一种共轴摆线桨飞行器的制作方法

本发明属于无人机结构设计技术领域，具体涉及一种共轴摆线桨飞行器。

背景技术：

摆线桨的研究可以说已经有很长时间了，国内外的相关研究人员更是执着于将其应用于未来飞行器的动力装置之上，但由于摆线桨叶片在旋转的时候产生的气动力是一个复杂的非定常过程，所以使得国内外的研究人员一直以来都没有成熟的分析方法，整个研究始终处于探索阶段。但是摆线桨具有可按需要产生360度的全矢量推力、摆线桨比常规螺旋桨和涡轮发动机有更高的推力水平、摆线桨有很多种安装方法可以替代常规飞机平尾、方向舵和升降舵的作用以及摆线桨的推力垂直于螺旋桨转动轴线，当改变推力矢量的方向时摆线桨飞机物理位置不会改变等优点使得国内的研究人员依然沉迷于其研究之上。

近来在摆线桨应用于飞行器上取得了一定的研究成果，研究人员发现单纯的采用摆线桨所产生的气动力使得飞行器控制相对复杂而且飞行也不稳定，但是将摆线桨结构与螺旋桨相结合作为飞行器的动力装置，其结果是可控而且可行的。例如西工大研制的风火轮滚翼机是世界上第一架成功飞起来并稳定可控的滚翼机，该飞行器就是采用的螺旋桨与摆线桨相结合的方式来弥补单纯的采用摆线桨的不足，风火轮滚翼机的成果可以说为以后国内外相关人员的研究提供了一个不错的方案。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种结构简单、可靠性高、可实现性以及实用价值高的新型共轴摆线桨飞行器。

为达到上述目的，本发明所采取的技术方案为：

一种共轴摆线桨飞行器，包括机身、舵面系统、动力装置、能源系统、控制系统；所述的机身为由横向框架以及八个半圆形纵向框架组成的球形框架，纵向框架之间的夹角为45°；所述的舵面系统位于机身内部偏上，包括展向与摆线浆转轴垂直的1号舵面和展向与摆线浆转轴平行的2号舵面两组共四片舵面；所述的动力装置由两个摆线桨和一个螺旋桨组成，摆线桨位于横向框架内部，两个摆线桨共轴安放，螺旋桨位于舵面系统中间位置；所述的能源系统位于机身内部底端；所述的控制系统由子控制系统A和子控制系统B组成，位于横向框架内部成对称分布，子控制系统A控制相邻的一个摆线桨转速大小，同时还控制1号舵面的迎角大小，子控制系统B控制相邻的一个摆线桨和螺旋桨的转速大小，同时还控制2号舵面的迎角大小。

所述的纵向框架以及横向框架采用碳纤维复合材料。

所述的螺旋桨由三叶桨以及螺旋桨发动机构成，三叶桨安装在螺旋桨发动机前端；子控制系统B控制螺旋桨发动机，螺旋桨发动机带动三叶桨进行转动。

所述的摆线桨包括控制杆、偏心轮、叶片、驱动轴、叶片驱动杆，驱动轴与叶片驱动杆连接，叶片驱动杆与叶片连接，驱动轴还与偏心轮连接，偏心轮与控制杆连接，驱动轴带动叶片驱动杆，叶片驱动杆带动叶片进行相应的旋转运动，同时驱动轴带动偏心轮运动，偏心轮带动控制杆运动，控制杆带动叶片，进而改变所述叶片的迎角值；飞行器进行垂直起降，子控制系统A和子控制系统B分别控制相应摆线桨驱动轴进行不同方向的同速转动，进而使机身受到的附加转矩平衡；飞行器进行水平飞行，子控制系统A和子控制系统B分别控制相应摆线桨驱动轴进行不同方向的差速转动。

所述的能源系统为氢燃料电池。

所述的舵面系统还包括舵机、舵面转轴、固定支架，固定支架与纵向框架固定连接，舵机位于固定支架内部，舵面转轴由舵机带动进行旋转运动；飞行器进行垂直起降，子控制系统A控制舵机，舵机控制舵面旋转轴，舵面旋转轴带动号舵面偏转以调节适当迎角。

飞行器进行垂直起降，子控制系统B控制螺旋桨进行转动，同时子控制系统A控制1号舵面偏转以调节适当迎角，使1号舵面产生气动力平衡螺旋桨转动所产生的附加扭矩，另外子控制系统A和子控制系统B分别控制相应摆线桨进行不同方向的同速转动，保持飞行器进行垂直升降。

飞行器进行水平飞行，子控制系统A和子控制系统B分别控制相应摆线桨进行不同方向的差速转动，飞行器受到一个扭矩的作用使飞行器具有翻转的趋向，若向前飞行，则子控制系统A和子控制系统B控制相应摆线桨的转速大小，使飞行器慢慢低头令机身轴线与地平面呈锐角，同时子控制系统B控制螺旋桨，另外子控制系统B控制2号舵面偏转以调节适当迎角以产生升力，使得飞行器向前飞行。

飞行器进行滚转飞行，子控制系统A控制1号舵面偏转以调节适当迎角，使飞行器绕机身转动，当飞行器偏离之前的航线时，再令子控制系统A控制1号舵面偏转到原来的迎角，使飞行器恢复正常飞行。

本发明所取得的有益效果为：

本发明为采用新型的机身布局，以摆线桨与螺旋桨组合作为动力的一款新型摆线桨飞行器。(1)本发明采用摆线桨和螺旋桨组合形式，噪音小；(2)本发明采用新型的机身设计，整个机身起到支撑的作用，使该飞行器可以在任何地方起飞降落。

