CN114307101A

CN114307101A - 模拟飞行系统

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Publication number: CN114307101A
Application number: CN202111664693.0A
Authority: CN
Inventors: 池洪; 陈小桥; 胡明宇; 牛晓薇; 黄子浩; 赵原强; 吴昌宁; 王京帝; 常晋男; 黄勇智; 谭振东; 宋鑫鑫; 粟柯文; 陈鑫波; 占鹏; 张芷瑜; 周圣皓; 王承暄; 叶子箫; 沈佩铨
Original assignee: Wuhan University WHU
Current assignee: Wuhan University WHU
Priority date: 2021-12-31
Filing date: 2021-12-31
Publication date: 2022-04-12
Anticipated expiration: 2041-12-31
Also published as: CN114307101B

Abstract

公开了一种模拟飞行系统，包括：固定翼飞行器(1)，其机身纵轴方向活动设置有轴(4)，飞行器(1)能够绕轴(4)做双向横滚动作，轴(4)远离飞行器(1)的一端与轴套(3)垂直连接，轴套(3)套装在主梁(5)上，并能绕主梁(5)的纵轴线转动；主塔(9)，其上具有能够水平旋转的双耳塔架(8)，主梁(5)通过横轴(6)安装在双耳塔架(8)上，主梁(5)以横轴(6)为支点能够上下摆动；以及配重系统，所述配重系统安装在主梁(5)远离飞行器(1)的一端，以配平飞行器(1)侧所产生的力矩，其中所述配重系统的力矩由配重(7)或扭矩电机提供。利用反向配重的原理将任何一种飞行器或飞行器模型的重量减少的极低，使很小功率的内燃机或电动机就能带动飞行器在极小的翼载荷下做飞行。

Description

模拟飞行系统

技术领域

本发明涉及模拟飞行系统。

背景技术

航空模型运动是以放飞、操纵自制的航空模型进行竞赛和创纪录飞行的一项航空运动。航空模型是一种有尺寸和重量限制的雏形航空器，分为自由飞行(代号F1)、线操纵圆周飞行(代号F2)、无线电遥控飞行(代号F3)、像真模型(代号F4)4大类，共计26种。竞赛分为比赛项目和纪录项目。该运动要在户外进行。因此，创新性地设计一种能在室内完成各种飞行动作的飞行系统是十分有必要的。

发明内容

本发明提供一种模拟飞行系统，利用反向配重的原理将任何一种飞行器或飞行器模型的重量减少的极低，使很小功率的内燃机或电动机就能带动飞行器在极小的翼载荷下做飞行，而且飞行器在室内就能完成起飞、着陆、盘旋翻筋斗、过顶横滚飞行动作。

根据本发明实施例的第一方面，提供一种模拟飞行系统，包括：

固定翼飞行器，所述飞行器机身纵轴方向活动设置有轴，所述飞行器能够绕所述轴做双向横滚动作，所述轴远离所述飞行器的一端与轴套垂直连接，所述轴套套装在主梁上，并能绕所述主梁的纵轴线转动；

主塔，所述主塔上具有能够水平旋转的双耳塔架，所述主梁通过横轴安装在所述双耳塔架上，所述主梁以所述横轴为支点能够上下摆动；以及

配重系统，所述配重系统安装在所述主梁远离所述飞行器的一端，以配平所述飞行器侧所产生的力矩，其中所述配重系统的力矩由配重或扭矩电机提供。

根据本发明实施例的第二方面，提供一种模拟飞行系统，包括：

多架固定翼飞行器，每个所述飞行器机身纵轴方向活动设置有轴，所述飞行器能够绕所述轴做双向横滚动作，所述轴远离所述飞行器的一端与轴套垂直连接，所述轴套套装在主梁上，并能绕所述主梁的纵轴线转动；

主塔，所述主塔上有多个绕主塔中轴自由旋转的另一轴套，沿所述另一轴套的径向有双叉梁，所述主梁通过横轴安装在所述双叉梁上，所述主梁以所述横轴为支点能够上下摆动；以及

在上述第二方面，所述的模拟飞行系统还包括：监控器，用于监控每个所述飞行器的飞行高度；和控制系统，用于根据所述监控器监测的所述飞行器飞行高度，调节所述双叉梁的高度，实现所述飞行器与其所对应的所述双叉梁的同步升降。

