CN206087295U - 一种内旋翼飞行器结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及飞行器，提供了一种内旋翼飞行器结构。包括机体、旋翼腔、气流入口、气流出口、导流片、旋翼，其中所述旋翼腔嵌入所述机体内部，所述机体设有所述气流入口和所述气流出口，所述气流入口、所述气流出口与所述旋翼腔相互连通，所述导流片安装在所述气流入口处或附近、所述气流出口处或附近、所述旋翼腔内三处位置中任意一处或多处，所述旋翼安装在所述旋翼腔中。本实用新型结构紧凑，飞行及悬浮控制稳定灵活，具备适应狭小复杂三维空间的能力。

Description

一种内旋翼飞行器结构

技术领域

本实用新型涉及飞行器领域，具体而言，涉及一种内旋翼飞行器结构。

背景技术

传统飞行器一般被分为固定翼和旋翼两大类，固定翼飞行器飞行速度快但大都无法实现垂直起降和空中悬浮，旋翼飞行器虽然能实现垂直起降和空中悬浮但飞行速度不高。大多数旋翼飞行器的旋翼裸露在外，飞行稳定性易受气流扰动影响，裸露的旋翼对周围环境构成威胁，为了增加升力需要加大桨叶尺寸从而无法满足小型化要求。一些旋翼飞行器在旋翼上增加了涵道，虽然能在一定程度上削弱气流扰动影响、防止旋翼危害周围环境、在保证升力的前提下缩小桨叶尺寸，但其旋翼部分仍然与机体分离，结构不够紧凑，体积没有得到进一步缩小。总结所述传统飞行器的缺陷在于：机动性与速度无法同时满足，对环境适应性不足，无法在复杂环境中，例如狭小的城市低空、森林中、建筑物内等复杂三维空间，自由稳定穿梭飞行及悬浮。

近来出现的球形飞行器，其旋翼被整个球形或半球形机体所包裹，虽然能够克服所述传统飞行器的部分缺陷，但其飞行稳定性、飞行速度、结构紧凑性仍有较大改进空间。

针对相关技术中存在的上述问题，目前尚未发现其它有效的解决方案。

实用新型内容

本实用新型实施例提供了一种内旋翼飞行器结构，以至少解决相关技术中结构紧凑性、环境适应能力、飞行性能与稳定性方面不足的问题。

本实用新型技术方案如下：

一种内旋翼飞行器结构，包括机体(1)、旋翼腔(2)、气流入口(8)、气流出口(7)、导流片(5)、旋翼(3)，其中所述旋翼腔(2)嵌入所述机体(1)内部，所述机体(1)设有所述气流入口(8)和所述气流出口(7)，所述气流入口(8)、所述气流出口(7)与所述旋翼腔(2)相互连通，所述导流片(5)安装在所述气流入口(8)处或附近、所述气流出口(7)处或附近、所述旋翼腔(2)内三处位置中任意一处或多处，所述旋翼(3)安装在所述旋翼腔(2)中。

可选地，所述导流片(5)为薄片状，所述导流片(5)上设有导流片转动轴(6)，所述导流片(5)能够绕所述导流片转动轴(6)转动。

可选地，多片所述导流片(5)间隔排列，构成一个导流片组(4)。

可选地，在所述旋翼腔(2)中，至少设有一对所述旋翼(3)。

可选地，至少由一个左旋翼(13)和一个右旋翼(11)组成旋翼对，所述左旋翼(13)和所述右旋翼(11)在所述旋翼腔(2)中对称地分布在机体中轴线(15)左右两侧。

可选地，所述左旋翼(13)和所述右旋翼(11)的旋转面与机体平面(12)平行或绕所述机体中轴线(15)成一定角度。

可选地，至少由一个上旋翼(24)和一个下旋翼(25)组成旋翼对，所述上旋翼(24)与所述下旋翼(25)以级联形式安装在所述旋翼腔(2)中。

可选地，所述上旋翼(24)旋转轴、所述下旋翼(25)旋转轴、机体中心纵垂线(23)三者共轴，所述上旋翼(24)旋转平面与所述下旋翼(25)旋转平面相互平行。

可选地，所述气流入口(8)设于所述机体(1)上部(16)。

可选地，所述气流出口(7)设于所述机体(1)下部(17)，所述气流出口(7)相对于所述机体中轴线(15)左右对称地被分为左气流出口(18)和右气流出口(19)，左气流出口(18)和右气流出口(19)分别与所述旋翼腔(2)连通。

