自平衡扭矩多倍增升力直升机旋翼动力结构的制作方法

技术领域：

本发明(自平衡扭矩多倍增升力直升机旋翼动力结构)是一种高效提升直升机升力的动力结构，属于直升机技术领域。

背景技术：
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目前直升机分为载人机和无人机。

直升载人机通常使用单旋翼由旋翼中心轴驱动，驱动时会产生反扭矩，为了平衡反扭矩一般设置尾桨。尾桨对直升机的安全影响很大(尾桨因为意外故障或碰撞失去动力时直升机将会在反扭矩的驱动下高速自转而产生极大危险)。目前单旋翼载人直升机有技术复杂，油耗高，安全性不佳的弱点。

直升无人机通常采用多个(4，6，8或更多)无刷电机驱动螺旋桨(垂直方向安装)产生升力，需要机动时通过增减某个(或某几个)螺旋桨的升力而实现。因为螺旋桨数量通常为偶数且大于或等于四个，所以可以通过设定螺旋桨旋转的方向使螺旋桨产生的反扭矩相互抵消。直升无人机因为简单，经济，方便，高效等多种原因使使用范围越来越广泛。但是受制于目前电机功率和电池容量以及放电能力的制约，使其起飞重量(带载能力)和留空时间皆不如人意。目前通常的直升无人机起飞重量在1-20公斤力范围，自重5公斤以下无人机留空时间通常在30分钟左右，自重5公斤以上无人机留空时间通常在10分钟左右。

本发明通过不同于现有方案的全新的结构和方式使螺旋桨总的拉力转换为升力并提高多倍(理论值可以提高10倍左右)。这就使得在相同的电机功率和电池容量条件下，要吗起飞重量增加多倍，要吗留空时间大大延长(同样的起飞重量下螺旋桨拉力可以减小，供电电压和电流都会下降很多，所以同样容量的电池可以用得更久)。

技术实现要素：
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本发明将两个(或多个)螺旋桨水平对称置于旋翼的两端，旋翼的几何中心安装轴承用于挂载机体(如说明书附图1)。螺旋桨旋转产生水平方向沿旋翼旋转切线的拉(推)力使旋翼绕旋翼的几何中心旋转，旋翼旋转产生垂直方向的升力，升力通过轴承作用于机体使其上升。因为旋翼升阻比的关系，理论上螺旋桨水平方向拉力(用于抵消旋翼旋转产生的空气动力阻力)转换为旋翼的升力时可以放大到10倍左右。这使得在同样的电机功率和电池容量条件下大大的增加直升机的起飞重量或留空时间。由于两个螺旋桨对称置于旋翼的两端并相对旋转(比如按需要顺时针或反时针旋转，如说明书附图2)，使电机旋转产生的扭矩相互抵消，所以整个直升机虽然是单旋翼也无需尾桨来平衡。只要连接旋翼和机体的轴承摩擦力足够小，机体的旋转扭矩可以忽略不计。直升机升降动作可以通过增减螺旋桨拉力(调节电机转速)致旋翼升力变化来实现。直升机的水平转向平飞等机动可以通过机体上安装可变角度翼片来改变旋翼的部分下洗气流的方向而获得的反作用力来实现(说明书附图3)。也可以在机体上水平安装一个或多个螺旋桨和方向舵(说明书附图4)来驱动整个直升机的水平机动。还可以通过设置4个(或更多)旋翼，通过改变某几个旋翼的升力来使直升机机动(说明书附图5)。也可以设置铰链结构倾斜旋翼(通用载人直升机的机动结构)来实现，以及其他方式等等。

电池和电机控制系统(如电调，遥控接收机等)可以安装在旋翼内的适当位置。最佳的方式是把电机，电调，电池，遥控接收机等动力控制系统做成一个整体，并把外形做成流线型(如说明书附图6)。这样可以使整个结构简洁，安装简便。而且因为电池离电机距离很短，可以节省出导电铜线(或其他导电材质)的重量，还降低了导体上因电阻浪费的电能，延长了留空时间。

