CN113998103A - 螺旋桨-旋翼复合构型的倾转旋翼机的工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种螺旋桨‑旋翼复合构型的倾转旋翼机的工作方法，包括直升机模式和固定翼模式，直升机模式下，螺旋桨‑旋翼复合构型的倾转旋翼机采用旋翼及螺旋桨的复合升力形式，螺旋桨提供部分辅助升力，旋翼提供主要升力。固定翼模式下，螺旋桨在前旋翼在后，旋翼停转并向后折叠，升力通过机翼实现。本发明实现了真正意义上的兼顾旋翼类的直升机低空低速、悬停机动的同等性能和固定翼类的飞机大速度前飞同等性能，克服了当前已有的倾转旋翼机悬停不如直升机、前飞不如飞机性能的缺陷。有效提高垂直起降性能，并通过旋翼停转并折叠，显著提升前飞速度，在两栖登陆，物资补给，人员运输等领域具有很广泛的应用前景。

Description

螺旋桨-旋翼复合构型的倾转旋翼机的工作方法

技术领域

本发明涉及飞行器技术领域，具体是一种螺旋桨-旋翼复合构型的倾转旋翼机的工作方法。

背景技术

倾转旋翼机是一种将固定翼飞机和直升机相结合的新型飞行器，既有常规直升机垂直起降、空中悬停等能力，又具有螺旋桨飞机的高速巡航飞行的能力。倾转旋翼机在机翼翼尖处，各装一套可在水平位置与垂直位置之间转动的旋翼倾转系统组件，当垂直起飞和着陆时，旋翼轴垂直于地面，呈直升机飞行状态，并可在空中悬停、前后飞行和侧飞。在倾转旋翼机起飞达到一定速度后，旋翼轴可向前倾转90°角，呈水平状态，旋翼当作拉力螺旋桨使用，此时倾转旋翼机能像固定翼飞机那样以较高的速度作远程飞行。

常规构型倾转旋翼机的旋翼为了兼具飞机螺旋桨功能，在垂直模式下桨盘载荷过大、气动效率低，而前飞时因旋翼直径过大，转速低且阻力大，悬停性能不高(桨盘载荷超过了700N/m²、最大诱导速度超过了30m/s)且飞行速度也无法进一步增加的缺点（很难超过450km/h），兼具直升机和飞机功能，但却不具备常规直升机和常规螺旋桨飞机性能。

从现有技术来看，倾转旋翼机的动力装置是要兼顾直升机模式及固定翼模式，这就要求倾转旋翼在倾转90°时是直升机旋翼，而倾转成0°时是飞机螺旋桨，同一套气动机构却需要满足两种模式性能，当前只能把倾转旋翼做成介于常规直升机旋翼和常规飞机螺旋桨之间的两不像气动部件，即倾转旋翼的气动参数取值均是介于常规直升机旋翼参数和常规飞机螺旋桨参数之间范围进行，所以最后设计出来的倾转旋翼气动性能使倾转旋翼机整体性能在悬停时不如常规直升机，在前飞时不如常规螺旋桨飞机。所以，这就对旋翼的设计提出的技术要求使其既能满足直升机旋翼设计的需求，保证其具有较高的悬停效率，又能满足固定翼螺旋桨设计的需求，保证其高速前飞时阻力较小，例如大负扭转角等设计保证其大速度前飞，因此，需要一种新的动力装置系统同时满足上述两种模式并能够保证更有效的保证功能的实现。

发明内容

本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种螺旋桨-旋翼复合构型的倾转旋翼机的工作方法，能够有效克服常规构型倾转旋翼机的旋翼在垂直模式下桨盘载荷过大，悬停效率偏低，前飞时因旋翼直径过大桨叶过柔，使效率低且阻力大，飞行速度无法进一步增加的缺点，有效提高垂直起降性能，并通过旋翼停转并折叠，显著提升前飞速度，并且通过螺旋桨-旋翼复合动力装置实现适应不同飞行状态的最佳动力匹配。

本发明提供了一种螺旋桨-旋翼复合构型的倾转旋翼机，包括机身，机身上安装有机翼、起落架和尾翼，所述的机翼两端安装有可倾转短舱，可倾转短舱内安装有旋翼及螺旋桨复合动力装置，所述的复合动力装置包括同向转动的可折叠旋翼、螺旋桨、变距机构、传动机构，其中，同侧螺旋桨与旋翼同向转动，左右复合动力装置互为反向，旋翼和螺旋桨同时转动时螺旋桨转速高于旋翼，旋翼长度大于螺旋桨。

