专利名称：风轮式单旋翼直升飞机的制作方法
风轮式单旋翼直升飞机
所属技术领域-
本发明属于航空工业中的直升飞机技术领域，涉及一种由风轮取代尾梁加尾 桨的单旋翼直升飞机。
背景技术：
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目前公知的单旋翼直升飞机主要由机身、发动机、主旋翼、尾梁和尾桨组成。 当发动机带动主旋翼旋转产生的升力大于直升机总重时，直升机就会飞离地面， 而当主旋翼盘向前倾斜时，直升机就向前飞行。但主旋翼旋转时产生的水平分力 在推空气时，空气对主旋翼的反作用力会使机身不停地朝主旋翼运动的反方向旋 转，导致飞行员无法控制机身和飞行方向，为此，通常在机身尾部加设长尾梁， 并在尾梁末端装设尾桨产生水平扭矩来平衡机身自转的扭矩。
近年来也有一种公告的"圆形直升飞机"(专利申请号200510O18333.8) 是通过将机身做成半球形，然后在机身下圆环上安装若干个向同一圆周方向喷射 压缩空气产生力矩来平衡机身自转，这的确是一种新型直升飞机。象汽车一样， 同属汽车，但可以有各种各样的汽车来满足社会和经济各方面的需求。同样，直 升飞机也可以多种多样，本发明就是为直升飞机系列再增加一种新型式的直升飞 机
发明内容
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本发明提供了一种无尾桨、结构紧凑的单旋翼直升飞机，该直升飞机同样能 在空中自由地上下左右飞行和旋停，驾驶方便，乘坐舒适，飞行较安全。
本发明采取的技术方案是机身做成半球形或长面包形，机身底板中心位置 安装由液压泵和液压马达组成的液压传达系统来驱动风轮转动，当直升飞机主旋 翼旋转产生机身自转时，此风轮逆主旋翼旋转，则风轮就会产生水平扭距来平衡 主旋翼的扭矩，从而控制机身平衡不转，保持飞行方向，或使之有少量的正负扭 矩差来控制机身的向左转或向右转。
风轮直径比主旋翼小很多，为什么能平衡主旋翼的水平扭矩呢？原因如下
1、 主旋翼工作状态下，其总功率的90%是用于产生升力来提升机身，而产生使 机身自旋的水平扭矩所消耗的功率只占发动机总功率的6 12% 。
2、 风轮叶曲面与其运动方向的夹角一般是60 90度，而传统直升机的主旋翼面 与其运动方向的夹角是6 12度，同等直径下空气对其产生的反作用力较大。
3、 风轮叶数可以是主旋翼桨叶的3 4倍。
4、 风轮叶面高度可以根据需要加大。
5、 风轮的转速可以是主旋翼的几倍。
在直升飞机飞行的各种工况中其水平扭矩是不断变化的，本发明直升飞机通 过液压马达来带动风轮转，因此控制液压马达的压力流量，就可以控制液压马达 的转速，从而控制风轮产生的水平扭矩大小，当风轮扭矩与主旋翼的水平扭矩相 等时，直升机机身就在空中不旋转。当控制二者扭矩有一些偏差，驾驶员就可以 根据需要控制直升机机身向左转或向右转。
本发明直升机的风轮旋转除平衡机身自转外，在圆环形油箱和机身底板的共 同阻挡下还会产生一股向下的气流，这股气流在飞行中对机身有向上托举的作用，即对直升机产生一些升力，尤其在直升机的起飞和降落时，依靠地面的地效 作用，产生的这种托举力更大，这显然有利直升机的起飞和降落，也提高了效率。
直升机的飞行工况不是一成不变的,巡航飞行时需快速向前飞行，长尾梁对 稳定飞行的确有好处，但直升机也有很多工况下是需要慢飞(例如航空测量和摄 影)、上升、下降和悬停。在这些工况下，长尾梁和尾桨并不一定好，尤其每当 工况突然转变时，长尾梁会使机身摇晃不稳。而本发明直升机在这些工况时的优 点便显示出来，因机身圆形，与主旋翼盘同心，无论主桨叶运动在什么位置，主 桨叶对机身的作用都是对称的，因此机身的振动和摇摆相对现有直升机要小。
另外，对现有直升机，因驾驶员始终看不见尾梁和尾桨，不易控制尾桨与周 围物体的距离，容易与其他物体发生碰撞而不太安全。而本发明直升机的风轮虽 然也属高速运动部件，但因它就在圆形机身地板的正中下方，驾驶员看得见机身 下方的情况，所以容易控制风轮与周围物体的距离，再说风轮被圆环形油箱所包 围，侧向的危险只有主旋翼，风轮无侧向危险，它只有竖向危险，但有起落架保 护，且在驾驶员的可见范围内，因此相对较安全。
