CN104176235A - 一种旋翼飞行器的可旋转机翼 - Google Patents

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韩冲
李�杰
朱璟
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一种旋翼飞行器的可旋转机翼，涉及旋翼飞行器的机翼技术领域，特别是涉及旋翼飞行器的可旋转机翼技术领域;所述机翼两端通过倾转驱动装置与带有旋翼的动力舱相连接，所述机翼的中部固定在旋转轴的一端，旋转轴的另一端通过定位制动装置与飞行器的机身上部连为一体且与机身轴线垂直，使得机翼连带安装在其上的部件可绕旋转轴转动；所述机翼长度控制在旋翼直径的1.5～3.5倍，起降时机翼端部的线速度控制在17m/s～56m/s，降低了旋翼飞行器垂直起降时所需30%～40%的发动机功率，实现了降低油耗和降低飞行器重量以及降低飞行器的生产成本、使用成本的目的，进一步提高了飞行器的承载能力。

Description

一种旋翼飞行器的可旋转机翼
技术领域
本发明涉及旋翼飞行器的机翼技术领域，特别是涉及旋翼飞行器的可旋转机翼技术领域。
背景技术
目前，世界上飞行速度最快且量产的旋翼飞行器是美国的鱼鹰V-22倾转旋翼机。其是在固定机翼飞机的基础上，通过在机翼端部设置可倾转的旋翼来实现垂直起飞和高速飞行的，即起飞时旋翼的轴线与机身轴线垂直，平飞时旋翼的轴线与机身轴线平行。但由于两端安装旋翼的机翼是固定不动的，垂直起飞时仍需较大的发动机功率才能提升机身完成起飞。
发明内容
本发明解决的技术问题是：降低旋翼飞行器垂直起降时所需的发动机功率。
本发明的技术方案是:为了降低旋翼飞行器垂直起降时所需的发动机功率，特提出一种旋翼飞行器的可旋转机翼，其结构如图1所示，包括机翼1，所述机翼1的两端通过倾转驱动装置2与带有旋翼3的动力舱4相连接，所述机翼1的中部固定在旋转轴5的一端，旋转轴5的另一端通过定位制动装置6与飞行器的机身上部连为一体且与机身轴线垂直，使得机翼1连带安装在其上的部件可绕旋转轴5转动。
如图2所示，所述动力舱4及旋翼3，通过倾转驱动装置2实施的前倾是旋翼3在机翼1上方、且动力舱4及旋翼3的轴线相对于旋转轴5的轴线向机翼1的前缘倾斜，范围为0°～90°；通过倾转驱动装置2实施的后倾是旋翼3在机翼1上方、且动力舱4及旋翼3的轴线相对于旋转轴5的轴线向机翼1的后缘倾斜，范围定为0°～10°。
如图1所示，所述可旋转机翼，在垂直起飞时，关闭定位制动装置6使得机翼1可绕旋转轴5的轴线转动；并通过倾转驱动装置2调整使得机翼1两端相连的两个动力舱4连带旋翼3，一组前倾、另一组后倾、并倾斜相同的角度；动力舱4内的动力装置驱动旋翼3旋转，两旋翼的拉力产生一个垂直机身向上的合力和绕旋转轴5轴线旋转的合力矩；合力通过旋转轴5将飞行器拉起，合力矩驱动机翼1及中部固定设置旋转轴5绕其轴线旋转；起飞过程中通过倾转驱动装置2调整旋翼3的倾角，控制机翼1端部的线速度在一定范围内。
所述可旋转机翼，在完成起飞后，分别周期性的改变两个旋翼3的桨距和周期变距，使其在旋转轴5处产生一个使飞行器机头向下的力矩，使得机翼1的旋转平面前倾，进入前飞加速阶段；在加速过程中通过倾转驱动装置2同步减小机翼1两端的动力舱4的倾角，使飞行器前飞速度达到某一速度范围时动力舱4的倾角减小至0°，导致机翼1逐渐失去转动动力；在惯性的作用下，当机翼1的前缘转动到与飞行器飞行方向一致且与机身轴线垂直时，启动定位制动装置6将机翼1固定在与机身轴线垂直的位置；与此同时，通过倾转驱动装置2同步驱动两个动力舱4前倾90°，使其轴线与机身轴线平行进入飞行状态；如图2所示，此时双旋翼机构中的旋翼3充当螺旋桨作用拉动飞行器高速前飞，机翼1产生的升力将飞行器托起。
所述可旋转机翼，在降落时，通过倾转驱动装置2将动力舱4倾转到与机身轴线垂直的位置；当飞行器减速到某一速度范围时，关闭定位制动装置6使得机翼1可绕旋转轴5的轴线转动；并通过倾转驱动装置2将动力舱4连带旋翼3，一组前倾、另一组后倾、并倾斜相同的角度；随着飞行器飞行速度下降而调整其倾转角度，当飞行器前飞速度减小至0时，机翼1两端动力舱绕旋转轴5转动的线速度在一定范围内时，可实施垂直降落。
所述机翼1的翼展长度要选取合适，长度过大会增加过多的结构代价，因为起飞时整个机身的重量都由机翼1承担；机翼1过短，要保证机翼1两端的线速度会使旋翼3和动力舱4处的离心加速度过大，导致旋翼3的来流更加不对称，会使旋翼拖出的尾迹之间的距离过近增加旋翼之间的干扰；因此机翼1长度选取为旋翼3直径的1.5～3.5倍比较合适。