进一步改进，所述的尾翼包括T型、H型、V型、倒T型，

进一步改进，所述的尾翼在垂尾后部安装有方向舵，平尾后侧安装有升降舵。

进一步改进，所述的传动机构包括联轴器，发动机输出轴通过联轴器连接有旋翼轴和螺旋桨轴，螺旋桨轴在内，旋翼轴在外，两者共轴心不同轴。

进一步改进，所述的传动机构具体包括螺旋桨轴、旋翼轴、行星架、行星减速器、行星减速器的外齿圈、旋翼刹车、齿轮轴、电磁离合器、联轴器和发动机输出轴，联轴器连接有电磁离合器，电磁离合器控制发动机输出轴与旋翼轴的断开与连接，电磁离合器通过齿轮轴与行星减速器连接，行星减速器的外齿圈固定，行星减速器依次通过行星架、旋翼轴与旋翼桨毂连接；齿轮轴上连接有旋翼刹车，旋翼刹车与旋翼连接，采用摩擦片抱紧方式刹车。

进一步改进，所述的旋翼刹车上设置有角度传感器。

本发明还提供了一种螺旋桨-旋翼复合构型的倾转旋翼机的工作方法，包括直升机模式和固定翼模式；

直升机模式下，螺旋桨-旋翼复合构型的倾转旋翼机采用旋翼及螺旋桨的复合升力形式，螺旋桨在上旋翼在下，螺旋桨和旋翼不同轴不同转速，螺旋桨转速高、旋翼转速低，螺旋桨提供部分辅助升力，旋翼提供主要升力；偏航操纵通过左右复合动力装置中的旋翼纵向周期反向差动操纵实现；俯仰操纵通过左右复合动力装置中的旋翼纵向周期同向操纵实现；滚转操纵通过左右复合动力装置中的旋翼横向周期同向操纵实现或采取两副旋翼升力差动实现；

固定翼模式下，螺旋桨在前旋翼在后，旋翼停转并向后折叠，升力通过机翼实现，推拉力通过倾转后的两侧螺旋桨实现偏航操纵通过方向舵实现；俯仰操纵通过升降舵实现；滚转操纵通过副翼实现，螺旋桨推进力大小通过采用变距螺旋桨或发动机、传动装置变转速机构实现。

进一步改进，直升机模式下，为减少旋翼下洗流被机翼阻挡，悬停时机翼的副翼向下偏转90°，过渡转前飞时随速度增加，副翼逐渐恢复成水平，即偏转角0°。

进一步改进，直升机模式下，复合动力系统中的传动装置通过控制器控制离合器，使离合器内圈与外圈结合，从而产生动力分流，动力经过齿轮轴传入行星减速器，行星减速器的外齿圈固定，行星架将动力经过旋翼轴传动给旋翼桨毂，实现垂直起飞；当短舱倾转后，通过控制器使离合器断开，使旋翼轴的动力与发动机的输入断开，并控制旋翼刹车，使旋翼刹车减速，并通过角度传感器使旋翼在固定相位停止。

本发明有益效果在于：

1、螺旋桨-旋翼复合动力装置能够非常有效的解决现有旋翼或螺旋桨无法同时兼顾直升机模式最优设计与固定翼模式最优设计的需求。

2、直升机模式及过渡飞行阶段下采用螺旋桨-旋翼复合升力方式能够为原有的升力装置设计提供附加的升力，增加了垂直性能并使得该机型能够更加顺利的完成倾转过渡飞行阶段。

3、前飞状态下，旋翼折叠固定，能够显著降低前飞阻力，增加前飞速度，并通过螺旋桨提供前飞拉力，避免传统倾转旋翼机中因旋翼为前进拉力导致桨叶受到激波影响，也避免了大尺寸旋翼代替螺旋桨提供推拉力时带来的振动。

4、传动装置中增加了旋翼的刹车固定及折叠装置，采用电磁离合器的形式，同时旋翼的传动采用行星减速器的形式，都是在结构上实现了重量的减轻。

5、动力传动系统采用了不同传动比设计，驱动的旋翼转速低于螺旋桨转速，让直升机模式下旋翼转速和飞机模式下螺旋桨转速均处于气动最优状态。本专利这样设计避免了像常规倾转旋翼机在悬停和前飞状态时需要变转速的设计，变转速会带来全机动力学问题、附加结构重量和对发动机匹配提出更苛刻要求等不利因素。