附图说明

图1为飞行器的结构组成示意图；

图2为摆线桨示意图；

图3为螺旋桨以及舵面系统示意图；

图中：1、子控制系统A；2、1号舵面；3、2号舵面；4、螺旋桨发动机；5、三叶桨；6、横向框架；7、氢燃料电池；8、纵向框架；9、叶片；10、固定支架；11、子控制系统B；12、偏心轮；13、叶片驱动杆；14、控制杆；15、驱动轴；16、舵面转轴；17、舵机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

如图1—3所示，本发明所述共轴摆线桨飞行器包括机身、舵面系统、动力装置、能源系统、控制系统。所述的机身为由横向框架6以及八个半圆形纵向框架8组成的球形框架，纵向框架8之间的夹角为45°。所述纵向框架8以及横向框架6采用碳纤维复合材料，使得机身具有重量轻，强度高的优点。

所述的舵面系统位于机身内部偏上，包括展向与摆线浆转轴垂直的1号舵面2和展向与摆线浆转轴平行的2号舵面3两组共四片舵面、舵机17、舵面转轴16、固定支架10，所述的固定支架10与纵向框架8固定连接，所述的舵机17位于固定支架10的内部，所述的舵面转轴16由所述的舵机17带动进行旋转运动，所述的1号舵面2以及所述的2号舵面3由所述的舵面转轴16带动以改变迎角大小。

所述的动力装置由两个摆线桨和一个螺旋桨组成。所述的螺旋桨由三叶桨5以及螺旋桨发动机4构成，三叶桨5安装在螺旋桨发动机4前端；所述的两个摆线桨包括控制杆14、偏心轮12、叶片9、驱动轴15、叶片驱动杆13，驱动轴15与叶片驱动杆13连接，叶片驱动杆13与叶片9连接，驱动轴15还与偏心轮 12连接，偏心轮12与控制杆14连接，首先由驱动轴15带动叶片驱动杆13，最后叶片驱动杆13带动叶片9进行相应的旋转运动，同时驱动轴15带动偏心轮12运动，偏心轮12带动控制杆14运动，控制杆14带动叶片9，进而改变所述叶片9的迎角值，故所述的摆线桨时刻进行变化攻角的旋转运动，以达到较大的升力的目的。摆线桨位于所述的横向框架6内部，两个摆线桨为共轴安放，螺旋桨位于舵面系统中间位置。所述的摆线桨的驱动轴15共轴且运动方向相反，进而使机身受到的附加转矩平衡，抵消当机身绕纵向转动时的陀螺力矩。

所述的能源系统为氢燃料电池7。能源系统位于机身内部底端。

所述的控制系统由子控制系统A1和子控制系统B11组成，所述子控制系统A1控制相邻的一个摆线桨转速大小，同时还控制所述的1号舵面2的迎角大小，所述子控制系统B11控制相邻的一个摆线桨和螺旋桨的转速大小，同时还控制所述的2号舵面3的迎角大小。子控制系统位于横向框架6内部，成对称分布。

工作原理及过程：

飞行器进行垂直起降，子控制系统B11控制螺旋桨发动机4，螺旋桨发动机4带动三叶桨5进行转动，同时子控制系统A1控制舵机17，舵机17控制舵面旋转轴16，舵面旋转轴16带动1号舵面2偏转以调节适当迎角，从而使1号舵面2产生气动力平衡三叶桨5转动所产生的附加扭矩，另外子控制系统A1和子控制系统B11分别控制相应摆线桨结构驱动轴15进行不同方向的同速转动，驱动轴15带动叶片驱动杆13，叶片驱动杆13带动叶片9进行相应的旋转运动，同时驱动轴15带动偏心轮12运动，偏心轮12带动控制杆14运动，控制杆14带动叶片9，进而改变所述叶片9的迎角值，因为两个驱动轴15的转速相同，所以两个摆线桨转动产生的扭矩相互抵消，从而保持飞行器进行垂直升降。

飞行器进行水平飞行，子控制系统A1和子控制系统B11分别控制相应摆线 桨驱动轴15进行不同方向的差速转动，驱动轴15带动叶片驱动杆13，叶片驱动杆13带动叶片9进行相应的旋转运动，同时驱动轴15带动偏心轮12运动，偏心轮12带动控制杆14运动，控制杆14带动叶片9，进而改变所述叶片9的迎角值，因为两个驱动轴15的转速不同，故两个摆线桨因旋转产生的扭矩无法抵消，则该飞行器受到一个扭矩的作用使飞行器具有翻转的趋向，若向前飞行，则子控制系统A1和子控制系统B11控制相应摆线桨结构的转速大小，使飞行器慢慢低头令机身轴线与地平面呈锐角，同时子控制系统B11控制螺旋桨结构的螺旋桨发动机4转速大小，此时螺旋桨发动机4带动三叶桨5产生的一部分动力变为推力，另外子控制系统B11控制舵机17，舵机17控制舵面旋转轴16，舵面旋转轴16带动2号舵面3偏转以调节适当迎角以产生升力，从而最终使得飞行器向前飞行。

飞行器进行滚转飞行，子控制系统A1控制舵机17，舵机17控制舵面旋转轴16，舵面旋转轴16带动1号舵面2偏转以调节适当迎角，使飞行器绕机身转动，当飞行器偏离之前的航线时，再令子控制系统A1控制舵机17，舵机17控制舵面旋转轴16，舵面旋转轴16带动1号舵面2偏转到原来的迎角，使飞行器恢复正常飞行。