根据本发明实施例的第三方面，提供一种模拟飞行系统，包括：

旋翼飞行器，其通过吊杆轴及十字万向机构装在主梁上，并能够绕所述吊杆轴轴心自旋转动；

主塔，其上具有能够水平旋转的双耳塔架，所述主梁通过横轴安装在所述双耳塔架上，所述主梁以所述横轴为支点能够上下摆动；以及

在上述第三方面，所述的模拟飞行系统还包括：监控器，用于监控所述飞行器的飞行高度；和控制系统，用于根据所述监控器监测的所述飞行器飞行高度，调节所述主塔的高度，实现所述飞行器、所述主塔的同步升降。

飞行器利用空气舵面来实现各种飞行动作的控制。飞行器和驾驶员的全部重量通过配重配平，飞行器的翼载荷(飞行器总重量/飞行器机翼面积＝翼载荷)可以很小，所以在极小载荷下飞行器利用较小动力下就可进行飞行，而且飞行速度可大大减慢。

我们知道固定翼飞行器的基本空气动力学公式是：L＝1/2(Ρ*S*C_l*V²)kg。L是机翼升力；Ρ是空气密度(kg/m³)，20℃时是1.21kg/m³；S是机翼面积(m²)；C_l是升力系数；V是飞行速度。在此式中，升力即可看作飞行器重量，飞行器重量大则升力L必须大。要使升力增大，由此公示可看出要么加大机翼面积，要么加大飞行速度。如果飞行器的重量很轻，那么升力L相对也可很小。因此可减小机翼面积或减小飞行速度。升力L与飞行速度的平方成正比的，因此减小飞行速度的效果将十分明显。

本发明模拟飞行系统的飞行器可以是无线电遥控的航模，由程序操控的无人机，有人驾驶的小型玩具飞机，不限定于此。本发明的飞行器可以做起飞、着陆、盘旋翻筋斗、过顶横滚等较高难度的特技飞行动作。本发明模拟飞行系统可为作为一种高智能比赛器材，由竞赛者编程控制飞机的飞行动作。如果飞行器的螺旋桨是由人力驱动旋转的，那么本发明模拟飞行系统也可以作为健身运动的比赛器材。本发明模拟飞行系统还可以用来训练初级飞行员，特别是对直升机驾驶员的起降悬停训练，可以有真实的体验。本发明实现了在室内进行航空模型运动。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。

图1为本发明第一实施例提供的模拟飞行系统示意图。

图2为本发明第二实施例提供的模拟飞行系统示意图。

图3为本发明的模拟飞行系统的配重配平原理示意图。

图4为本发明第三实施例提供的模拟飞行系统示意图。

图5为本发明第四实施例提供的模拟飞行系统示意图。

图6为本发明第五实施例提供的模拟飞行系统示意图。

具体实施方式

图1为本发明第一实施例提供的模拟飞行系统示意图。如图1，所述模拟飞行系统包括飞行器1、轴套3、轴4、主梁5、横轴6、配重7和主塔9。主塔9上具有能够水平旋转的双耳塔架8。

飞行器1可以是固定翼的，但不限定于此。飞行器1机头内部装有转速可调的电动机，该电动机驱动螺旋桨2旋转进而拖动飞行器1飞行。轴4沿飞行器1机身纵轴方向活动设置在机身尾部。飞行器1能够绕轴4做双向横滚动作。轴4远离飞行器1的一端与轴套3垂直连接。轴套3套装在主梁5一端，并能绕主梁5的纵轴线转动。轴套3绕主梁5转动可以实现飞行器1的抬机头上升和压机头下降，也可实现飞行器1做出翻筋斗的特技飞行动作。

