CN1377811A - 旋翼直升机 - Google Patents

Abstract

一种升力高、能高速巡航的旋翼直升机。其旋翼系统由旋翼(1)和固定翼盘(2)两部分构成;旋翼桨叶(6)横截面成“C”形、凹陷一面形成空气导流槽(8),旋翼桨叶外端下部是圆环状离心叶扇(7);固定翼盘由空气隔离环(10)和翼盘底(4)组成。其操纵由装在空气隔离环上的升力调节片(11)来实现。旋翼快速旋转时,垂直作用在翼盘底(4)上表面的空气压力绝大部分丧失,使其上下表面产生压力差——高升力。此发明使旋翼直升机升力和速度提高、载重增加。

Description

旋翼直升机

本发明涉及一种垂直起降悬停的直升机，尤其是单位面积“旋翼桨盘”产生的理论最大升力近13600千克力/平方米、能高速巡航的旋翼直升机。

目前，公知的直升机其升力由旋翼提供。旋翼桨叶的上表面弯曲、下表面平直，当气流高速流经旋翼浆叶时，流经旋翼浆叶上表面的气流相对于下表面速度快、压力小，这样上下表面的压力差作用在旋翼浆叶上，就产生了直升机飞行所需的升力。直升机旋翼旋转时形成所谓的“旋翼桨盘”，直升机通过操纵“旋翼桨盘”朝预定方向倾斜、准确地在某一点控制每片桨叶升高和降低并改变攻角，来实现直升机垂直起降悬停、转弯、向前飞、向后飞、上升或下降(《航空知识》2000年第3期彩色插图6说明)。现有直升机的单位面积“旋翼桨盘”  (由于本发明所指的旋翼直升机，其旋翼系统升力的高低是针对单位面积“旋翼桨盘”的升力高低而说的，故与现有直升机旋翼升力高低的比较也依据此标准)产生的最大升力一般不超过100千克力/平方米(根据《航空知识》所登载的各种直升机的旋翼直径、“旋翼桨盘”面积和最大起飞重量推算而得)。这就使目前的直升机旋翼直径都很长，不但停放时占地面积大、增加了飞行阻力、限制了飞行速度的提高(其飞行速度一般难以超过360公里/小时，无法实现固定翼飞机的高速巡航))，而且使直升机朝巨型化发展受到极大限制。复合式直升机和组合式直升机等新概念直升机综合了固定翼飞机和直升机的优点，在垂直起降悬停的基础上，巡航速度有了很大提高，但其单位面积“旋翼桨盘”产生的最大升力一般也超不过100千克力/平方米，特别是组合式直升机的操纵比较复杂并且巡航飞行时需要固定机翼提供升力(《航空知识》2001年第3期《新概念直升机可能走红》)。

本发明的目的是提供一种旋翼直升机，它不仅能实现垂直起降和悬停；而且其单位面积“旋翼桨盘”产生的理论最大升力近13600千克力/平方米并能高速巡航。这样就无需大直径的旋翼来提供升力，因而旋翼直升机的“旋翼桨盘”面积大大减小，使制造载重万吨甚至十万吨以上的超大型旋翼直升机和占地面积、乘员数与普通轿车相当的超轻型旋翼直升机成为现实。