可选地，所述左气流出口(18)和所述右气流出口(19)处或附近设有所述导流片(5)或所述导流片组(4)。

可选地，所述左气流出口(18)处或附近设有一个或多个相互独立的所述导流片组(4)，所述右气流出口(19)处或附近设有一个或多个相互独立的所述导流片组(4)。

可选地，所述机体(1)所述下部(17)设有对称于所述机体中轴线(15)的左导流翼(21)和右导流翼(22)，所述左导流翼(21)和所述右导流翼(22)分别对应所述左气流出口(18)和所述右气流出口(19)。

可选地，所述左导流翼(21)和所述右导流翼(22)为薄片状，分别设有独立的导流翼转动轴(20)，所述左导流翼(21)和所述右导流翼(22)各自能够独立地绕所述导流翼转动轴(20)转动。

可选地，所述机体(1)尾部设有对称于所述机体中轴线(15)的左导流翼(21)和右导流翼(22)。

可选地，所述左导流翼(21)和所述右导流翼(22)为薄片状，分别设有独立的导流翼转动轴(20)，所述左导流翼(21)和所述右导流翼(22)各自能够独立地绕所述导流翼转动轴(20)转动。

本实用新型有益效果如下：

本实用新型提供的飞行器结构紧凑，具备适应狭小复杂三维空间的能力；本实用新型提供的内旋翼结构将旋翼与外部环境隔离，防止了旋翼的旋转对周围环境造成伤害；本实用新型提供的气流通道结构能阻隔外部气流的扰动，集中并增强升力和推力；本实用新型提供的导流结构能将旋翼产生的动能转换为矢量推力，矢量推力使飞行器既能垂直起降与悬浮又能快速飞行与转向，并且飞行速度较普通旋翼机快，同时矢量推力的方向与分布能随飞行器自身导流结构的调节而被动态改变并被分配到姿态调整所需位置，无需对环境和自身飞行状态有特殊要求以及无需额外增加推力源，就能保证飞行器平衡稳定，因此本实用新型提供的飞行器其环境适应能力、飞行灵活性、机动性能强。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实施例、附图及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1是内旋翼飞行器机体左侧剖面结构图；

图2是左右内旋翼飞行器机体上部俯视剖面结构图；

图3是左右内旋翼飞行器机体上部俯视图；

图4是左右内旋翼飞行器机体左侧视图；

图5是左右内旋翼飞行器机体下部仰视图；

图6是左右内旋翼飞行器机体结构分解图；

图7是上下内旋翼飞行器机体左侧剖面结构图；

图8是导流片侧截面视图受力分析图；

图9是导流片与导流翼简化拓扑的侧截面视图受力分析图

图10是机体左侧剖面结构受力分析图：

其中：1是机体，2是旋翼腔，3是旋翼，4是导流片组，5是导流片，6是导流片转动轴，7是气流出口，8是气流入口，9是气流，11是右旋翼，12是机体平面，13是左旋翼，15是机体中轴线，16是机体上部，17是机体下部，18是左气流出口，19是右气流出口，20是导流翼转动轴，21是左导流翼，22是右导流翼，23是机体中心纵垂线，24是上旋翼，25是下旋翼，27是气流微元对导流片产生的反作用力矢量，28是导流片对气流微元产生的作用力矢量，29是气流微元接触导流片时刻的初始速度矢量，30是气流微元接触导流片后的瞬时速度矢量，31是气流微元，32是一个导流片组产生的合推力矢量，33是旋翼产生的升力矢量，34是左导流翼产生的推力矢量。