主梁5远离其上轴套3的另一端通过横轴6安装在双耳塔架8上。横轴6两端与双耳塔架8两个连接耳活动连接。主梁5能够绕横轴6上下转动。配重7设置在主梁5的另一端。配重7的作用是对飞行器1及主梁5的一侧重量进行配平。配平的方法除了利用配重7本身重量外，配重7可在主梁5上可按图1中箭头所示的方向前后移动，实现配平调节，当达到重量配平的要求后再锁定配重7位置。之所以采用双耳塔架8形式，是为了当主梁5绕横轴6做超过180度的旋转时，配重7可以顺利翻转到双耳塔架8另一侧。

由于有配重配平，飞行器1可以做的很轻，从而大大减少翼载荷，这样飞行器1就可以在较小功率的电动机带动下以很小的速度起飞。飞行器1利用空气舵面来实现各种飞行动作的控制。通过操纵机翼及水平尾翼上的升降舵、付翼、襟翼，使飞行器1完成起飞、上升、盘旋、横滚、翻筋斗、下降、着陆等各种动作。

飞行器1唯一不能做的飞行动作是飞行方向控制。因为飞行器1只能在主梁5的牵制下绕主塔9的竖直中轴线飞行。

飞行器1可以是无线电遥控飞机、由程序操控的无人机、有人驾驶的飞机，不限定于此。

图2示出了一种有人驾驶的飞机。采用有人驾驶的飞机作为所述模拟飞行系统的飞行器1时，由于有配重系统，飞行器的重量和人体的重量甚至可以配平到仅有一公斤，所以驾驶者不必是训练有素身强力壮的运动员。如图2，驾驶者只需通过蹬踏类似自行车上的脚蹬机构来带动飞机尾部的螺旋桨旋转，推动飞行器飞行。图1和图2所代表的模拟飞行系统基本一样，只是飞行器1有区别，因此图2中省略了部分结构。

图1、图2示出的两种模拟飞行系统，都是以重物块作为配重。如图3，重力配平实质是在一杠杆支点A的两侧实现力矩平衡，在此力矩平衡下，长杠杆的倾角发生任何变化，其两端均处于Pa＝Gb状态。

此外，还可以采用扭矩电机实现配平。如图4，扭矩电机10的转子轴上装有小齿轮11，小齿轮11与横轴6上的大齿轮12啮合。需要说明的是，连接扭矩电机10和横轴6的部件不限定于齿轮11、12。图1和图4两个实施例的区别仅仅在于配重，因此图4配重系统之外的部分此处不再赘述。

继续参考图4，飞行器1以及主梁5在飞行器1和作为支点的横轴6之间的部分的重量P与飞行器1到主塔9中轴线的距离b的乘积Pb，即是飞行器1一侧全部重量所产生的力矩，此力矩的配平则由扭矩电机10来实现。由于b是个变量，力矩Pb的大小也在变化，其变化的大小由装在双耳塔架8上的扭矩传感器16检测。控制系统根据扭矩传感器16检测到的力矩大小，调控输送给扭矩电机10的电力，使扭矩电机10所产生的扭矩能够平衡力矩Pb。

本发明还可实现多机共同飞行。如图5所示，多架飞行器1共同绕一座主塔9的中轴线飞行。与前述实施例一样，飞行器1与主梁5的连接方式与前述实施例一样，此处不再赘述。不同之处在于，主塔9上有多个绕主塔中轴自由旋转的轴套13，沿轴套13的径向有双叉梁8。主梁5远离飞行器1的一端通过横轴6安装在一个轴套13的双叉梁8上，横轴6两端与双叉梁8活动连接，主梁5能够绕横轴6上下转动。配重7设置在主梁5远离飞行器1靠近主塔9的一端。主梁5上下摆动时，配重7可以在双叉梁8的中间空隙中穿越，因此多架飞行器1可以互不干涉的自主飞行。需要说明的是，也可用扭矩电机实现配平。

多架飞行器1飞行时若要相互超越，应当增加监控飞行器1飞行高度的监控器15，但这不是必须的。监控器15设置在双叉梁8上，在飞行器1的拖动下监控器15随双叉梁8绕主塔9中轴线转动。监控器15将飞行器1飞行过程中不断变化的高度数据传输给控制系统，控制系统根据飞行器1的高度调节双叉梁8/轴套13的高度。飞行器1升高，则双叉梁8/轴套13也在电机14驱动下升高，反之亦然。