本发明的目的是这样实现的：由机身、驱动器、旋翼系统和飞行操纵系统组成的旋翼直升机，由一个或多个旋翼系统提供升力，飞行操纵依靠升力调节片来实现。1、其旋翼系统的技术特征和工作原理：旋翼系统由旋翼(相当于转子)和固定翼盘(相当于定子)两部分构成。旋翼(转子)由多个(多少视旋翼桨盘面积需要而定)旋翼桨叶在旋翼桨毂四周呈放射状排列组成；旋翼浆叶横截面成“C”形，凹陷一面形成空气导流槽；旋翼桨叶外端下部装一个扇叶呈圆环状排列与之同步旋转的离心叶扇。固定翼盘(定子)由空气隔离环和翼盘底组成，空气隔离环在翼盘底上围成一个凹腔，空气隔离环装有可以上下自由伸缩的升力调节片。固定翼盘固定于机身上(或直接与机身融为一体)。旋翼离心叶扇的扇叶下缘没入由空气隔离环在翼盘底上围成的凹腔内，并且旋翼能够自由旋转。旋翼旋转时形成所谓的“旋翼桨盘”，“旋翼桨盘”与固定翼盘之间形成一个相对独立的“气体腔室”，并且该“气体腔室”中空气只能单向流动(即空气从“旋翼桨盘”上方向下进入该“气体腔室”再被离心叶扇向四周排出)。旋翼通过旋翼桨毂上的旋翼轴与驱动器传动连接。该旋翼系统的工作原理：当驱动器带动旋翼快速(应达到的转速大小由旋翼桨叶的多少、旋翼桨叶的宽度和离心叶扇的排气能力等因素决定，一般以使从旋翼桨叶缝隙进入“旋翼桨盘”和固定翼盘之间的空气能被离心叶扇扇叶完全排出为底限，以下所说的快速也是此意)旋转时，翼盘底及“旋翼桨盘”上方的空气由于离心力的作用被旋翼浆叶和离心叶扇向四周甩出(排出)，这部分空气对翼盘底上表面的压力方向由垂直变为与之近似平行，从而使这部分空气对翼盘底上表面的压力绝大部分丧失。“旋翼桨盘”上方垂直向下作用在旋翼桨叶上的空气压力，由于旋翼桨叶的快速旋转而使其压力方向逐渐趋向与“旋翼桨盘”盘面平行而压力绝大部分丧失。这样翼盘底上方的空气对翼盘底上表面的压力绝大部分丧失，而其下表面的空气压力不变，这个压力差作用在翼盘底上就产生了旋翼直升机飞行所需的升力，理论上讲单位面积“旋翼桨盘”  (因为升力的产生源于旋翼的旋转、升力大小与“旋翼桨盘”面积直接相关，所以衡量升力高低的重要参数是单位面积“旋翼桨盘”的升力大小)的最大升力在海平面上可达13600千克力/平方米。这样旋翼直升机的升力大大提高、“旋翼桨盘”面积可以大大减小，从而飞行阻力大大降低；只要有足够的推力就可以实现旋翼直升机的高速巡航，甚至超音速巡航；使制造载重万吨甚至十万吨以上的超大型旋翼直升机和占地面积、乘员数与普通轿车相当的超轻型旋翼直升机成为现实。2、飞行操纵的实现方式：其飞行操纵是依靠位于固定翼盘空气隔离环上的升力调节片来实现的，升力调节片可以上下自由伸缩。飞行操纵的灵敏度由升力调节片伸出程度和速度及其面积来决定。当旋翼直升机只安装一个旋翼系统时，把空气隔离环某处的升力调节片向上伸出，则升力调节片所在扇区的旋翼桨叶和离心叶扇扇叶甩(排)出的空气被阻挡回去，这部分空气被迫下行抵达翼盘底上表面，空气对翼盘底上表面该扇区的压力恢复，也就是说翼盘底该扇区的升力丧失，旋翼系统的升力因此失去平衡，从而使该升力调节片所在的那部分机身下沉、旋翼直升机飞行姿态改变，实现飞行操纵。当旋翼直升机安装多个旋翼系统时，把某个旋翼系统的升力调节片向上伸出，则该旋翼系统的升力降低；把升力调节片向下缩至与翼盘底平齐，由于外界空气的进入，“旋翼桨盘”和固定翼盘之间“气体腔室”的相对独立的环境被破坏，旋翼系统的升力因而完全丧失。通过这种方式调节各个旋翼系统的升力变化，使被调节的旋翼系统所在的那部分机身下沉，实现飞行姿态的变化，从而实现飞行操纵(具体操纵原理和方法将结合实施例和附图进一步说明)。当旋翼直升机向一侧下沉一定角度时，根据力的平行四边形法则，升力会分解出一个向该侧水平方向的推力，从而推动机身向该方向飞行。旋翼直升机在小范围调整或低速巡航时可以用这种方式。

由于采用上述方案，旋翼直升机在实现垂直起降和悬停的基础上，其升力大大提高、载重大大增加、外形尺寸大大减小。由于其旋翼系统主要由旋翼和固定翼盘两部分组成，飞行操纵主要由升力调节片来实现，结构和操纵都比较简单。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是旋翼直升机旋翼系统的结构分解示意图；