本装置旋翼上的动力来源不局限于电池电动机，也可以使用微型内燃机带动螺旋桨，还可以使用微型化的涡轮风扇发动机或涡轮发动机或者反冲火箭发动机等等。

附图说明：

说明书附图1：本发明的一种代表性的动力结构布局简图，两个螺旋桨水平对称置于旋翼的两端，旋翼的几何中心安装轴承挂载机体。

说明书附图2：两个螺旋桨对称置于旋翼的两端并相对旋转(理想状态的相同的螺旋桨，并相同的旋转速度)，电机旋转产生的扭矩相互抵消

说明书附图3：通过机体上安装可变角度翼片来改变旋翼的部分下洗气流的方向而获得的反作用力来实现直升机的水平机动示意图。

说明书附图4：本发明的一种代表性的动力结构布局图，两个螺旋桨水平对称置于旋翼的两端，旋翼的几何中心安装轴承挂载机体，机体上水平安装一个螺旋桨和一个方向舵来驱动整个直升机的水平机动。

说明书附图5：设置4个旋翼，通过改变某两个旋翼的升力使整个翼平面变化来使直升机机动示意图。

说明书附图6：一种动力总成结构示意图。将电池，电机和电机控制系统(电调，遥控接收机)安装在一个流线型的金属罩(使用镁铝合金制作以减轻重量)内，电机轴在金属罩的前端伸出，在电机轴上安装螺旋桨。

说明书附图7：具体实施方式的结构布局示意图。两个动力总成对称(以旋翼中心点为参考点)安装在旋翼的外端。电机轴和旋翼旋转的面处于同一个平面，并位于旋转的圆周的切线方向，机体通过一个滚珠轴承连接到旋翼中心，机体前方装配一个电机和螺旋桨，机体后方装配一个可变角度薄片作为整个机体的方向舵。

说明书附图8：用于验证螺旋桨水平拉力转换为旋翼垂直方向升力是否具有放大作用的实验样机，图中两个电机为新西达2212(2700kv)无刷电机，配5045碳纤维桨，3s(40c)动力电池，旋翼用0.3mm厚pvc透明膜覆盖在铝制骨架上，上表面为固定翼飞机翼面，下表面未处置，旋翼迎角(攻角)大约15度，人为固定旋翼用弹簧秤测量两个螺旋桨最大拉力(遥控器油门100％)约为1500克力，放开旋翼，样机放置在台秤上用于测量旋翼产生的升力，实测最大升力约为4800克力(100％油门)，升力提升约3.2倍。(手工制作的旋翼有些震动，试车时用几本书压住样机的底板，这时样机的自重约为6000克力。

具体实施方式：

1.先将电池，电机和电机控制系统(电调，遥控接收机)安装在一个流线型的金属罩(使用镁铝合金制作以减轻重量)内，电机轴在金属罩的前端伸出，在电机轴上安装螺旋桨。我们把这个结构件称为“动力总成”。

2.制作一个旋翼(两个翼片)，翼型的升阻比选用尽量大的，翼的迎角处于最有利升阻比的角度。翼的表面积也要大，在同样的升力条件下以便于降低旋翼的转速，使动力总成在旋翼旋转时受到的离心力尽量小，这样可以使动力总成的各结构件受到的不平衡应力比较小，提高结构的使用寿命。

3.将两个动力总成对称(以旋翼中心点为参考点)安装在旋翼的两端(尽量靠近外端以获得最大的动力力矩)。电机轴和旋翼旋转的面处于同一个平面，并位于旋转的圆周的切线方向以获得最大的动力驱动力矩。

4.机体通过一个滚珠轴承连接到旋翼中心。

5.机体前方装配一个电机和螺旋桨，并连接上遥控装置和电池，电调。机体后方装配一个可变角度薄片作为整个机体的方向舵。

完成上述安装步骤后即可进行飞行。先使用遥控器接通翼端动力总成的电力，螺旋桨旋转产生拉力使旋翼旋转，旋翼旋转产生升力，升力大于整体重量时直升机即可飞上天空，增减动力总成中电机的供电电压即可增减旋翼的升力，使直升机上升或下降；机体上的螺旋桨和方向舵用于直升机的平飞和转向机动，如(说明书附图7)所示。