6、采用本专利技术和方法，倾转旋翼机悬停性能可与常规双旋翼直升机一样，水平前飞速度则与涡桨飞机一样，可以达到700km/h以上。

7、采用本专利技术和方法克服了常规倾转旋翼机必须采用的变转速设计，大大简化了对发动机及传动系统的设计要求，也避免了多一个工作转速带来的全机动力学问题，降低了整机的结构重量。

附图说明

图1是螺旋桨-旋翼复合构型的倾转旋翼机直升机模式轴侧视图；

图2是螺旋桨-旋翼复合构型的倾转旋翼机固定翼模式轴侧视图；

图3是传动装置的轴测图；

图4是传动装置的正视图；

图5是传动装置的剖视图。

图中，1-机身，2-机翼，3-短舱，4-复合动力装置，5-起落架，6-T型尾翼，7-副翼，8-方向舵，9-升降舵，10-发动机，11-旋翼，12-螺旋桨，13-传动装置，14-螺旋桨轴，15-旋翼轴，16-行星架，17-行星减速器，18-行星减速器的外齿圈，19-旋翼刹车，20-齿轮轴，21-电磁离合器，22-联轴器，23-发动机输出轴，24-旋翼桨毂，25-旋翼桨叶。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一种具体实施方式作进一步说明。

如图1-2所示，机翼2安装在机身1上侧，T型尾翼6安装在机身1后侧，短舱3安装在机翼2翼尖位置，数量为2，复合动力装置4安装在短舱3内部，采用前三点式轮式起落架5，安装在机身1下部，副翼7安装在在两侧机翼2后缘位置，方向舵8安装在尾翼6后侧，升降舵9安装在尾翼6上侧，复合动力装置4由发动机10提供动力，发动机10安装在短舱3内部，与传动装置13相连接，通过传动装置13带动旋翼11（包含旋翼桨毂24及旋翼桨叶25）及螺旋桨12的旋转从而产生升力。

如图3-5所示，发动机10的动力输出至发动机输出轴23，联轴器22连接发动机输出轴23与旋翼轴15及螺旋桨轴14，旋翼刹车19安装在旋翼轴15上，通过行星减速器17，连接旋翼桨毂24，从而驱动旋翼桨叶25，电磁离合器21连接在旋翼轴15上。螺旋桨轴14直接与发动机输出轴23相连接。

图1-2是螺旋桨-旋翼复合构型的倾转旋翼机直升机模式和固定翼模式轴侧视图，其主要特征是直升机模式下，由旋翼11与螺旋桨12共同产生升力，旋翼11与螺旋桨12安装在复合动力系统轴上，复合动力装置4安装在短舱3内，通过倾转短舱3实现复合动力系统4的倾转动作，偏航操纵通过左右复合动力装置4中的旋翼11纵向周期反向差动操纵实现；俯仰操纵通过左右复合动力4装置中的旋翼11纵向周期同向操纵实现；滚转操纵通过左右复合动力装置4中的旋翼11横向周期同向操纵实现。固定翼模式下，采用机翼2提供升力，偏航操纵通过方向舵8实现；俯仰操纵通过升降舵9实现；滚转操纵通过副翼7实现，并且前飞状态下，旋翼11通过折叠机构实现折叠并固定。

图5是传动装置的剖视图，其主要特征是发动机输出轴23通过联轴器22与螺旋桨轴14连接，带动螺旋桨轴14旋转，从而驱动螺旋桨轴14，在直升机模式下，通过控制器控制电磁离合器21，使电磁离合器21内圈与外圈结合，从而产生动力分流，动力经过齿轮轴20传入行星减速器17，行星减速器的外齿圈18固定，行星架16将动力经过旋翼轴15传动给旋翼桨毂24，实现垂直起飞。当短舱3倾转后，通过控制器使电磁离合器21断开，使旋翼轴15的动力与发动机输出轴23断开，并控制旋翼刹车19，使旋翼刹车19减速，并通过角度出传感器使旋翼11在固定相位停止，后通过折叠机构将旋翼桨叶25折叠，进一步降低前飞的阻力。

