CN109018342B - 转摆线风扇翼装置、倾转摆线风扇翼飞行器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种倾转摆线风扇翼装置、倾转摆线风扇翼飞行器及其控制方法，风扇翼装置包括结合横流风扇翼与摆线桨特点的可偏转摆线风扇翼装置。本发明结合了横流风扇翼与摆线桨两者优点。本发明中的风扇翼叶片也是摆线桨的叶片，该叶片可通过操纵机构在飞行器前飞时以风扇翼中的横流风扇叶片模式工作，在飞行器悬停时，该叶片以摆线桨叶片模式工作。与传统横流风扇翼飞行器相比，前飞时风扇叶片可调，能适应不同的飞行条件，且具有垂直起降和空中悬停的能力，与常规的摆线桨（滚转翼）飞行器相比，具有前飞效率高、载重大等优点。该倾转风扇翼飞行器设计为倾转四机翼方式，克服了悬停性能与前飞性能之间存在的矛盾。

Description

转摆线风扇翼装置、倾转摆线风扇翼飞行器及控制方法

技术领域

本发明为一种军民两用航空飞行器,涉及飞行器设计、机械操纵***和升力机翼领域，具体是一种倾转摆线风扇翼飞行器。

背景技术

横流风扇翼是一种新型产生气动升力的装置，它利用翼型前置的旋转风扇产生涡升力和推力进行飞行，具有低速性能好、载荷大和大迎角不失速等优点。风扇翼产生升力由两部分组成：一部分是当风扇旋转时，机翼后半部分上下表面的流速不同，造成机翼上下表面的压力差，形成机翼的升力；另一部分是因为风扇旋转时，在风扇内部产生一个很强的偏心旋涡，造成较强的偏心涡低压区，使得机翼前半部分圆弧形区域的上下表面产生较大的压力差，形成更大部分的机翼升力，即涡升力。风扇翼飞行器问世不久，研究工作尚处于探索起步阶段，国内外发表关于风扇翼最新的研究成果及其项目进展较少。

当前的倾转飞行器一般采用倾转旋翼的方式，即在机翼的端部安装一副旋翼，起飞时，旋翼水平于地面，旋翼旋转产生升力，前飞时，旋翼逐渐倾转直至水平，推力由旋翼产生，机翼产生升力。同时，一般的倾转飞行器为倾转两旋翼，采用横列式布局。由于采用单纯旋翼作为升力和推力装置，而且旋翼在悬停和前飞上性能的差异性，这样导致一般倾转飞行器需要在悬停和前飞性能中折中，导致飞行器悬停性能和平飞性能不高，降低了效率。当前采用倾转双旋翼的方式，导致飞行器在航程航时与载荷能力上都受到了限制。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供了一种新型的、同时满足垂直起降、空中悬停、高空巡航要求的倾转摆线风扇翼飞行器及其工作原理，结合横流风扇翼与摆线桨两者优点，倾转飞行器设计为倾转四机翼方式，克服了悬停性能与前飞性能之间存在的矛盾，悬停性能、平飞性能、航程航时与载荷都得到提高。

本发明提供了一种可倾转摆线风扇翼装置，包括横流风扇机翼5和摆线桨操纵机构，所述摆线桨结构设置于所述横流风扇机翼5的前端，其一端固定于飞行器机身上，另一端与横流风扇机翼上的可收缩的风扇翼前缘相连；所述摆线桨结构通过舵机、舵机连杆和倾斜器构成的操纵机构控制摆线桨1叶片的角度，从而控制飞行器悬停或者前飞。

进一步的，所述摆线桨结构包括摆线桨旋转部件，所述摆线桨旋转部件包括摆线桨固定板2、摆线桨1、传动轴3；其中，所述摆线桨固定板2位于所述摆线桨1两端，用于固定所述摆线桨1；所述摆线桨旋转部件包括若干摆线桨1，所述摆线桨1等角度圆周固定在摆线桨固定板2上；所述传动轴3贯穿于所述摆线桨中心位置，将动力通过摆线桨固定板2传递给摆线桨1，使摆线桨1绕传动轴3旋转。

进一步的，所述操纵机构包括连接板12、倾斜器14、倾斜器连杆、摆线桨连杆、L型杆、舵机、舵机连杆和舵机的固定装置，所述传动轴3一端凸出摆线桨固定板2，所述连接板12固定在传动轴突出摆线桨固定板2一端的端部，将传动轴3与舵机的固定装置连接在一起；所述操纵机构包括若干舵机，所述舵机均通过舵机固定装置均匀分布在传动轴上，并且每个舵机都通过舵机连杆连接至倾斜器14上；所述倾斜器14通过倾斜器连杆与L型杆的配合运动控制摆线桨连杆的运动，从而控制每个摆线桨安装角度的变化。

