低了操纵难度。

本发明有益效果在于：

1、本发明将常规自转旋翼机作为载体，去掉了旋翼预转机构，而改加装桨尖射流装置，继承了常规自转旋翼机操作简单、动力系统简单要求不高、制造成本低廉、安全性高、滑跑距离短等优点，由于发动机无需为旋翼提供预转动力，还进一步减小发动机要求和结构重量以及更轻松实现垂直跳跃起飞和降低跳飞操纵难度。因此该自转旋翼机在搜救、测绘、农林作业以及旅游观光等领域有广阔的应用前景。

2、桨尖射流装置从外部抽取射流液，无需机体自带大量射流液。

3、射流喷嘴位于储液罐的尾端，从而产生反推力以使旋翼片旋转。

4、旋翼供液管、旋翼毂供液管、机体供液管均内埋于机体内部，防止对机体外部流场产生干扰，从而减小阻力。

附图说明

图1是本发明桨尖射流自转旋翼机的结构示意图；

图2是桨尖射流装置的整体示意图；

图3是桨尖射流装置的俯视图；

图4是桨尖射流装置的前剖视图；

图5是桨尖射流装置的上剖视图；

图6是桨尖射流装置的侧剖视图；

图7是供液管的剖视图；

图8是不同旋翼预转速时跳飞轨迹及性能曲线；

图9是不同旋翼桨叶转动惯量时跳飞轨迹及性能曲线；

图10是不同螺旋桨输入功率时跳飞轨迹及性能曲线；

图11是不同起飞总重时跳飞轨迹及性能曲线；

图12是不同旋翼轴后倒角时跳飞轨迹及性能曲线；

图13是不同旋翼总距时跳飞轨迹及性能曲线。

图中，1-旋翼系统，2-机架，3-起落架系统，4-尾翼，5-旋翼片，6-旋翼毂，7-动力系统，8-操纵系统，9-桨尖射流装置，10-机体供液管，11-射流喷嘴，12-储液罐，13-抽液泵，14-旋翼供液管，15-旋翼毂供液管，16-机身。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本发明的一种桨尖射流的自转旋翼机，其由机架2、动力系统7、旋翼系统1、操纵系统8、起落架系统3、桨尖射流装置9、机身16、尾翼4等构成。

其中，所述旋翼系统1包括：旋翼片5、旋翼毂6；其中，旋翼毂6安装于机架2 顶部；旋翼片5与旋翼毂6连接。

所述桨尖射流装置9如图2至图7所示，包括：射流喷嘴11、储液罐12、抽液泵 13、旋翼供液管14、旋翼毂供液管、机体供液管10；其中，射流喷嘴11安装于储液罐 12尾端；储液罐12位于旋翼片5翼尖外侧，与旋翼片5连接；抽液泵13位于旋翼片5 翼尖内部，安装于旋翼片5里面并与储液罐12连接；旋翼供液管14内埋于旋翼片5里面，沿旋翼片5展向延伸，一端连接在抽液泵13上；旋翼毂供液管15内埋于旋翼毂6 中心，沿旋翼毂6从上到下延伸，一端与旋翼供液管14连接；机体供液管10固定于机架2上，自上而下延伸，一端与旋翼毂供液管15连接，另一端伸入外部储液容器。