本发明工作时包括直升机模式和固定翼模式。

直升机模式下，螺旋桨-旋翼复合构型的倾转旋翼机采用旋翼及螺旋桨的复合升力形式，螺旋桨在上旋翼在下，螺旋桨和旋翼不同轴不同转速，螺旋桨转速高、旋翼转速低，螺旋桨提供部分辅助升力，旋翼提供主要升力；偏航操纵通过左右复合动力装置中的旋翼纵向周期反向差动操纵实现；俯仰操纵通过左右复合动力装置中的旋翼纵向周期同向操纵实现；滚转操纵通过左右复合动力装置中的旋翼横向周期同向操纵实现或采取两副旋翼升力差动实现。

直升机模式下，为减少旋翼下洗流被机翼阻挡，悬停时机翼的副翼向下偏转90°，过渡转前飞时随速度增加，副翼逐渐恢复成水平，即偏转角0°。

直升机模式下，复合动力系统中的传动装置通过控制器控制离合器，使离合器内圈与外圈结合，从而产生动力分流，动力经过齿轮轴传入行星减速器，行星减速器的外齿圈固定，行星架将动力经过旋翼轴传动给旋翼桨毂，实现垂直起飞；当短舱倾转后，通过控制器使离合器断开，使旋翼轴的动力与发动机的输入断开，并控制旋翼刹车，使旋翼刹车减速，并通过角度出传感器使旋翼在固定相位停止。

固定翼模式下，螺旋桨在前旋翼在后，旋翼停转并向后折叠，升力通过机翼实现，推拉力通过倾转后的两侧螺旋桨实现偏航操纵通过方向舵实现；俯仰操纵通过升降舵实现；滚转操纵通过副翼实现，螺旋桨推进力大小通过采用变距螺旋桨或发动机、传动装置变转速机构实现。

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，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种螺旋桨-旋翼复合构型的倾转旋翼机的工作方法，其特征在于：包括直升机模式和固定翼模式；

直升机模式下，螺旋桨-旋翼复合构型的倾转旋翼机采用旋翼及螺旋桨的复合升力形式，螺旋桨在上旋翼在下，螺旋桨和旋翼不同轴不同转速，螺旋桨转速高、旋翼转速低，螺旋桨提供部分辅助升力，旋翼提供主要升力；偏航操纵通过左右复合动力装置中的旋翼纵向周期反向差动操纵实现；俯仰操纵通过左右复合动力装置中的旋翼纵向周期同向操纵实现；滚转操纵通过左右复合动力装置中的旋翼横向周期同向操纵实现或采取两副旋翼升力差动实现；

固定翼模式下，螺旋桨在前旋翼在后，旋翼停转并向后折叠，升力通过机翼实现，推拉力通过倾转后的两侧螺旋桨实现，偏航操纵通过方向舵实现；俯仰操纵通过升降舵实现；滚转操纵通过副翼实现，螺旋桨推进力大小通过采用变距螺旋桨或发动机、传动装置变转速机构实现。

2.根据权利要求1所示的螺旋桨-旋翼复合构型的倾转旋翼机的工作方法，其特征在于：直升机模式下，为减少旋翼下洗流被机翼阻挡，悬停时机翼的副翼向下偏转90°，过渡转前飞时随速度增加，副翼逐渐恢复成水平，即偏转角0°。

3.根据权利要求2所示的螺旋桨-旋翼复合构型的倾转旋翼机的工作方法，其特征在于：直升机模式下，复合动力系统中的传动装置通过控制器控制离合器，使离合器内圈与外圈结合，从而产生动力分流，动力经过齿轮轴传入行星减速器，行星减速器的外齿圈固定，行星架将动力经过旋翼轴传动给旋翼桨毂，实现垂直起飞；当短舱倾转后，通过控制器使离合器断开，使旋翼轴的动力与发动机的输入断开，并控制旋翼刹车，使旋翼刹车减速，并通过角度传感器监测使旋翼在固定相位停止。

4.根据权利要求1所示的螺旋桨-旋翼复合构型的倾转旋翼机的工作方法，其特征在于：采用的螺旋桨-旋翼复合构型的倾转旋翼机包括机身，机身上安装有机翼、起落架和尾翼，其特征在于：所述的机翼两端安装有可倾转短舱，可倾转短舱内安装有旋翼及螺旋桨复合动力装置，所述的复合动力装置包括同向转动的可折叠旋翼、螺旋桨、变距机构、传动机构，其中，同侧螺旋桨与旋翼同向转动，左右侧复合动力装置转轴的转向互为反向，旋翼和螺旋桨同时转动时螺旋桨转速高于旋翼，旋翼长度大于螺旋桨。

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