更进一步的，所述的横流风扇机翼5包括可收缩的风扇翼前缘18、摆线桨1和摆线桨操纵机构，是飞行器前飞时产生升力的装置。

作为一种优选，所述的摆线桨旋转部件由八片摆线桨叶片组成；所述的八片摆线桨叶片呈圆周等角度圆周排列安放。

进一步的，所述的摆线桨操纵机构中设有三台相同的舵机提供操纵力，并由自动倾斜器14分别控制八片摆线桨叶片总距和周期变距操作。

本发明还提供采用双数风扇翼的倾转摆线风扇翼飞行器，所述飞行器上设置有四具上述可倾转摆线风扇翼装置，两两对称安装于飞行器的两侧，均为摆线桨结构在前横流风扇机翼在后的形式；当飞行器垂直飞行时，横流风扇机翼5倾转与地面接近垂直，叶片以摆线桨模式工作，飞行器产生方向朝上的升力；当飞行器水平飞行时，横流风扇机翼5倾转与地面平行，叶片以横流风扇模式工作，飞行器产生向前的推力。

以及本发明还提供倾转摆线风扇翼飞行器的控制方法，所述控制方法通过舵机控制倾斜器的姿态，再通过倾斜器带动几级连杆将其姿态的变化转化为摆线桨叶片的倾角变化，配合横流风扇机翼的倾转控制飞行器的飞行模式；

倾斜器在进行周期变距操纵时，叶片周期变距以摆线桨模式工作；改变周期变距操纵方向，可以调整摆线桨的气动力的大小和方向。

所述倾斜器在进行总距调整操纵而无周期变距时，所有叶片的角度都相同，此时以横流风扇模式工作；改变总距的大小，调整横流风扇叶片的角度，以调整气动力的大小或用来适应不同的飞行条件，使得能够保持较高的气动效率。

本发明有益效果在于：

1、倾转摆线风扇翼飞行器克服了常规风扇翼飞行器不能垂直起降和空中悬停的缺点，扩大了该类飞行器的使用范围。

2、该飞行器前飞时，风扇翼上横流风扇叶片角度可调，可改变气动力的大小或用来适应不同的飞行条件，使得能够保持较高的前飞气动效率。

3、风扇翼与摆线桨的有效结合，使得该飞行器具有较高的悬停和前飞效率，综合性能优异。

4、倾转四机翼的设计，克服了悬停与前飞之间的矛盾，有效地提升了悬停效率与前飞性能。并且在载荷能力以及航程航时方面都有较大提升。

在民用方面，本发明所述的倾转摆线风扇翼飞行器可用于航空摄影、地质勘探等空中作业，在军用方面，本发明所述的倾转摆线风扇翼飞行器可用于火力侦查、地面目标定位、潜艇搜寻等侦查类任务。本发明所述的倾转摆线风扇翼飞行器由于其兼顾直升机与固定翼飞行器特点，因此与传统无人机在任务执行能力上相比具有更大的优势。

附图说明

图1为摆线桨及摆线桨操纵机构整体结构示意图。

图2为倾转摆线风扇翼飞行器示意图。

图3为摆线桨操纵机构左侧视图。

图4为摆线桨操纵机构右侧视图。

图5为倾转摆线风扇翼飞行器悬停/垂直飞行状态示意图。

图6为倾转摆线风扇翼飞行器水平飞行状态示意图。

图7为倾转摆线风扇翼飞行器悬停/垂直飞行时机翼状态。

图8为倾转摆线风扇翼飞行器前飞时机翼的状态。

图9为倾转摆线风扇翼飞行器悬停/垂直飞行时机翼附近空气流动示意图。

图10为倾转摆线风扇翼飞行器前飞时机翼附近空气流动示意图。

图中，摆线桨1，摆线桨固定板2，传动轴3，机身4，横流风扇机翼5，摆线桨连杆6，L型杆7，倾斜器连杆8、舵机9，舵机固定板10，舵机11，连接板12，舵机13，倾斜器14，连杆15，舵机固定板16，叶片翼肋17，可收缩的风扇翼前缘18，垂尾19，方向舵20，风扇翼前缘收放机构齿轮21，风扇翼前缘收放机构齿条22。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

摆线桨是一种新型产生气动升力的装置，桨叶在绕摆线桨转轴公转的同时还绕铰链做俯仰振荡运动，通过周期改变旋转桨叶***中不同位置桨叶的迎角来提供升力，通过改变桨叶周期变距的相位角进而改变净矢量拉力方向，由于摆线桨的周期旋转带来的非定常流动特性，增大了桨叶的失速迎角，使得摆线桨具有效率高、噪声低、矢量推力变化快等特点。

