一種滾轉翼垂直起降多棲飛行器的製作方法
2023-06-10 00:21:46 2
本發明涉及水陸空三棲交通工具領域，具體是一種滾轉翼垂直起降多棲飛行器。
背景技術：
當前世界飛行汽車概念設計種類較多，根據其產生升力的方式，飛行汽車的升力系統主要有固定機翼、自轉旋翼、驅轉旋翼、矢量發動機以及涵道風扇，其中以固定機翼或自轉旋翼為升力系統飛行汽車需要專門的跑道實現起飛和降落，不具有垂直起降能力，實用性較差(如美國麻薩諸塞州的terrafugia公司設計的第一代飛行汽車產品transition和歐洲的aeromobile)，因此沒用實用價值。以驅轉旋翼或涵道風扇作為升力系統飛行汽車具有垂直起降能力，國外也對垂直起降的飛行汽車研究很多年，設計出了多種可垂直起降的飛行汽車，如x-hawk雖然具有較好的垂直起降功能，並且與直升機相比具有更好的隱蔽性，但是其比直升機的耗油率高出50%，同時由於這臺飛行器過於笨重，速度與航程都不夠理想，而且其操縱穩定性存在問題，很難投入使用。由於國外現有的飛行汽車結構設計複雜、成本高、有效載荷和飛行性能都很低,作為飛行器,無法與通航飛機相比；作為汽車,又結構設計不實用,容易損壞，滿足不了汽車產品的法規。目前很多所謂的「飛行汽車」只能算是一種特殊的通用航空器（即可在地面跑的飛行器），不能稱之為真正的飛行汽車。
目前具備垂直起降功能的飛行汽車，無論是採用旋翼還是涵道風扇技術，要麼尺寸小，起飛重量小，基本不能負載，沒有使用價值；要麼起飛重量大，外形尺寸也大，超過了汽車的相關法規限制的2.5m車寬要求，需要作為特種裝備提供起飛場地，不能在普通公路上跑。而且都是採用位於機身左右兩側，使用吊掛在可以摺疊的車身兩側的2至4個或多個旋翼或涵道風扇作為起飛及飛行的動力，升力面與動力系統不在同一面，需要多個轉向傳動系統，且摺疊結構過於複雜、重量代價大，同時對垂直起飛降落的場地周邊環境和面積有較大的要求，嚴重影響其它正常運行的汽車，不適合在地面上作為汽車行駛或道路擁堵時使用。
技術實現要素：
本發明針對現有技術的不足，提供一種採用滾轉翼的飛車用的新型升力裝置，該裝置不同於現有旋翼、螺旋槳或風扇，它繞水平軸旋轉，可與車輪驅動軸共軸，這樣空中升力系統與地面車輪推動系統（或水面推進系統）便處於同一平臺，可以共用一套動力裝置和傳動系統，結構緊湊、重量輕，為飛車帶來更多有效載荷和經濟效益。本發明公開了一種滾轉翼垂直起降多棲飛行器，包括飛行器本體，以及連接在飛行器本體上的若干滾轉翼裝置，所述滾轉翼裝置內設置有槳葉、槳葉支架、變距連杆以及偏置機構，所述槳葉連接在槳葉支架上，所述槳葉支架上設有一中心軸，所述偏置機構連接在所述中心軸上，對所述偏置機構設置偏置量，使槳葉在不同旋轉位置均具有迎角，形成合力始終指向某一方向的旋轉狀態，最終提供飛行器相應的運動力。
所述滾轉翼裝置具體包括若干組槳葉、變距連杆、槳葉支架、偏置機構以及連杆軸線；所述槳葉與中心軸平行等距設置在支架軸周圍，在所述中心軸的一端，所述槳葉支架以中心軸為圓心連接在槳葉上；所述槳葉側面的一端為旋轉端，連接在槳葉支架上，另一端為控制端，通過槳葉鉸鏈連接至變距連杆上；所述變距連杆另一端連接在偏置機構上。