具体实施方式

以下将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1

本实施例提供了一种具有左右内旋翼飞行器结构，如下：

如图1-6所示，包括机体(1)、旋翼腔(2)、气流入口(8)、气流出口(7)、导流片(5)、旋翼(3)，其中所述旋翼腔(2)嵌入所述机体(1)内部，所述机体(1)设有所述气流入口(8)和所述气流出口(7)，所述气流入口(8)、所述气流出口(7)与所述旋翼腔(2)相互连通，所述导流片(5)安装在所述气流出口(7)处，所述旋翼(3)安装在所述旋翼腔(2)中。

可选地，所述导流片(5)为长条薄片状，所述导流片(5)上设有导流片转动轴(6)，所述导流片(5)能够绕所述导流片转动轴(6)转动。

可选地，多片所述导流片(5)构成一个导流片组(4)，同一所述导流片组(4)中的所述导流片(5)平面相互平行。

可选地，在所述旋翼腔(2)中，设有一对所述旋翼(3)，分别为一个左旋翼(13)和一个右旋翼(11)，所述左旋翼(13)和所述右旋翼(11)在所述旋翼腔(2)中对称地分布在机体中轴线(15)左右两侧。

可选地，所述左旋翼(13)和所述右旋翼(11)的旋转面与机体平面(12)平行或绕所述机体中轴线(15)成一定角度。

可选地，所述气流入口(8)设于所述机体(1)上部(16)。

可选地，所述气流出口(7)设于所述机体(1)下部(17)，所述气流出口(7)对于所述机体中轴线(15)左右对

称地被分为左气流出口(18)和右气流出口(19)，分别与所述旋翼腔(2)连通。

可选地，所述左气流出口(18)和所述右气流出口(19)处分别设有相互独立的所述导流片组(4)。

可选地，所述左气流出口(18)处设有两个相互独立的所述导流片组(4)，两个所述导流片组(4)一个靠近所述机体(1)前端而另一个靠近所述机体(1)后端，所述右气流出口(19)处设有两个相互独立的所述导流片组(4)，两个所述导流片组(4)一个靠近所述机体(1)前端而另一个靠近所述机体(1)后端。

可选地，所述机体(1)所述下部(17)后端尾部设有对称于所述机体中轴线(15)的左导流翼(21)和右导流翼(22)，所述左导流翼(21)和所述右导流翼(22)分别对应所述左气流出口(18)处安装的靠近所述机体(1)后端的导流片组(4)和所述右气流出口(19)处安装的靠近所述机体(1)后端的导流片组(4)。

可选地，所述左导流翼(21)和所述右导流翼(22)为薄片状，分别设有独立的导流翼转动轴(20)，所述左导流翼(21)和所述右导流翼(22)各自能够独立地绕所述导流翼转动轴(20)转动。

在本实施例提供的一种具有左右内旋翼飞行器结构基础上进一步阐述此飞行器的控制原理，如下：

如图1所示，气流(9)从气流入口(8)进入旋翼腔(2)，经旋翼(3)加速后产生对飞行器的升力，同时获得动能并从气流出口(7)经导流片(5)或导流片组(4)被排除。根据流体的附壁效应，气流在经过导流片时会被分流并沿着导流片平面切向流动，导流片平面切向就是气流流动方向，绕导流片转动轴改变导流片平面方向就能改变气流流向。根据空气动力学中关于力的动量公式，如下：

其中F是流体微元对对象产生的反作用力矢量，V是流体微元的速度矢量，m是流体微元的质量，d/dt是微分符号。

动量公式表明：因为V是速度矢量，速度方向或大小的改变会产生矢量力。根据这一原理，飞行器通过调节导流片平面方向来改变气流流动方向以获取方向和大小可调的矢量推力，利用该推力可以调整自身姿态和运动状态。同时为了保持飞行器结构的紧凑性，每片导流片面积不宜过大，故单片导流片受力面积不够，为了增大受力面积，将多片较小面积的长条薄片状导流片平行间隔组成一个导流片组以增大受力面积，从而增强同一方向上的矢量推力。如图1所示，经旋翼(3)加速后的气流(9)的流动方向被两个独立的导流片组分别调节，实现了机体(1)前后两个部位的受力分布解耦调整。