本发明直升机因无长尾梁和尾桨，各种工况变化时相对更易控制和平稳，所 以易学易操纵，乘坐会相对舒适。现在国内外的大城市，小汽车太多，交通拥挤， 经常堵车，本发明直升机若效仿小轿车功能，做成坐4 5人，以短途飞行为主， 尤其适合作为大都市人的代步工具，即"空中小轿车"。相对小汽车，本发明直 升机可以避免走曲折的城市道路和桥梁、避开红绿灯、免去塞车堵车之苦、直接 从空中由一个城区飞到另一个城区，空中还可俯视城市全貌，心旷情怡，方便快 捷，因此适合做"商务直升机"和"私家直升机"。
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下面结合附图和实施例对本发明予以进一步说明
图1是四座风轮式直升飞机结构纵剖面图
图2是四座风轮式直升飞机结构平面图
图3是四座风轮式直升飞机外形侧视图
图4是四座风轮式直升飞机机身仰视图
图5是四座风轮式直升飞机外形前视图
图6是四座风轮式直升飞机外形俯视图
图7是风轮结构剖面图
图8是风轮仰视图
图9是油箱结构剖面图
图10是油箱俯视图
图11是五座风轮式直升飞机外形前视图
图12是五座风轮式直升飞机外形侧视图
图13是五座风轮式直升飞机结构平面图
图14是风轮式直升飞机事故降落安全措施图
图15是风轮式直升飞机事故降落时机身仰视图
图16是双风轮式直升飞机结构纵剖面图
图17是双风轮式直升飞机局部传动结构剖面放大图
图18是双风轮式直升飞机外风轮结构剖面图
图19是双风轮式直升飞机外风轮俯视图
图20是四座反装风轮的直升飞机结构纵剖面中
1、主旋翼2、自动倾斜器3、机身4、仪器仪表盘5、救生气囊 6、 操纵杆系 7、机身底板 8、油箱 9、风轮 10、柱式起落架 11、润滑油箱 12、螺帽、13、风轮轴 14、风轮壳盖板15、液压马达 16、液压油管 17、液压泵 18、发动机 19、救生环气垫 20、设备舱 21、皮带和轮22、离合器 23、行李舱24、座椅25、减速器 26、齿轮 27、主轴28、中心腔架29、降落伞盒30、旋翼盘根31、舱门32、双杠 式起落架 33、传动轴 34、踏板 35、环形槽 36、座舱 37、圆环板 38、风轮壳39、风轮叶40、活动托盖41、加劲肋42、中心孔43、油箱 顶板44、油箱底版45、油箱外侧板46、油箱内侧板47、隔油板48、半 圆键49、降落伞50、外风轮壳51、外风轮叶52、止推轴承53、滚动轴 承 54、卡环55、铜导瓦56、内风轮壳57、内风轮叶58、外风轮筒轴 59、盘齿轮60、螺孔61、加强环62、凸橼 63、观地窗 64、进气口 65、挡雨罩66、进气道
具体实施方案-
在图1、图2中，机身(3)内设有中心腔架(28)，而座舱(36)内的座椅(24)、 设备舱(20)、行李舱(23)环绕中心腔架(28)布置。圆环形油箱(8)安放在 机身底板(7)正下方，而风轮(9)又安放在油箱(8)的里面。机身底板(7) 中心的正上方安装液压马达(15)其输出轴即是风轮轴(13)，此轴穿过机身底 板(7)后与风轮(9)相连。
当发动机(18)启动后，其动力向二条路径传递,其一通过传动皮带和轮(21)、 离合器(22)、减速器(25)、齿轮(26)、主轴(27)、自动倾斜器(2)和旋翼 盘根(30)带动主旋翼(1)旋转，产生升力提起机身(3)离开地面。其二发动 机(18)通过离合器(22)带动液压泵(17)产生液压油，这些液压油经液压油 管(16)进入液压马达(15)，液压马达(15)的输出轴即风轮轴(13)带动风 轮(9)向主旋翼(1)的反方向旋转。当风轮(9)旋转产生的扭矩与主旋翼 (1)旋转产生的扭矩相等时，机身(3)就在空中不转。
驾驶员通过操纵杆系(6)控制自动倾斜器(2)的倾斜方向来控制直升机 前后左右的飞行。仪器仪表盘(4)安放在机身(3 )的正前方，每个座椅(24) 的前下方装有救生气囊(5)，机身(3 )二侧类似小汽车各安装二扇舱门(31)， 设备舱(20)处也安装一扇舱门(31)。
降落伞盒(29)安放在旋翼盘根(30)正上方。