所述偏置機構的一端與中心軸固接，另一端設有滑槽，所述滑槽內設有連杆軸線，所述變距連杆連接在連杆軸線上，可移動的連接在滑槽內。
所述飛行器本體為汽車或者水路兩用車。
所述中心軸與車子的車輪軸同軸心，套裝在車輪軸外，帶動兩側滾轉翼裝置同時滾轉。
該飛行汽車內設有四個滾轉翼裝置，其中，前後各兩個滾轉翼裝置，每個滾轉翼裝置設置在車輪的內側。
所述槳葉支架和變距連杆均採用套管結構來改變其長度。
該飛行器設有可開關外殼，所述外殼的開啟位置覆蓋在滾轉翼裝置上、下方，在使用滾轉翼裝置時外殼打開。
所述滾轉翼裝置連接車輛的離合裝置，在需要飛行時，通過所述離合裝置，切換成驅動滾轉翼裝置的模式。
本發明的相對於現有技術的有益效果在於：
1、本發明提供一種帶有新的升力裝置和姿態控制方式的飛行器，所提供的滾轉翼裝置可以應用在汽車或者水路多用車上，使其成為一種三棲飛行器，該裝置不同於旋翼（或螺旋槳或風扇），它繞水平軸旋轉，可與車輪驅動軸共軸，這樣空中升力系統與地面車輪推動系統便處於同一平臺，可以共用一套動力裝置和傳動系統，結構緊湊、重量輕，為飛車帶來更多有效載荷和經濟效益。
2、改裝後的飛行器既有足夠的升力，實現垂直起降和前飛，如果是應用在普通汽車上，滾轉翼裝置在車輪內部，所以不會讓車寬尺寸超過道路安全法的相關規定。
3、本發明提供的滾轉翼升力裝置依靠偏心機構就可以實現二維全向矢量推力控制，滾轉翼轉動時，槳葉、變距軸線、變距連杆同步運動，當固定槳葉支架的位置，而操縱變距連杆上下運動，則槳葉可實現變迎角。變迎角後相對流體（空氣或水）而產生的作用力會改變。比現有飛行器其他升力系統用在飛車上會有更好的機動性能和操縱性能；由於滾轉翼所有升力葉素的轉速相同，且位於槳桶的最外圍（線速度最大），效率比旋翼的效率更高，因此以滾轉翼作為升力系統具有更高的氣動效率。
4、本發明提供的滾轉翼裝置裝備在飛車上，只佔用垂向高度和縱向長度尺寸，對道路安全法規嚴格限制的寬度不構成問題，而且滾轉翼縱垂向尺寸也可適合當前車輛內部安裝用，對於重型車輛還可以使用多套滾轉翼系統前後並列安放。
附圖說明
圖1為本發明滾轉翼裝置結構示意圖；
圖2為本發明滾轉翼裝置的局部結構示意圖；
圖3為槳葉旋轉原理圖；
圖4為滾轉翼裝置變直徑效果示意圖；
圖5為為滾轉翼裝置變直徑機構示意圖；
圖6為滾轉翼二維矢量推力控制示意圖；
圖7、圖8、圖9為飛行汽車三視圖及軸側測圖；
其中，1-飛行器；2-滾轉翼裝置；3-可開關外殼；4-車輪；5-槳葉；6-連杆軸線；7-槳葉支架；8-變距連杆；9-偏置機構；10-中心軸；11-變距連杆套筒；12-槳葉支架套筒。
具體實施方式
本發明提供一種滾轉翼垂直起降飛行器，為使本發明的目的，技術方案及效果更加清楚，明確，以及參照附圖並舉實例對本發明進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
本發明提供的滾轉翼垂直起降飛行器，包括飛行器本體，以及連接在飛行器本體上的若干滾轉翼裝置2，所述滾轉翼裝置2內設置有槳葉5、槳葉支架7、變距連杆8以及偏置機構9，所述槳葉5連接在槳葉支架7上，所述槳葉支架7上設有一中心軸10，所述偏置機構9連接在所述中心軸10上，對所述偏置機構9設置偏置量，使槳葉5在不同旋轉位置均具有迎角，形成始終向某一方向旋轉狀態，最終提供飛行器相應的運動推力。