如图8所示，气流微元(31)经旋翼加速后落到导流片(5)上后因流体附壁效应而沿着导流片平面切向运动，此时气流微元(31)速度矢量由接触导流片时刻的初始速度矢量(29)变为触导流片后的瞬时速度矢量(30)，该瞬时速度矢量(30)方向与导流片(5)平面平行，依据作用力与反作用力原理和动量公式，导流片对气流微元产生作用力矢量(28)，气流微元对导流片产生反作用力矢量(27)，两者大小相同方向相反。调节导流片(5)绕导流片转动轴(6)转动则可以改变反作用力矢量(27)的方向和大小，从而通过导流片产生了可调节的矢量推力。因为同一个导流片组中的导流片平面相互平行，所以其中的每片导流片所产生的矢量推力方向相同，从而使一个导流片组能在指定方向上产生较大的合推力。

如图10所示，从飞行器机体左侧视图平面看，有两个相互独立的导流片组(4)，一个靠近机体(1)前端而另一个靠近机体(1)后端，分别在前后端产生两个方向上的合推力矢量(32)。另外图中可见左导流翼(21)，

其位于后端导流片组下方附近，并利用导流片组产生的定向气流再一次形成推力矢量(34)，如图9所示，气流(9)经导流片(5)定向到左导流翼(21)表平面上，调整导流翼方向即可调节作用在其上的推力矢量(34)大小和方向。回到图10，整个机体(1)所受的合力和转矩由旋翼(3)产生的升力矢量(33)与两个导流片组(4)分别产生的合推力矢量(32)以及导流翼产生的推力矢量(34)共同合成，通过调整导流片组和导流翼的方向能够分别独立调节机体前后部受力的大小和方向，从而调整飞行姿态，保持动态平衡，以及改变飞行状态。

如图5所示，为了加强姿态调整的力度，在机体(1)下部(17)的左气流出口(18)处靠近机体(1)后端的导流片组(4)附近和右气流出口(19)处靠近机体后端的导流片组(4)附近分别安装有左导流翼(21)和右导流翼(22)，气流(9)经导流片组(4)指向性排除后接触到导流翼表面，并产生矢量推力作用于机体左右后部，该推力的大小和方向由导流翼调节，其原理同以上关于导流片的叙述，此处不再赘述。

如图6所示，气流(9)从气流入口(8)进入旋翼腔(2)后被左旋翼(13)和右旋翼(11)分流加速，最后分别从左气流出口(18)和右气流出口(19)被排除，飞行器机体(1)左侧升力矢量由左旋翼(13)产生，右侧升力矢量由右旋翼(11)产生，因此分别调整左右旋翼的转速能够调节机体左右部升力的大小，从而调整飞行姿态，保持动态平衡，以及改变飞行状态。

综上所述，一种具有左右内旋翼结构的飞行器，其飞行控制方式是通过调整左右旋翼转速来调节机体左右部的升力矢量大小，通过调整左右气流出口处及附近安装的四个导流片组和两个导流翼各自的方向来调节机体左前、右前、左后、右后部的推力矢量大小和方向，飞行器所受合力和转矩由这些升力矢量和推力矢量合成。即通过调整飞行器自身可变结构来改变气流流向从而可控地调节所受力各分量的分布、方向和大小，以最终确定其飞行悬浮姿态和状态。

实施例2

本实施例提供了一种具有上下内旋翼飞行器结构，它是实施例1中所提供的一种具有左右内旋翼飞行器结构的另一种变更形式，用以说明本实用新型提供的一种内旋翼飞行器结构的可变性。