实施例1

如图1至图4所示，本发明提供了一种可倾转摆线风扇翼装置，包括通过操纵机构连接的摆线桨1和横流风扇机翼5，所述的摆线风扇翼结构，其主要由摆线桨操纵机构，摆线桨旋转部件和横流风扇机翼5组成。结合横流风扇翼与摆线桨两者优点。

所述的摆线桨旋转部件，通过摆线桨固定板2将八片或多片相同的摆线桨1等角度圆周固定，由传动轴3将动力通过摆线桨固定板2传递给摆线桨1，使八片摆线桨1绕传动轴3旋转。

所述的摆线桨操纵机构，通过连接板12将传动轴3与舵机固定板10连接在一起，通过舵机固定板10与舵机固定板16将舵机9、舵机13和舵机11固定，舵机13通过舵机连杆15控制倾斜器14运动，倾斜器14的运动通过倾斜器连杆8与L型杆7的配合运动控制摆线桨连杆6的运动，从而控制摆线桨的迎角变化，舵机9和舵机11以相同的方式分别控制倾斜器14和摆线桨连杆的运动。所述的摆线桨操纵机构主要由三台相同的舵机9、舵机11和舵机13提供操纵力，并由倾斜器14控制八片摆线桨总距和周期变距操作。所述的摆线桨操纵机构结构简单，各机构间无卡滞，因此相对于其他已有的操纵机构来说，具有更高的操纵效率，响应快、重量轻的优点。

所述的横流风扇机翼5其主要作用是固定摆线桨1和摆线桨操纵机构，也是飞行器升力产生装置。

实施例2

基于上述可倾转摆线风扇翼装置，如图5至图8所示，本发明还提供了一种倾转摆线风扇翼飞行器，所述的可倾转摆线风扇翼装置，两两对称安装于飞行器的两侧，均为摆线桨结构在前横流风扇机翼在后的形式；当飞行器垂直飞行时，横流风扇机翼5倾转与地面接近垂直，叶片以摆线桨模式工作，飞行器所产生的升力方向朝上；当飞行器水平飞行时，横流风扇机翼5倾转与地面平行，叶片以横流风扇模式工作，飞行器所产生向前的推力。

所述控制方法通过舵机控制倾斜器的姿态，再通过倾斜器带动几级连杆将其姿态的变化转化为摆线浆叶片的倾角，配合横流风扇机翼的倾转控制飞行器的飞行模式；

倾斜器在进行周期变距操纵时，叶片周期变距以摆线桨模式工作；改变周期变距操纵方向，可以调整摆线桨的气动力的大小和方向。

所述倾斜器在进行总距调整操纵而无周期变距时，所有叶片的角度都相同，此时以横流风扇模式工作；改变总距的大小，可以调整横流风扇叶片的角度，以调整气动力的大小或用来适应不同的飞行条件，使得能够保持较高的气动效率。

所述的横流风扇机翼5能够倾转；横流风扇机翼前缘圆弧部分18能够收进机翼5内部，以降低飞行器悬停时对摆线桨的气动干扰。所述的倾转风扇翼飞行器能够实现空中悬停、垂直飞行与水平飞行。

其中，机翼倾转机构可采用专利CN105799934A专利中的方案。

实施例3

以及本发明还提供倾转摆线风扇翼飞行器的控制方法，所述控制方法通过舵机控制倾斜器的姿态，再通过倾斜器带动几级连杆将其姿态的变化转化为摆线桨叶片的倾角变化，配合横流风扇机翼的倾转控制飞行器的飞行模式；

倾斜器在进行周期变距操纵时，叶片周期变距以摆线桨模式工作；改变周期变距操纵方向，可以调整摆线桨的气动力的大小和方向。

所述倾斜器在进行总距调整操纵而无周期变距时，所有叶片的角度都相同，此时以横流风扇模式工作；改变总距的大小，调整横流风扇叶片的角度，以调整气动力的大小或用来适应不同的飞行条件，使得能够保持较高的气动效率。

图9为对飞行器实施控制时，倾转摆线风扇翼飞行器悬停/垂直飞行时机翼附近空气流动示意图；图10为倾转摆线风扇翼飞行器前飞时机翼附近空气流动示意图。

该倾转摆线风扇翼飞行器克服了常规风扇翼飞行器不能垂直起降和空中悬停的缺点，扩大了该类飞行器的使用范围。该飞行器前飞时，风扇翼上横流风扇叶片角度可调，可改变气动力的大小或用来适应不同的飞行条件，使得能够保持较高的前飞气动效率。风扇翼与摆线桨的有效结合，使得该飞行器具有较高的悬停和前飞效率，综合性能优异。倾转四机翼的设计，克服了悬停与前飞之间的矛盾，有效地提升了悬停效率与前飞性能。并且在载荷能力以及航程航时方面都有较大提升。