具體的說，如圖1、圖2所示，滾轉翼裝置2具體包括若干組槳葉5、變距連杆8、槳葉支架7、偏置機構9以及連杆軸線6；所述槳葉5與中心軸10平行等距設置在支架7軸周圍，在所述中心軸10的一端，所述槳葉支架7以中心軸10為圓心連接槳葉5；所述槳葉5側面的一端為旋轉端，連接在槳葉支架7上，另一端為控制端，通過槳葉鉸鏈連接至變距連杆8上；所述變距連杆8另一端連接在偏置機構9上。
更進一步的，如圖3所示，所述偏置機構9的一端與中心軸10固接，另一端設有滑槽，所述滑槽內設有連杆軸線6，所述變距連杆8連接在連杆軸線6上，可移動的連接在滑槽內。所述中心軸10與車子的車輪4軸同軸心，套裝在車輪軸外，帶動兩側滾轉翼裝置同時滾轉。
其作動原理為：
當變距杆軸線6與槳葉支架軸線10重合時，滾轉翼在0°-360°轉動的各個位置迎角均一樣，產生的作用力相互抵消，合力為零。當變距杆軸線6往下偏轉後，由於變距連杆8總長度沒有操縱而保持不變，故滾轉翼某片槳葉在上半圓運動時受變距連杆8牽制（下拉）使其迎角正向變大，產生向上的流體作用力；而處在下半圓的槳葉片由於受變距連杆8牽制（下壓）使其迎角也正向變大，也產生向上的流體作用力；故合力為向上的作用力。
同理，當變距杆軸線6往左偏轉後，由於變距連杆8總長度沒有操縱而保持不變，故滾轉翼某片槳葉在上半圓運動和下半圓時受變距連杆8牽制的長度是一樣的，迎角鏡像相等，產生向上和向下的流體作用力相等，故上下合力為零；而處在左半圓和右半圓的槳葉片由於受變距連杆8牽制的長度不一樣，均會產生向右的流體作用力，故合力為向右的作用力。
故通過操縱偏置機構9，改變變距杆軸線6與槳葉支架軸線10相對位置，則可以進行作用力方向調節，且偏離越遠，作用力越大。作用力方向與6偏離10的方向相反。
所述槳葉支架和變距連杆均採用套筒結構來改變其長度，其具體的機構如圖4、圖5所示，當槳葉支架套筒12沿軸線向左運動時，小連杆作用於支架杆向外運動，使滾轉翼槳葉外擴，直徑變大；當槳葉支架套筒12沿軸線向右運動時，小連杆拉著支架杆向內運動，使滾轉翼槳葉內縮，直徑變小。變距連杆套筒11運動原理同槳葉支架套筒12一致。
變距連杆套筒11與槳葉支架套筒12套筒可以直線舵機或液壓、氣壓杆作動，也可以分檔級人為手動操縱。通過實現變直徑，滾轉翼可以在地面運轉時，通過操縱變成小直徑滾轉翼，體積明顯減小，小到小於車輪直徑，這樣就不會碰撞到地面。當在水中時，由於滾轉翼作為水輪用，而全車吃水線較低，故操縱調大滾轉翼直徑，讓最低處葉片能直接作用到水中；當需要離開水面，準備起飛時，滾轉翼不能作用於空氣產生升力的同時高速拍打水（會損壞葉片），故先停下不在水中前行，把滾轉翼直徑變小，收縮到吃水線以上，旋轉全部槳葉直接作用於空氣，產生升力而離開水面，進行空中飛行。在空中飛行時，滾轉翼變直徑也可以作為改變升力大小的一種方式，這樣可以應對不同起飛重量的飛行。
本發明提供的飛行器，其本體為可以是汽車或者水路兩用車，下面以汽車為例作為說明。
如圖7、圖8、圖9所示，該飛行汽車內設有四個滾轉翼裝置，其中，前後各兩個滾轉翼裝置，每個滾轉翼裝置設置在車輪的內側。