所述的自转旋翼机不包含常规自转旋翼机所带的预转机构，发动机无需为旋翼提供预转动力，从而降低发动机要求，并且机体总重有所下降，还降低操纵难度。

所述的自转旋翼机加装了桨尖射流装置9。

所述的桨尖射流装置9从外部抽取射流液，无需机体自带大量射流液。

所述的射流喷嘴11位于储液罐12的尾端，从而产生反推力以使旋翼片5旋转。

所述的储液罐12采用旋成体外形，用以减小其产生的阻力。

所述的储液罐12、抽液泵13均位于旋翼片5的翼尖，用以增大旋翼片5的转动惯量。

所述的旋翼供液管14、旋翼毂供液管15、机体供液管10均内埋于机体内部，防止对机体外部流场产生干扰，从而减小阻力。

本发明的一种桨尖射流的自转旋翼机实现垂直跳跃起飞的方法为：

在该自转旋翼机起飞过程中，利用抽液泵13通过旋翼供液管14、旋翼毂供液管15、机体供液管10从机体外部抽取射流液，将其储存于储液罐12中，并通过射流喷嘴11 喷出高速高压射流，产生反推力，促使旋翼片5旋转。由于储液罐12及其中的射流液、抽液泵13均位于旋翼片5的翼尖，旋翼片5的转动惯量较大，能够储存更多的旋转动能。当旋翼达到一定转速后，提总距，旋翼片5的旋转动能转化成高度势能，即旋翼片 5产生足够的升力将机体带离地面，同时机体供液管10末端离开外部储液容器，抽液泵 13不再工作(抽取射流液)。但射流喷嘴11持续工作(射流)，由于此时储液罐12中已存储大量射流液，仅凭借这些射流液产生的反推力足够维持旋翼的转速，并将机体带到足够高度。当机体达到足够高度，发动机开始工作并带动推力螺旋桨旋转产生前推力，同时射流喷嘴11开始逐渐停止工作，接下来即由前推力带动旋翼转动产生升力，至此，起飞已经完成。由于在起飞过程中离地达到一定高度前，发动机并未参与工作，因此此时并没有前向推力产生，也即自转旋翼机没有前向速度，这一过程中只有垂向速度，于是垂直跳跃起飞(基本上是垂直起飞)实现。而且在这一过程中，旋翼预转无需由发动机提供动力来源，因此也减小发动机要求以及结构重量。同时仅靠射流而不依赖发动机带动预转不会产生反扭矩，无需考虑提总距前要切断旋翼动力来源的问题，这也进一步降低了操纵难度。

通过数学模型对本发明的垂直跳跃起飞过程进行分析，以自转旋翼气动模型为基础建立该过程的数学模型，先计算某时刻T_i旋翼来流：

其中桨盘绕机体x轴(纵轴)转角θ_x＝(β_ψ＝270°-β_ψ＝90°)/2，绕机体z轴(横轴) 转角θ_z＝δ_s+(β_ψ＝0°-β_ψ＝180°)/2，δ_s为桨轴后倒角，β为挥舞角；μ₁、μ₂和μ₃分别为在桨轴坐标系中旋翼桨盘的纵、垂和横向速度比；V_FX、V_FY和V_FZ分别为旋翼机纵、垂、横向速度。采叶素气动模型，从叶素阻力切向分量dC随转速变化入手，如式(2)(U_B是U_T和U_P的合速度)，由数值积分计算出旋翼扭矩，以及旋翼转速变化量。根据各方向速度在△t时间内的变化，重复前述过程计算下一时刻(T_i+△t)各数值，便可以得到旋翼机爬升轨迹和其它跳飞性能曲线。

由于跳飞离地不高、水平速度不大时，旋翼机旋翼工作方式与直升机类似，应该加以考虑地面效应。旋翼机跳飞是个瞬态过程，此过程中桨叶旋转动能和螺旋桨有用功转换为高度势能和前飞动能。最小飞行速度可以通过旋翼机供需能量平衡、操稳配平和稳定自转条件(Q＝0，F_y＝G_w)计算得出，只要达到最小飞行速度，旋翼机就可以通过操纵周期变距杆和油门实现定常飞行，即可认为跳飞过程结束。

通过计算可获得图8至图13的性能曲线，通过对参数进行分析，可以实现跳飞及效果上看：

(1)对给定的一架旋翼机，其它参数不变，若仅起飞重量越小或螺旋桨推力越大、或旋翼储存的动能越大、或旋翼桨盘迎角适当变化、或旋翼总距越大，则跳飞性能越好，且都能实现跳飞。