在图3、图4、图5和图6中，表示了本发明直升机的侧视、仰视、前视和 俯视的外形。从仰视图中可看出，3个柱式起落架(10)安装在机身底版(7) 下方并紧靠油箱内侧板(46)。
在图7、图8中，表示了本发明的关键部件——风轮的构造。沿风轮壳(38) 外围下方垂直安装一些风轮叶(39)，其下端都与圆环板(37)相连成一体。风 轮壳(38)中心向下凹形成一凹坑，此凹坑外侧面对风轮叶(39)起引风的作用。 凹坑上方有一风轮壳盖板(14)与风轮壳(38)用螺钉连接成中心刚体。风轮轴 (13)从风轮壳盖板(14)和风轮壳(38)的中心孔穿过，并用螺帽(12)将风 轮(9)紧固在风轮轴(13)上。在图9、图IO中表示了油箱(8)的基本构造。在圆环形油箱底版(44)和 油箱顶板(43)之间加设垂直的油箱外侧板(45)和油箱内侧板(46)组成，油 箱后面有二块隔油板(47)将油箱分成二个油箱，大的是燃油箱，小的是润滑 油箱外侧板(45)下外边再设有环形槽(35)，其内安放救生环气垫(19)，并用 活动托盖(40)封槽口，环形槽(35)上面即作踏板(34)用。
在图ll、图12中表示了五座风轮式直升飞机的前视和侧视的外形，图中起 落架采用双杠式起落架。
在图13中表示了五座风轮式直升飞机中平面座位安排和设备舱内的设备布 置及舱门的位置。因机舱内五座连通，所以比四座风轮式直升飞机的舱门(31) 可少开二扇。
在图14、图15中，表示了风轮式直升飞机在事故降落时的情景。当发动机 (18)故障停机时，直升机进入自旋迫降状态，为了使机身(3)不歪斜，减缓 直升机下降速度，可无线电控制降落伞盒(29)打开，使气动降落伞上弹，机身 (3)仍然快速下降，因此降落伞(49)不会被主旋翼(1)缠绕而张开。驾驶员 再控制一台随自旋主轴(27)而运转的充气机向救生环气垫(19)充气，使其充 成象救生圈状，且充大到救生环气垫(19)的下边比起落架还低300豪米以上即 可停止充气。当直升机降落至离地哟IOO米左右时，驾驶员再开启救生气囊(5)， 将全体乘员柔软地压靠在座椅(24)上。座椅(24)下的支柱内装有弹簧缓冲， 在直升机触地的一刹那间，首先是，救生环气垫(19)先触地，可避免柱式起落 架(10)、油箱(8)和风轮(9)先触地，也避免油箱(8)起火。加之有降落伞 (49)上拉，机身(3 )不会太歪斜，因此高速自旋的主旋翼(1)不会触地。通 过以上几项安全设施的共同作用，本发明直升机是可将事故对人体和直升机的伤 害减至最小。
在图16、图17中描述了另一种双风轮式直升飞机的结构。 前一种是采用液压传达技术来驱动风轮的，而这一种技术方案是将一个风轮 改为内风轮和外风轮二个风轮共同承担平衡主旋翼(1)的水平扭矩的。设定内 风轮承担约90%且基本不变的水平扭矩，因内风轮直径较小，又要求产生很大 的水平扭矩，因此内风轮必须高速旋转，故发动机U8)不必减速或少减速就通 过皮带传动(21)、离合器(22)、齿轮(26)和风轮轴(13)直接带动内风轮旋 转。
而承担变量6—12%平衡主旋翼水平扭矩的外风轮则是通过另一条传动路 径，发动机(18)经离合器(22)、液压泵(17)、液压马达(15)、盘齿轮(59) 和外风轮筒轴(58)带动外风轮转动，通过改变液压马达(15)的转速就可改变 外风轮的扭距大小。这样，内外二个风轮共同作用，就可有效地平衡变化的主旋 翼(1)的水平扭矩，从而达到控制机身(3)不会乱转的目的。
由于内外风轮同轴线，但转速不一样，因此将外风轮筒轴(58)套装内风轮 轴(13),其间用铜导瓦(55)和滚珠轴承(53)定位与减少相互摩擦。内外风 轮的重量分别用二个止推轴承(52)来承担，并相应配置了二个卡环(54)帮助 传力。
其他部位和部件则与第一方案完全相同，为了减轻重量，内外风轮均用复合材料制造。
在图18、图19中描述了外风轮的结构。在外风轮凸橼(62)的中心开有中 心孔(42)和同心的滚珠轴承(53)安装位，凸橼(62)的上端面还钻开几个与 外风轮筒轴(58)相连的螺孔(60)。外风轮壳(50)上凸橼(62)与加强环(61) 之间设几条加劲肋(41)增加外风轮壳(50)的强度和刚度。再在靠外风轮壳(50) 外橼均布若干片外风轮叶(51)，并在它们的下方用圆环板(37)相连成整体的 外风轮。