图6示出了另一种模拟飞行系统，采用旋翼机，可以作为旋翼驾驶员的悬停回转等训练上。如图6，旋翼飞行器17通过吊杆轴18及十字万向机构19装在主梁5的一端。旋翼飞行器17可以绕吊杆轴18轴心自旋转动。主梁5另一端通过作为支点轴的横轴6安装于双叉梁8上。双叉梁8则安装在主塔9上，双叉梁8能够以主塔9中轴线为轴心回转。通过配重7或扭矩电机对旋翼机17的重量进行配平后，旋翼机17即可以以很小的动力实现空中悬停。旋翼机17能够进行绕主塔9正反向盘旋，绕吊杆轴18自旋等科目的演示，或有人驾驶的训练。另外，在双叉梁8上装有监控旋翼飞行器17飞行高度的监控器15，但这不是必须的。监控器15将飞行器17飞行过程中不断变化的高度数据传输给控制系统，控制系统根据飞行器17的高度调节主塔9柱轴20的高度，实现主塔9、飞行器17的同步升降。

Claims

1.一种模拟飞行系统，其特征在于，包括：

固定翼飞行器(1)，飞行器(1)机身纵轴方向活动设置有轴(4)，飞行器(1)能够绕轴(4)做双向横滚动作，轴(4)远离飞行器(1)的一端与轴套(3)垂直连接，轴套(3)套装在主梁(5)上，并能绕主梁(5)的纵轴线转动；

主塔(9)，主塔(9)上具有能够水平旋转的双耳塔架(8)，主梁(5)通过横轴(6)安装在双耳塔架(8)上，主梁(5)以横轴(6)为支点能够上下摆动；以及

配重系统，所述配重系统安装在主梁(5)远离飞行器(1)的一端，以配平飞行器(1)侧所产生的力矩，其中所述配重系统的力矩由配重(7)或扭矩电机提供。

2.根据权利要求1所述的模拟飞行系统，其特征在于，所述固定翼飞行器(1)为航模，或者为有人驾驶飞机。

3.一种模拟飞行系统，其特征在于，包括：

多架固定翼飞行器(1)，每个飞行器(1)机身纵轴方向活动设置有轴(4)，飞行器(1)能够绕轴(4)做双向横滚动作，轴(4)远离飞行器(1)的一端与轴套(3)垂直连接，轴套(3)套装在主梁(5)上，并能绕主梁(5)的纵轴线转动；

主塔(9)，主塔(9)上有多个绕主塔中轴自由旋转的另一轴套(13)，沿另一轴套(13)的径向有双叉梁(8)，主梁(5)通过横轴(6)安装在双叉梁(8)上，主梁(5)以横轴(6)为支点能够上下摆动；以及

4.根据权利要求3所述的模拟飞行系统，其特征在于，还包括：

监控器(15)，用于监控每个飞行器(1)的飞行高度；和

控制系统，用于根据监控器(15)监测的飞行器(1)飞行高度，调节双叉梁(8)的高度，实现飞行器(1)与其所对应的双叉梁(8)的同步升降。

5.根据权利要求3所述的模拟飞行系统，其特征在于，所述固定翼飞行器(1)为航模，或者有人驾驶飞机。

6.一种模拟飞行系统，其特征在于，包括：

旋翼飞行器(17)，其通过吊杆轴(18)及十字万向机构(19)装在主梁(5)上，并能够绕吊杆轴(18)轴心自旋转动；

配重系统，所述配重系统安装在主梁(5)远离飞行器(17)的一端，以配平飞行器(17)侧所产生的力矩，其中所述配重系统的力矩由配重(7)或扭矩电机提供。

7.根据权利要求6所述的模拟飞行系统，其特征在于，还包括：

监控器(15)，用于监控飞行器(17)的飞行高度；和

控制系统，用于根据监控器(15)监测的飞行器(17)飞行高度，调节主塔(9)的高度，实现飞行器(17)、主塔(9)的同步升降。