自平衡扭矩多倍增升力直升機旋翼動力結構的製作方法

2023-07-21 14:13:46 2

技術領域：

本發明(自平衡扭矩多倍增升力直升機旋翼動力結構)是一種高效提升直升機升力的動力結構，屬於直升機技術領域。

背景技術：
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目前直升機分為載人機和無人機。

直升載人機通常使用單旋翼由旋翼中心軸驅動，驅動時會產生反扭矩，為了平衡反扭矩一般設置尾槳。尾槳對直升機的安全影響很大(尾槳因為意外故障或碰撞失去動力時直升機將會在反扭矩的驅動下高速自轉而產生極大危險)。目前單旋翼載人直升機有技術複雜，油耗高，安全性不佳的弱點。

直升無人機通常採用多個(4，6，8或更多)無刷電機驅動螺旋槳(垂直方向安裝)產生升力，需要機動時通過增減某個(或某幾個)螺旋槳的升力而實現。因為螺旋槳數量通常為偶數且大於或等於四個，所以可以通過設定螺旋槳旋轉的方向使螺旋槳產生的反扭矩相互抵消。直升無人機因為簡單，經濟，方便，高效等多種原因使使用範圍越來越廣泛。但是受制於目前電機功率和電池容量以及放電能力的制約，使其起飛重量(帶載能力)和留空時間皆不如人意。目前通常的直升無人機起飛重量在1-20公斤力範圍，自重5公斤以下無人機留空時間通常在30分鐘左右，自重5公斤以上無人機留空時間通常在10分鐘左右。

本發明通過不同於現有方案的全新的結構和方式使螺旋槳總的拉力轉換為升力並提高多倍(理論值可以提高10倍左右)。這就使得在相同的電機功率和電池容量條件下，要嗎起飛重量增加多倍，要嗎留空時間大大延長(同樣的起飛重量下螺旋槳拉力可以減小，供電電壓和電流都會下降很多，所以同樣容量的電池可以用得更久)。

技術實現要素：
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本發明將兩個(或多個)螺旋槳水平對稱置於旋翼的兩端，旋翼的幾何中心安裝軸承用於掛載機體(如說明書附圖1)。螺旋槳旋轉產生水平方向沿旋翼旋轉切線的拉(推)力使旋翼繞旋翼的幾何中心旋轉，旋翼旋轉產生垂直方向的升力，升力通過軸承作用於機體使其上升。因為旋翼升阻比的關係，理論上螺旋槳水平方向拉力(用於抵消旋翼旋轉產生的空氣動力阻力)轉換為旋翼的升力時可以放大到10倍左右。這使得在同樣的電機功率和電池容量條件下大大的增加直升機的起飛重量或留空時間。由於兩個螺旋槳對稱置於旋翼的兩端並相對旋轉(比如按需要順時針或反時針旋轉，如說明書附圖2)，使電機旋轉產生的扭矩相互抵消，所以整個直升機雖然是單旋翼也無需尾槳來平衡。只要連接旋翼和機體的軸承摩擦力足夠小，機體的旋轉扭矩可以忽略不計。直升機升降動作可以通過增減螺旋槳拉力(調節電機轉速)致旋翼升力變化來實現。直升機的水平轉向平飛等機動可以通過機體上安裝可變角度翼片來改變旋翼的部分下洗氣流的方向而獲得的反作用力來實現(說明書附圖3)。也可以在機體上水平安裝一個或多個螺旋槳和方向舵(說明書附圖4)來驅動整個直升機的水平機動。還可以通過設置4個(或更多)旋翼，通過改變某幾個旋翼的升力來使直升機機動(說明書附圖5)。也可以設置鉸鏈結構傾斜旋翼(通用載人直升機的機動結構)來實現，以及其他方式等等。

電池和電機控制系統(如電調，遙控接收機等)可以安裝在旋翼內的適當位置。最佳的方式是把電機，電調，電池，遙控接收機等動力控制系統做成一個整體，並把外形做成流線型(如說明書附圖6)。這樣可以使整個結構簡潔，安裝簡便。而且因為電池離電機距離很短，可以節省出導電銅線(或其他導電材質)的重量，還降低了導體上因電阻浪費的電能，延長了留空時間。