在民用方面，本发明所述的倾转摆线风扇翼飞行器可用于航空摄影、地质勘探等空中作业，在军用方面，本发明所述的倾转摆线风扇翼飞行器可用于火力侦查、地面目标定位、潜艇搜寻等侦查类任务。本发明所述的倾转摆线风扇翼飞行器由于其兼顾直升机与固定翼飞行器特点，因此与传统无人机在任务执行能力上相比具有更大的优势。

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，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种可倾转摆线风扇翼装置，其特征在于：包括横流风扇机翼（5）和摆线桨操纵机构，所述摆线桨操纵机构设置于所述横流风扇机翼（5）的前端，其一端固定于飞行器机身上，另一端与横流风扇机翼上的可收缩的风扇翼前缘相连；所述摆线桨操纵机构通过舵机、舵机连杆和倾斜器构成的操纵机构控制摆线桨（1）叶片的角度，从而控制飞行器悬停或者前飞；

摆线桨（1）的结构包括摆线桨旋转部件，所述摆线桨旋转部件包括摆线桨固定板（2）、摆线桨叶片、传动轴（3）；其中，所述摆线桨固定板（2）位于所述摆线桨叶片两端，用于固定所述摆线桨叶片；所述摆线桨旋转部件包括若干摆线桨叶片，所述摆线桨叶片等角度圆周固定在摆线桨固定板（2）上；所述传动轴（3）贯穿于所述摆线桨中心位置，将动力通过摆线桨固定板（2）传递给摆线桨叶片，使摆线桨叶片绕传动轴（3）旋转；

操纵机构包括连接板（12）、倾斜器（14）、倾斜器连杆、摆线桨连杆、L型杆、舵机、舵机连杆和舵机的固定装置，所述传动轴（3）一端凸出摆线桨固定板（2），所述连接板（12）固定在传动轴突出摆线桨固定板（2）一端的端部，将传动轴（3）与舵机的固定装置连接在一起；所述操纵机构包括若干舵机，所述舵机均通过舵机固定装置均匀分布在传动轴上，并且每个舵机都通过舵机连杆连接至倾斜器（14）上；所述倾斜器（14）通过倾斜器连杆与L型杆的配合运动控制摆线桨连杆的运动，从而控制每个摆线桨安装角度的变化；

所述的横流风扇机翼（5）包括可收放的风扇翼前缘（18）、摆线桨（1）和摆线桨操纵机构，是飞行器前飞时产生升力的装置，由伺服电机驱动两个齿轮（21）带动与其相啮合的风扇翼前缘（18）上的齿条（22）实现风扇翼前缘的收放操纵。

2.根据权利要求1所述的一种可倾转摆线风扇翼装置，其特征在于：所述的摆线桨旋转部件由八片摆线桨叶片组成；所述的八片摆线桨叶片呈圆周等角度圆周排列安放。

3.根据权利要求2所述的一种可倾转摆线风扇翼装置，其特征在于：所述的摆线桨操纵机构中设有三台相同的舵机提供操纵力，并由自动倾斜器（14）分别控制八片摆线桨叶片总距和周期变距操作。

4.倾转摆线风扇翼飞行器，其特征在于，所述飞行器上设置有四具如权利要求3所述的可倾转摆线风扇翼装置，两两对称安装于飞行器的两侧，均为摆线桨结构在前横流风扇机翼在后的形式；当飞行器垂直飞行时，横流风扇机翼（5）倾转与地面接近垂直，叶片以摆线桨模式工作，飞行器产生方向朝上的升力；当飞行器水平飞行时，横流风扇机翼（5）倾转与地面平行，叶片以横流风扇模式工作，飞行器产生向前的推力。

5.根据权利要求4所述的倾转摆线风扇翼飞行器的控制方法，其特征在于：所述控制方法通过舵机控制倾斜器的姿态，再通过倾斜器带动几级连杆将其姿态的变化转化为摆线桨叶片的倾角变化，配合横流风扇机翼的倾转控制飞行器的飞行模式；

倾斜器在进行周期变距操纵时，叶片周期变距以摆线桨模式工作；改变周期变距操纵方向，可以调整摆线桨的气动力的大小和方向。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于：所述倾斜器在进行总距调整操纵而无周期变距时，所有叶片的角度都相同，此时以横流风扇模式工作；改变总距的大小，调整横流风扇叶片的角度，以调整气动力的大小或用来适应不同的飞行条件，使得能够保持较高的气动效率。