如图7所示，将实施例1描述的旋翼腔中的左右内旋翼变更为上下内旋翼，即在所述旋翼腔(2)中设有一个上旋翼(24)和一个下旋翼(25)，所述上旋翼(24)与所述下旋翼(25)在所述旋翼腔(2)中以级联形式安装，所述上旋翼(24)旋转轴、所述下旋翼(25)旋转轴与机体中心纵垂线(23)共轴，所述上旋翼(24)旋转平面与所述下旋翼(25)旋转平面相互平行。所述上旋翼(24)和所述下旋翼(25)旋转方向相反，产生共轴同向的升力矢量，共同为机体(1)提供合升力。

在本实施例中，除了旋翼结构的变化外，其它部分均与实施例1相同，故不再赘述。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种内旋翼飞行器结构，其特征在于：

包括机体(1)、旋翼腔(2)、气流入口(8)、气流出口(7)、导流片(5)、旋翼(3)，其中所述旋翼腔(2)嵌入所述机体(1)内部，所述机体(1)设有所述气流入口(8)和所述气流出口(7)，所述气流入口(8)、所述气流出口(7)与所述旋翼腔(2)相互连通，所述导流片(5)安装在所述气流入口(8)处或附近、所述气流出口(7)处或附近、所述旋翼腔(2)内三处位置中任意一处或多处，所述旋翼(3)安装在所述旋翼腔(2)中。

2.根据权利要求1所述内旋翼飞行器结构，其特征在于：

所述导流片(5)为薄片状，所述导流片(5)上设有导流片转动轴(6)，所述导流片(5)能够绕所述导流片转动轴(6)转动；

多片所述导流片(5)间隔排列，构成一个导流片组(4)。

3.根据权利要求1或2所述内旋翼飞行器结构，其特征在于：

在所述旋翼腔(2)中，至少设有一对所述旋翼(3)。

4.根据权利要求3所述内旋翼飞行器结构，其特征在于：

至少由一个左旋翼(13)和一个右旋翼(11)组成旋翼对，所述左旋翼(13)和所述右旋翼(11)在所述旋翼腔(2)中对称地分布在机体中轴线(15)左右两侧；

所述左旋翼(13)和所述右旋翼(11)的旋转面与机体平面(12)平行或绕所述机体中轴线(15)成一定角度。

5.根据权利要求3所述内旋翼飞行器结构，其特征在于：

至少由一个上旋翼(24)和一个下旋翼(25)组成旋翼对，所述上旋翼(24)与所述下旋翼(25)以级联形式安装在所述旋翼腔(2)中；

所述上旋翼(24)旋转轴、所述下旋翼(25)旋转轴、机体中心纵垂线(23)三者共轴，所述上旋翼(24)旋转平面与所述下旋翼(25)旋转平面相互平行。

6.根据权利要求4或5所述内旋翼飞行器结构，其特征在于：

所述气流入口(8)设于所述机体(1)上部(16)；

所述气流出口(7)设于所述机体(1)下部(17)，所述气流出口(7)相对于所述机体中轴线(15)左右对称地被分为左气流出口(18)和右气流出口(19)，左气流出口(18)和右气流出口(19)分别与所述旋翼腔(2)连通；

所述左气流出口(18)和所述右气流出口(19)处或附近设有所述导流片(5)或所述导流片组(4)。

7.根据权利要求6所述内旋翼飞行器结构，其特征在于：

所述左气流出口(18)处或附近设有一个或多个相互独立的所述导流片组(4)，所述右气流出口(19)处或附近设有一个或多个相互独立的所述导流片组(4)。

8.根据权利要求7所述内旋翼飞行器结构，其特征在于：

所述机体(1)所述下部(17)设有对称于所述机体中轴线(15)的左导流翼(21)和右导流翼(22)，所述左导流翼(21)和所述右导流翼(22)分别对应所述左气流出口(18)和所述右气流出口(19)；

所述左导流翼(21)和所述右导流翼(22)为薄片状，分别设有导流翼转动轴(20)。

9.根据权利要求7所述内旋翼飞行器结构，其特征在于：

所述机体(1)尾部设有对称于所述机体中轴线(15)的左导流翼(21)和右导流翼(22)；

所述左导流翼(21)和所述右导流翼(22)为薄片状，分别设有导流翼转动轴(20)。