在图20中描述了第二种单风轮式单旋翼直升飞机的结构。其特点是将风轮 (9)上下翻过来，使风轮的进风改从中心框架(28)和设备舱(20)中来，这 样当直升机在野外起飞和降落时就可避免地上的杂物吸入风轮(9)中心而损坏 风轮。为此，在机身(3)的顶部加设进气道(66)和挡雨罩(65)，同时在机身 底板(7)中心的液压马达(15)四周开口作为风轮(9)的进气口 (64)。
本说明仅用小型直升机(4 5座)来说明其工作原理，但本发明也可做大、 中型直升飞机，不仅可做客机，也可做成货机。
需要说明的是对于所属领域的普通技术人员来说，在不违背发明原理的前 提下，对本发明直升机还可以作出若干改进和变形，但这仍然属于本发明的保护 范围。
权利要求
1、 一种风轮式单旋翼直升飞机，它主要是由机身(3)、发动机(18)、主旋翼(1)、风轮(9)油箱(8)、和柱式起落架(10)组成。其特征是机身呈半球型或面包型，在机身地板(7)中心安装有液压泵(17)驱动的液压马达(15)，它又带动安装在主轴(27)正下方并与其同垂直轴线的风轮(9)。
2、 根据权利要求1所述的风轮式单旋翼直升飞机，其特征是安装在设备舱中 的发动机(18)通过离合器(22)连接液压泵(17)，液压泵(17)再由液压油 管(16)连接液压马达(15)，其输出轴即风轮轴(13)穿过机身底版(7)连接 风轮(9)。
3、 根据权利要求l、 2所述的风轮式单旋翼直升飞机，其特征是风轮结构是圆 形的风轮壳(38)中心下凹成倒锥台状，靠外圆径向均布若干片风轮叶(39)， 这些风轮叶(39)的下边都与圆形板(37)连接，风轮壳(38)中心与风轮壳盖 板(14)通过螺钉联接成风轮(9)的中心刚体。
4、 根据权利要求1所述的风轮式单旋翼直升飞机，其特征是安装在机身地板 (7)下方的油箱结构是在圆环形油箱底版(44)和油箱顶板(43)之间加设垂直圆柱面的油箱外侧板(45)和油箱内侧板(46)组成，油箱后面有二块隔油板 (47)将油箱(8)分成二个油箱，大的是燃油箱，小的是润滑油箱，油箱外侧 板(45)下圆外边再设有环形槽(35)，其内安放救生环气垫(19)，其下有活动 托盖(40)封口，环形槽(35)上面即作踏板(34)用。
5、 根据权利要求1、 3所述的风轮式单旋翼直升飞机，其特征是将风轮(9)分 成内风轮和外风轮，内风轮的结构与风轮(9) 一样，外风轮是在圆形的外风轮 壳(50)上面中心设凸橼(62)，其中心开有中心孔(42)和滚动轴承(53)的 安装位，凸橼(62)和加强环之间设几根加劲肋(41),靠外风轮壳(50)外围 均布若干片外风轮叶(51)，其下方用圆形板(37)连成整体。
6、 根据权利要求I所述的风轮式单旋翼直升飞机，其特征是风轮(9)反装在 液压马达(15)下方的风轮轴(13)上，相应机身(3)上部开设挡雨罩(65) 和进气道(66)，同时在机身地板(7)中心处围绕液压马达(15)四周开进气口(64)供气流进入风轮(9)。
全文摘要
本发明公开了一种由机身、发动机、主旋翼、风轮、液压传动系统、油箱和起落架组成的风轮式单旋翼直升飞机。其特点是通过发动机带液压马达或无极变速器再带动风轮逆主旋翼方向旋转来产生水平扭矩去平衡机身的自转，因此无传统直升机的长尾梁和尾桨。而当发动机故障时，除采用传统的主旋翼自旋降落外，还配有降落伞、救生气囊和救生环气垫等安全设施，这些措施共同作用就能将事故对人体和直升机的伤害减至最小。本发明为人们提供了一种结构紧凑、飞行自如、乘坐舒适、易学易驾驶、外形美观和相对更安全的直升飞机。可做大、中、小型直升机，当做成小型机坐4～5人时，作为一种代步工具，其功能可定位于“空中小轿车”。
文档编号B64C27/06GK101284569SQ200710051850
公开日2008年10月15日 申请日期2007年4月12日 优先权日2007年4月12日
发明者劲 刘, 刘世英, 刘宇亮 申请人:刘世英;刘 劲;刘宇亮