所述机翼1的旋转速度，机翼1旋转时其两端的线速度不应大于56m/s，因为线速度过大会使旋翼3和动力舱4处的离心力过大，旋翼3和发动机舱4的阻力增大，使旋翼拖出尾迹之间的距离减小，干扰增大；垂直起飞时，机翼1旋转其两端的线速度也不应小于17m/s，因为线速度过小不能很好地降低起飞时旋翼3所需要的功率；故此，应控制飞行器起飞或降落时，通过倾转驱动装置2调整使得机翼1两端相连的两个动力舱4连带旋翼3，一组前倾、另一组后倾、并倾斜相同的角度，使得机翼1旋转时其端部的线速度在17m/s～56m/s。
本发明的有益效果是：由于机翼两端通过倾转驱动装置与带有旋翼的动力舱相连接，所述机翼的中部固定在旋转轴的一端，旋转轴的另一端通过定位制动装置与飞行器的机身上部连为一体且与机身轴线垂直，使得机翼连带安装在其上的部件可绕旋转轴转动；所述机翼长度控制在旋翼直径的1.5～3.5倍，起降时机翼端部的线速度控制在17m/s～56m/s，降低了旋翼飞行器垂直起降时所需30%～40%的发动机功率，实现了降低油耗和降低飞行器重量以及降低飞行器的生产成本、使用成本的目的，进一步提高了飞行器的承载能力。
附图说明
图1是本发明的可旋转机翼在垂直起飞时的示意图；
图2是本发明的可旋转机翼在飞行时的示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
一种旋翼飞行器的可旋转机翼，其结构如图1所示，包括机翼1，所述机翼1的两端通过倾转驱动装置2与带有旋翼3的动力舱4相连接，所述机翼1的中部固定在旋转轴5的一端，旋转轴5的另一端通过定位制动装置6与飞行器的机身上部连为一体且与机身轴线垂直，使得机翼1连带安装在其上的部件可绕旋转轴5转动。
取机翼1的翼展长度为旋翼3直径的三倍，取旋翼的最大桨盘载荷为75kg/m2。此可旋转机翼在飞行器垂直起飞时，机翼1两端绕旋转轴5转动的线速度不大于50m/s。
将此可旋转机翼安装在飞行器的顶部，并保证可旋转机翼围绕旋转轴5转动时与机身不发生干涉；垂直起飞时关闭定位制动装置6，通过倾转驱动装置2调整使得机翼1两端相连的两个动力舱4连带旋翼3，一组前倾、另一组后倾、并倾斜相同的3°角；动力舱4内动力装置驱动旋翼3旋转，两旋翼的拉力产生一个垂直机身向上的合力和绕旋转轴5转动的合力矩。合力矩通过旋转轴5将机身拉起，合力矩驱动机翼1及中部固定设置的旋转轴5转动；起飞过程中通过倾转驱动装置2调整旋翼3的倾角，控制机翼1端部的线速度在30～50m/s之间。
起飞后，分别周期性的改变两个旋翼3的桨距和周期变距，使其在旋转轴5处产生一个使飞行器机头向下的力矩，进而使机翼1的旋转平面前倾，进入前飞加速阶段；加速过程中通过倾转驱动装置2同步减少机翼1的两端的动力舱4的倾角，使其前飞速度达到150km/h左右时，动力舱4的倾角减少至0°，导致机翼1逐渐失去转动动力；在惯性的作用下，当机翼1的前缘转动到与飞行器飞行方向一致且与机身轴线垂直时，启动定位制动装置6将机翼1固定在与机身轴线垂直的位置；与此同时，通过倾转驱动装置2同步驱动两个动力舱4前倾90°，使其轴线与机身轴线平行进入飞行状态；如图2所示，此时双旋翼机构中的旋翼3充当螺旋桨作用拉动飞行器高速前飞，机翼1产生的升力将飞行器托起。
降落时，通过倾转驱动装置2将动力舱4倾转到与机身轴线垂直，飞行器减速到150km/h左右，关闭定位制动装置6使得机翼1可绕旋转轴5的轴线转动；并通过倾转驱动装置2将动力舱4连带旋翼3，一组前倾、另一组后倾、并倾斜相同的角度；随着飞行器飞行速度下降而调整其倾转角度，当飞行器前飞速度减小至0时，机翼1两端动力舱绕旋转轴5转动的线速度在30～50m/s之间时，可实施垂直降落。
理论计算分析：当倾转旋翼机垂直起飞桨盘载荷为75kg/m2时，当旋翼垂直起飞时旋翼诱导功率占旋翼功率80%的条件下，计算采用的空气密度为0.125kg/m3，则根据动量定理来计算旋翼的诱导速度为17.32m/s。
采用本发明的可旋转机翼，令机翼1的翼展长度为旋翼3直径的3倍，机翼1两端绕旋转轴5的线速度为40m/s,取机翼1旋转时一个旋翼对另一个旋翼的干扰因子为0.2，机翼1两端相连的两个动力舱4连带旋翼3，一组前倾、另一组后倾、并倾斜相同的3°角时，经计算此时旋翼的入流速度为9.3m/s，假定此速度时旋翼的型阻功率等于悬停时的型阻功率，此可旋转机翼的旋翼诱导功率为倾转旋翼的53%。此可旋转机翼的旋翼总功率为倾转旋翼总功率的63%，考虑其它因素，此双旋翼机构的起飞功率应在倾转旋翼的60%～70%之间；故此，本发明的一种旋翼飞行器的可旋转机翼可降低旋翼飞行器垂直起降时所需30%～40%的发动机功率，实现降低油耗和降低飞行器重量以及降低飞行器的生产成本、使用成本的目的，可进一步提高飞行器的承载能力。