图2是旋翼系统的工作原理示意图；

图3是第一个实施例的三面图；

图4是第二个实施例的三面图；

图5是第三个实施例的三面图；

图中，1、旋翼(转子)2、固定翼盘(定子)3、旋翼桨毂4、翼盘底5、旋翼轴6、旋翼桨叶7、离心叶扇8、空气导流槽9、扇叶10、空气隔离环11、升力调节片12、驱动器13、指向箭头14、指向箭头15、指向箭头16、指向箭头17、旋翼系统18、飞机机身19、推进器(或牵引螺旋桨)20、垂直尾翼21、整流支撑翼

在图1中，旋翼系统由旋翼(转子)(1)和固定翼盘(定子)(2)两部分组成。旋翼(转子)(1)由多个旋翼桨叶(6)在旋翼桨毂(3)四周呈放射状排列组成；旋翼桨叶(6)横截面成“C”形，凹陷一面形成空气导流槽(8)；旋翼桨叶(6)外端下部装一个扇叶(9)呈圆环状排列与之同步旋转的离心叶扇(7)。固定翼盘(定子)(2)由翼盘底(4)和空气隔离环(10)组成；空气隔离环(10)上装有升力调节片(11)，升力调节片(11)可以上下自由伸缩。旋翼(1)的离心叶扇扇叶(9)下缘没入空气隔离环(10)在翼盘底(4)上围成的凹腔内，旋翼(1)能围绕旋翼轴(5)自由转动。

在图2中，旋翼(1)通过(垂直穿经固定翼盘圆心处的)旋翼轴(5)与驱动器(12)传动连接，提供旋翼旋转的动力。当驱动器(12)带动旋翼(1)沿箭头(16)所指方向快速旋转时，“旋翼桨盘”上方的空气被吸入。其中一部分空气由于离心力作用，被迫沿箭头(13)所指的方向经过旋翼桨叶(6)上的空气导流槽(8)向四周甩出；另一部分空气则沿箭头(14)所指的方向，透过旋翼浆叶(6)之间的空隙进入“旋翼桨盘”与固定翼盘之间的“气体腔室”。被旋翼浆叶(6)甩出的这部分空气，由于气流方向变为与翼盘底(4)平行而完全丧失对翼盘底(4)上表面的压力。同时，由于离心叶扇(7)与旋翼浆叶(6)的同步旋转，从旋翼桨叶(6)缝隙进入“旋翼桨盘”与固定翼盘(2)之间“气体腔室”的这一部分空气被离心叶扇(7)上的扇叶(9)向四周排出，这部分空气对翼盘底(4)的压力方向也由垂直趋向于平行，从而对翼盘底(4)的压力绝大部分丧失。垂直向下作用在旋翼桨叶(6)上的空气压力，由于旋翼桨叶(6)的快速旋转而使其压力方向逐渐趋向与“旋翼桨盘”盘面平行而压力绝大部分丧失，并且随旋翼浆叶(6)转速的增加该压力无限趋向于零。这样翼盘底(4)上方垂直向下作用在翼盘底(4)上表面的空气压力绝大部分丧失，而翼盘底(4)下表面沿箭头(15)所指方向的空气压力不变，这个压力差作用在翼盘底(4)上就产生了飞机飞行所需的升力。随着旋翼转速的加快，被旋翼桨叶(6)甩出的这部分空气逐渐增多，因而通过旋翼桨叶(6)的缝隙进入“旋翼桨盘”与固定翼盘(2)之间“气体腔室”的空气逐渐减少、密度减小；随离心叶扇(7)转速的增大，其排气能力又逐渐增强，理论上可以使这部分空气流向变为与翼盘底(4)平行，从而使这部分空气对翼盘底(4)上表面的压力全部丧失，此时升力操纵系统产生的升力最大。