本裝置旋翼上的動力來源不局限於電池電動機，也可以使用微型內燃機帶動螺旋槳，還可以使用微型化的渦輪風扇發動機或渦輪發動機或者反衝火箭發動機等等。

附圖說明：

說明書附圖1：本發明的一種代表性的動力結構布局簡圖，兩個螺旋槳水平對稱置於旋翼的兩端，旋翼的幾何中心安裝軸承掛載機體。

說明書附圖2：兩個螺旋槳對稱置於旋翼的兩端並相對旋轉(理想狀態的相同的螺旋槳，並相同的旋轉速度)，電機旋轉產生的扭矩相互抵消

說明書附圖3：通過機體上安裝可變角度翼片來改變旋翼的部分下洗氣流的方向而獲得的反作用力來實現直升機的水平機動示意圖。

說明書附圖4：本發明的一種代表性的動力結構布局圖，兩個螺旋槳水平對稱置於旋翼的兩端，旋翼的幾何中心安裝軸承掛載機體，機體上水平安裝一個螺旋槳和一個方向舵來驅動整個直升機的水平機動。

說明書附圖5：設置4個旋翼，通過改變某兩個旋翼的升力使整個翼平面變化來使直升機機動示意圖。

說明書附圖6：一種動力總成結構示意圖。將電池，電機和電機控制系統(電調，遙控接收機)安裝在一個流線型的金屬罩(使用鎂鋁合金製作以減輕重量)內，電機軸在金屬罩的前端伸出，在電機軸上安裝螺旋槳。

說明書附圖7：具體實施方式的結構布局示意圖。兩個動力總成對稱(以旋翼中心點為參考點)安裝在旋翼的外端。電機軸和旋翼旋轉的面處於同一個平面，並位於旋轉的圓周的切線方向，機體通過一個滾珠軸承連接到旋翼中心，機體前方裝配一個電機和螺旋槳，機體後方裝配一個可變角度薄片作為整個機體的方向舵。

說明書附圖8：用於驗證螺旋槳水平拉力轉換為旋翼垂直方向升力是否具有放大作用的實驗樣機，圖中兩個電機為新西達2212(2700kv)無刷電機，配5045碳纖維槳，3s(40c)動力電池，旋翼用0.3mm厚pvc透明膜覆蓋在鋁製骨架上，上表面為固定翼飛機翼面，下表面未處置，旋翼迎角(攻角)大約15度，人為固定旋翼用彈簧秤測量兩個螺旋槳最大拉力(遙控器油門100％)約為1500克力，放開旋翼，樣機放置在臺秤上用於測量旋翼產生的升力，實測最大升力約為4800克力(100％油門)，升力提升約3.2倍。(手工製作的旋翼有些震動，試車時用幾本書壓住樣機的底板，這時樣機的自重約為6000克力。

具體實施方式：

1.先將電池，電機和電機控制系統(電調，遙控接收機)安裝在一個流線型的金屬罩(使用鎂鋁合金製作以減輕重量)內，電機軸在金屬罩的前端伸出，在電機軸上安裝螺旋槳。我們把這個結構件稱為「動力總成」。

2.製作一個旋翼(兩個翼片)，翼型的升阻比選用儘量大的，翼的迎角處於最有利升阻比的角度。翼的表面積也要大，在同樣的升力條件下以便於降低旋翼的轉速，使動力總成在旋翼旋轉時受到的離心力儘量小，這樣可以使動力總成的各結構件受到的不平衡應力比較小，提高結構的使用壽命。

3.將兩個動力總成對稱(以旋翼中心點為參考點)安裝在旋翼的兩端(儘量靠近外端以獲得最大的動力力矩)。電機軸和旋翼旋轉的面處於同一個平面，並位於旋轉的圓周的切線方向以獲得最大的動力驅動力矩。

4.機體通過一個滾珠軸承連接到旋翼中心。

5.機體前方裝配一個電機和螺旋槳，並連接上遙控裝置和電池，電調。機體後方裝配一個可變角度薄片作為整個機體的方向舵。

完成上述安裝步驟後即可進行飛行。先使用遙控器接通翼端動力總成的電力，螺旋槳旋轉產生拉力使旋翼旋轉，旋翼旋轉產生升力，升力大於整體重量時直升機即可飛上天空，增減動力總成中電機的供電電壓即可增減旋翼的升力，使直升機上升或下降；機體上的螺旋槳和方向舵用於直升機的平飛和轉向機動，如(說明書附圖7)所示。