Claims (7)

1.一种旋翼飞行器的可旋转机翼，包括机翼(1)，所述机翼(1)的两端通过倾转驱动装置(2)与带有旋翼(3)的动力舱(4)相连接，其特征在于：所述机翼(1)的中部固定在旋转轴(5)的一端，旋转轴(5)的另一端通过定位制动装置(6)与飞行器的机身上部连为一体且与机身轴线垂直，使得机翼(1)连带安装在其上的部件可绕旋转轴(5)转动。
2.根据权利要求1所述旋翼飞行器的可旋转机翼，其特征在于：所述动力舱(4)及旋翼(3)，通过倾转驱动装置(2)实施的前倾是旋翼(3)在机翼1上方、且动力舱(4)及旋翼(3)的轴线相对于旋转轴(5)的轴线向机翼(1)的前缘倾斜，范围为0°～90°；通过倾转驱动装置(2)实施的后倾是旋翼(3)在机翼(1)上方、且动力舱(4)及旋翼(3)的轴线相对于旋转轴(5)的轴线向机翼(1)的后缘倾斜，范围定为0°～10°。
3.根据权利要求1所述旋翼飞行器的可旋转机翼，其特征在于：所述可旋转机翼，在垂直起飞时，关闭定位制动装置(6)使得机翼(1)可绕旋转轴(5)的轴线转动；并通过倾转驱动装置(2)调整使得机翼(1)两端相连的两个动力舱(4)连带旋翼(3)，一组前倾、另一组后倾、并倾斜相同的角度；起飞过程中通过倾转驱动装置(2)调整旋翼(3)的倾角，控制机翼(1)端部的线速度在一定范围内。
4.根据权利要求1所述旋翼飞行器的可旋转机翼，其特征在于：所述可旋转机翼，在完成起飞后，分别周期性的改变两个旋翼(3)的桨距和周期变距，使其在旋转轴(5)处产生一个使飞行器机头向下的力矩，使得机翼(1)的旋转平面前倾，进入前飞加速阶段；在加速过程中通过倾转驱动装置(2)同步减小机翼(1)两端的动力舱(4)的倾角，使飞行器前飞速度达到某一速度范围时动力舱(4)的倾角减小至0°，导致机翼(1)逐渐失去转动动力；在惯性的作用下，当机翼(1)的前缘转动到与飞行器飞行方向一致且与机身轴线垂直时，启动定位制动装置(6)将机翼(1)固定在与机身轴线垂直的位置；与此同时，通过倾转驱动装置(2)同步驱动两个动力舱(4)前倾90°，使其轴线与机身轴线平行进入飞行状态。
5.根据权利要求1所述旋翼飞行器的可旋转机翼，其特征在于：所述可旋转机翼，在降落时，通过倾转驱动装置(2)将动力舱(4)倾转到与机身轴线垂直的位置；当飞行器减速到某一速度范围时，关闭定位制动装置(6)使得机翼(1)可绕旋转轴(5)的轴线转动；并通过倾转驱动装置(2)将动力舱(4)连带旋翼(3)，一组前倾、另一组后倾、并倾斜相同的角度；随着飞行器飞行速度下降而调整其倾转角度，当飞行器前飞速度减小至0时，机翼(1)两端动力舱绕旋转轴(5)转动的线速度在一定范围内时，可实施垂直降落。
6.根据权利要求1所述旋翼飞行器的可旋转机翼，其特征在于：所述机翼(1)的长度选取为旋翼(3)直径的1.5～3.5倍。
7.根据权利要求1、3或5所述的任一旋翼飞行器的可旋转机翼，其特征在于：所述机翼(1)的旋转速度，应控制飞行器起飞或降落时，通过倾转驱动装置(2)调整使得机翼(1)两端相连的两个动力舱(4)连带旋翼(3)，一组前倾、另一组后倾、并倾斜相同的角度，使得机翼(1)旋转时其端部的线速度在17m/s～56m/s。
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