在图3中，旋翼直升机(第一个实施例)由机身(18)上三个旋翼系统(17)来提供升力，当牵引螺旋桨(19)(也可以用涵道风扇或涡轮喷气发动机等提供飞行推力)牵引飞机飞行时，垂直尾翼(20)可以起到方向稳定的作用；由于机身细长重心靠前，其纵向和横向稳定性也较好；整流支撑翼(21)可以对流过旋翼系统的空气整流和对旋翼系统排出的气流导流，同时起到支撑机身的作用。在飞机飞行中：使机身后部的旋翼系统升力调节片伸出，则该旋翼系统升力减小，飞机机尾下沉，飞机爬升；使前方两个旋翼系统的升力调节片伸出，则它们的升力减小，飞机机头下沉，飞机俯冲；把左边或右边的旋翼系统的升力减小，则飞机左前方或右前方机身下沉，从而使飞机实现左右转弯(也可以通过垂直尾翼实现飞机的方向操纵)。通过几种操纵方式的的综合运用，则可以实现飞机的爬升转弯、俯冲转弯、滚转等操纵。用这种方式可以制造出占地面积、乘员数与普通轿车相当的超轻型旋翼直升机。

在图4中，旋翼直升机(第二个实施例)由在机身(18)两侧整流支撑翼(21)上纵向排列的多个旋翼系统(17)提供升力，当推进器(19)推动飞机飞行时，垂直尾翼(20)可以起到方向稳定的作用；由于机身细长重心靠前，其纵向和横向稳定性也较好；整流支撑翼(21)可以对流过升力操纵系统的空气整流和对旋翼系统排出的气流导流，同时起到支撑机身的作用。在飞机飞行中：通过升力调节片的调整，使整流支撑翼(21)前部的两个或更多的旋翼系统的升力减小或丧失，可以使飞机机身(18)前部下沉，实现飞机俯冲；使整流支撑翼(21)后部的两个或更多的旋翼系统的升力减小或丧失，可以使飞机机身(1 8)后部下沉，实现飞机爬升；使整流支撑翼(21)上左前部或右前部的一个或更多的旋翼系统升力减小或丧失，则飞机左前方或右前方机身下沉，可以使飞机实现左右转弯(也可以通过垂直尾翼实现飞机的方向操纵)；通过使飞机左或右侧的旋翼系统的升力下降可以实现飞机的滚转操纵。通过几种操纵方式的的综合运用，则可以实现飞机的爬升转弯、俯冲转弯等操纵。用这种方式可以制造出载重万吨甚至十万吨以上的超大型旋翼直升机。

在图5中，圆形旋翼直升机(第三个实施例)推进器(19)所在的机身部分为飞机机尾，在机身(18)顶部平面上呈圆环状排列着数个旋翼系统(17)提供升力，旋翼系统(17)的固定翼盘与机身(18)融为一体。当推进器(19)推动飞机飞行时，垂直尾翼(20)可以起到方向稳定的作用；使机身(18)正前方的一个或数个旋翼系统的升力减小或丧失，则飞机的机头下沉，飞机俯冲；使机身(18)正后方的一个或数个旋翼系统的升力减小或丧失，则飞机的机尾下沉，飞机爬升；使机身(18)左前方或右前方的一个或数个旋翼系统的升力减小或丧失，则飞机机身(18)的左前方或右前方下沉，飞机实现左右转弯；通过使飞机左或右侧的旋翼系统的升力下降可以实现飞机的滚转操纵。通过几种操纵方式的的综合运用，则可以实现飞机的爬升转弯、俯冲转弯等操纵。

通过安装此旋翼系统，还可以制造各型旋翼直升机、航空模型以及自控飞行、遥控飞行的玩具直升机等。

Claims (4)

1、一种旋翼直升机，由机身、驱动器、一个或多个旋翼系统和飞行操纵系统组成，其特征是：旋翼系统由旋翼(转子)和固定翼盘(定子)两部分组成，  “旋翼桨盘”与固定翼盘之间形成一个相对独立的“气体腔室”；飞行操纵通过调节升力调节片使一个或多个旋翼系统的升力变化来实现。

2、根据权利要求1所述的旋翼直升机，其特征是：旋翼浆叶横截面成“C”形、凹陷一面形成空气导流槽，旋翼浆叶外端下部是扇叶呈圆环状排列的离心叶扇。

3、根据权利要求1所述的旋翼直升机，其特征是：固定翼盘由空气隔离环和翼盘底构成，空气隔离环在翼盘底上围成一个凹腔。

4、根据权利要求1所述的旋翼直升机，其特征是：升力调节片安装在空气隔离环上，升力调节片可以上下自由伸缩。

Images