該飛行器設有可開關外殼3，所述外殼的開啟位置覆蓋在滾轉翼裝置上、下方，在使用滾轉翼裝置時外殼打開。
如果偏置機構9的偏置量是一定的，各槳葉5在不同位置的迎角則也是一定的，因此可以通過改變滾轉翼的轉速以改變產生的升力大小，或通過稍微的調節偏置機構9的位置也可以改變升力的大小，因此具有優異的機動性和操縱性。本發明中的滾轉翼裝置組成及各槳葉5在不同位置的迎角如圖1所示。假如飛行汽車重1噸，通過試驗和理論計算得出飛車總需要動力功率為250kw，每個滾轉翼裝置2要承擔250kg以上升力，選用直徑比車輪略小的滾轉翼：d=0.45m，槳葉每片長1m，寬0.1m，則轉速需2000～3000rpm即可滿足需要，如果車輪選大一些，每個滾轉翼直徑也可以加大，則轉速可以更低。
飛車選用1臺或2臺發動機（或電機、油電混合等其它動力裝置），滾轉翼與車輪通過同一套傳動系統與發動機連接，由離合器進行選擇接通驅動滾轉翼裝置2還是車輪。為簡化結構節省重量，4個滾轉翼轉速不變，通過改變滾轉翼偏置機構9進行槳葉迎角變化來操縱升力變化，從而調整飛車姿態。
基本型飛車（大型或重型車，可使用多套升力系統滾轉翼裝置）上在前後輪軸上各裝2個滾轉翼，即每個輪子對應1個滾轉翼裝置，在地面行駛時發動機（或電機、混合動力等動力系統）直接驅動車輪軸（滾轉翼軸不動）；需要飛行時，通過離合裝置，切換直接驅動中心軸10（車輪軸不動）。中心軸10與車輪軸共軸，即2個滾轉翼位於同軸2個車輪內側，在地面行駛時滾轉翼被車身殼包裹（此段車身殼設有開關，可進行封閉及開口通氣操作）。該飛行汽車設有可開關外殼3，所述外殼3的開啟位置覆蓋在滾轉翼裝置2上、下方，在使用滾轉翼裝置2時汽車外殼打3開，飛行時，滾轉翼上下車殼結構打開，可保證氣流上下通暢。地面為車時，與普通汽車工作原理一樣；空中飛行時，全部滾轉翼共同升力克服重力，兩兩相對繞軸反轉相互抵消反扭矩，前後組滾轉翼裝置升力差進行俯仰操縱，左右組升力差進行滾轉操縱，通過複合偏置機構調節實現滾轉翼升力方向偏差可實現航向操縱。如選用多套升力系統的滾轉翼，基本也是分為前後左右4組裝置進行控制。
本發明的滾轉翼飛行汽車1是滾轉翼與汽車的結合體，升力系統由車身前後布置的四套滾轉翼裝置2組成，以提供垂直起降及空中前飛或地面前進的動力。在飛行模式，滾轉翼提供的二維矢量推力一方面克服重力，另一方面克服前飛的阻力及實現飛行姿態的控制，以實現一定速度的前飛；在地面模式，可以通過兩種方式實現汽車的前進，可以通過調節偏置機構9的位置，使得二維矢量力以汽車前進方向為主，從而實現汽車地面模式的前進，也可以通過發動機及或電動機驅動車輪前進的常規方式。調節滾轉翼的轉速可以實現各個滾轉翼槳葉升力的變化，而通過調節偏置機構9的位置可以實現滾轉翼推力及升力矢量方向的控制，從而實現車身的操縱。
該飛行汽車的可以更加靈活的實現車身的俯仰、滾轉及偏航運動。飛行汽車四組前後左右布置的滾轉翼為飛行汽車提供了靈活的控制方式，滾轉翼主要結構如圖1所示，每組滾轉翼裝置2不僅可以改變自身升力大小，還可以改變力的方向。如圖2所示，在轉速恆定時，推力隨偏置機構控制點位置的改變而改變，而控制點的位置由控制點的方位角和控制點與旋轉軸之間的偏移量來確定，控制點與旋轉軸之間的距離決定了推力大小，控制點的方位角決定推力的方向。