(2)从效果上看，减小起飞重量、增加旋翼储存的动能(包括增加桨尖配重提高转动惯量和增加旋翼预转速两种方式)、加大旋翼总距，跳飞效果最好。但是起飞重量是设计值，一款机定型后就不是变量了，不能改变。加大旋翼总距，会增加跳飞过程中的过载，对结构和人员有危害，另旋翼转速下降很快，必须配合旋翼储存的动能。故，增加旋翼储存的动能，效果最佳，也是最经济可行的方式。

(3)旋翼储存的动能越大，跳飞越容易实现，且爬升和维持的高度越高；增加桨叶转动惯量(桨尖加配重)或提高预转速都是增加旋翼储存动能的方法。但是提高预转速就意味着提高预转驱动功率，就是增加传动系统结构重量，起飞后就是背着更多不再使用的重量在飞，有效载荷减少了，且对旋翼系统强度要求增加，不经济，成本也加高。故以桨尖加配重方式来增加桨叶转动惯量性价比最高。

地面预转时，桨叶处于零升力迎角，阻力矩最小，增加了转动惯量但不会增加驱转需用功率，只是让预转时间增加了一些秒数，因为依靠外接水源进行吸入再喷出，地面预转能量保证足够。地面预转转速达到正常平飞时的1.5倍，稳定转速，然后可以进行跳飞操作。离开地面后，也离开了水源，不再有外接流质，此时依靠桨尖储液罐内的水足够喷射5s，能保持旋翼在正常飞行的转速范围内，爬升速度能保证3m/s以上，5s后上升大于15m就够完成起飞过程。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种桨尖射流的自转旋翼机，包括机架（2）以及与机架（2）连接的动力系统（7）、旋翼系统（1）、操纵系统（8）、起落架系统（3）、机身（16）和尾翼（4），所述旋翼系统（1）包括旋翼片（5）和旋翼毂（6），其中，旋翼毂（6）安装于机架（2）顶部，旋翼片（5）与旋翼毂（6）连接，其特征在于：所述的旋翼系统（1）上设置有桨尖射流装置（9），桨尖射流装置（9）包括射流喷嘴（11）、储液罐（12）、抽液泵（13）、旋翼供液管（14）、旋翼毂供液管（15）和机体供液管（10）；其中，射流喷嘴（11）安装于储液罐（12）尾端；储液罐（12）与旋翼片（5）连接；抽液泵（13）安装于旋翼片（5）内部并与储液罐（12）连接；旋翼供液管（14）内埋于旋翼片（5）中，沿旋翼片（5）展向延伸，一端连接在抽液泵（13）上；旋翼毂供液管（15）内埋于旋翼毂（6）中心，沿旋翼毂（6）从上到下延伸，一端与旋翼供液管（14）连接；机体供液管（10）固定于机架（2）上，自上而下延伸，一端与旋翼毂供液管（15）连接，另一端伸入外部储液容器；所述的储液罐（12）采用旋成体外形；所述的储液罐（12）、抽液泵（13）均通过可拆卸结构安装于旋翼片（5）的翼尖。

2.一种桨尖射流的自转旋翼机实现垂直跳跃起飞的方法，采用权利要求1所述桨尖射流的自转旋翼机，其特征在于包括以下过程：

1）在该自转旋翼机起飞过程中，利用抽液泵（13）通过旋翼供液管（14）、旋翼毂供液管（15）、机体供液管（10）从机体外部抽取射流液，将其储存于储液罐（12）中，并通过射流喷嘴（11）喷出高速高压射流，产生反推力，促使旋翼片（5）旋转；

2）当旋翼达到一定转速后，提总距，旋翼片（5）的旋转动能转化成高度势能，同时机体供液管（10）末端离开外部储液容器，抽液泵（13）不再抽取射流液，但射流喷嘴（11）持续射流，凭借储液罐（12）中已存储大量射流液产生的反推力维持旋翼的转速，并将机体带到足够高度；

3）当机体达到足够高度，发动机开始工作并带动推力螺旋桨旋转产生前推力，同时射流喷嘴（11）开始逐渐停止工作，接下来即由前进风速吹动旋翼维持转动而继续产生升力，至此，起飞完成。