一种用于航空器垂直起降的收放式旋翼的制作方法

本发明涉及一种用于航空器垂直起降的收放式旋翼，特别是一种垂直起降时打开、水平飞行时收合的收放式旋翼，属于航空器技术领域。

背景技术：

载人航空器可分为固定翼和旋转翼两大类，固定翼常见于水平起降航空器（如喷气式客机），而旋转翼常见于垂直起降航空器（如直升机）。就目前已经达到的技术水平来说，固定翼航空器可以高速飞行，操作简便，但需依托跑道起降。旋转翼航空器可以垂直起降，不需依托跑道起降，适应性强，但是机理失调，操控复杂，飞行速度慢，燃油效率低。

目前，旋转翼航空器还存在一些无法克服的固有缺陷，主要表现为：（1）飞行速度有极限。受翼尖绝对速度必须小于音速的限制，旋转翼航空器的理论速度不能超过420公里/小时。（2）可靠性低。旋翼桨叶的挥舞产生机械振动，增加了铰链的磨损使可靠性总是不如固定翼航空器。（3）横滚稳定性差。两侧旋翼升力不均匀会导致旋转翼航空器发生横滚，在几秒钟内就会倾覆失控。（4）操控复杂。直升机的旋翼既提供了飞行的机动性，同时也造成了飞行操控的复杂性。使得操控负荷远远大于固定翼飞机，加大了人为失误的概率。（5）无法做大。旋翼直径和转速受到翼尖速度不能超过音速的限制，旋翼直径一般最大就是十几米，航空器尺寸受限，无法做得更大。（6）飞行机理失调。直升机虽然发展了近70年，但是飞行机理内在的协调性差，充满了先天性的矛盾。如：采用尾桨平衡旋翼扭矩，采用挥舞铰和摆振铰平衡前飞翻转力矩，垂直起降时要求旋翼面积大而水平飞行时希望旋翼面积小，垂直起降状态与水平飞行状态的飞行机理互相矛盾、无法统一，如此等等，直接导致飞行状态的控制复杂、稳定性差。

总之，旋转翼航空器的上述缺陷来源于旋翼既要兼顾垂直起降又要满足水平飞行两种飞行模式而产生的矛盾。而收放式旋翼能够很好兼容垂直起降和水平飞行两种飞行模式，将成为旋转翼航空器新的发展方向。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是为克服现有垂直起降航空器的旋翼既要兼顾垂直起降又要满足水平飞行两种不同飞行模式而产生的矛盾，提供一种用于航空器垂直起降的收放式旋翼，按照飞行工况需求改变气动外形而减少飞行阻力，回避旋翼振动，提高自持特性和鲁棒性，实现本安防坠、加速跳飞和柔性迫降，协调机理、强化功能、简化结构、降低成本。

为解决上述技术问题，本发明提供一种用于载人飞行器垂直起降的收放式旋翼，它包括主轴1、桨叶支撑架2、若干桨叶3及桨叶铰4；所述主轴1与桨叶支撑架2几何中心垂直相交、固定相连、同步转动，桨叶铰4与主轴1基本平行、与桨叶3的翼面基本垂直，桨叶3通过桨叶根部的桨叶铰4与桨叶支撑架2连接，桨叶铰4没有驱动力，桨叶3在离心力和空气动力的综合作用下围绕桨叶铰4自由转动并自动呈现出不同的工作状态；当各片桨叶3需要打开时，即当航空器垂直起降时，主轴1驱动桨叶支撑架2旋转，桨叶支撑架2、桨叶铰4均围绕主轴1同步转动，各桨叶3在离心力作用下完全打开并平分360°圆周角，相邻桨叶间的夹角均相同，实现升力最大化；当各片桨叶3需要收合时，即当航空器水平飞行时，主轴1锁止，桨叶支撑架2与桨叶铰4亦锁止，具有负攻角的桨叶3在迎面气流的偏心力矩作用下围绕桨叶铰4自动收合。

所述桨叶3通过桨叶根部的桨叶铰4收放,直接实现旋翼回转直径的扩大和气动外形的收缩，各桨叶3自动收合后重叠拼合为矩形、圆形或者其它合适形状，并兼做固定翼具有部分升力，实现升力最大化而阻力最小化的有益效果。

所述桨叶铰4为无动力自由铰链，桨叶3可在离心力和空气动力的综合作用下围绕桨叶铰4自由转动并自动呈现出不同的工作状态，使桨叶3在不同飞行工况下具有自持性。当航空器垂直起降时，主轴1驱动旋转，各桨叶3在离心力作用下围绕主轴1自由转动，完全打开。当航空器水平飞行时，主轴1锁止，桨叶支撑架2与桨叶铰4亦锁止，具有负攻角的桨叶3在迎面气流的偏心力矩作用下围绕桨叶铰4自动收合，桨叶3自动收合到重叠拼合位置时即自动锁止，实现阻力最小化，同时还兼做固定翼具有部分升力。当航空器出现故障突然坠落时，主轴1自动解锁、自由转动，具有负攻角的桨叶3在上行气流的偏心力矩作用带动主轴1开始自旋，各桨叶3在离心力作用下围绕桨叶铰4完全打开，旋翼转速迅速提高，旋翼蓄能增加，实现无动力自旋迫降。

所述桨叶3和桨叶铰4可以通过总距铰5与桨叶支撑架2连接，总距铰5可以锁止以调节桨叶3的总距，也可以释放以允许桨叶3在总距调节范围内自由浮动，即在航空器紧急坠落的情况下桨叶3可以在总距调节范围内自由浮动，以迅速启动旋翼自旋，加大旋翼蓄能，实现航空器的无动力自旋迫降。所述总距铰5的总距调节范围一般为-15°至45°，具体根据实际需要确定。

所述桨叶安装时可预设用以调节桨叶3总距的负攻角，桨叶安装时预设的负攻角一般为-5°至-15°，具体根据实际需要确定。

所述主轴1在航空器紧急坠落情况下可自动释放锁止而自由转动，使负攻角安装的各桨叶3在上行气流吹动下围绕主轴1自旋旋转，并在离心力作用下围绕桨叶铰4自动展开，转速增高，旋翼蓄能，实现航空器的无动力自旋迫降。

所述桨叶支撑架2为盘状、板状、梁形或正多边形桁架结构，如圆盘状、正三角板状结构，正三角形、矩形桁架结构，直梁结构等，并根据不同的形式与特定形状和数量的若干桨叶3搭配，具体根据实际需要选择搭配使用。一般来说，桨叶3的数目与支撑架边数相等。如，梁形结构的桨叶支撑架可配合在其两端连接的矩形桨叶使用，正三角形架的桨叶支撑架可配合在其三个端角连接的矩形桨叶或斧形桨叶使用，正四边形架的桨叶支撑架可配合在其四个端角连接的扇形桨叶使用，具体根据实际需要选择配合使用。

所述桨叶3的翼型为普通成熟的机翼翼型，即与普通机翼相同，有一定弧度与厚度，并成流线型变化，一般为宽弦翼型或刚性厚旋翼，具体翼型、弧度和厚度可根据实际需要选择和确定。桨叶3的外形为等宽结构或外宽内窄的斧状结构，可以明显加大旋翼外侧区域的旋翼面积、减少旋翼内侧区域的旋翼面积，充分利用旋翼外侧高速旋转区域获得最大的升力，具体的外形结构根据实际需要选择使用。桨叶3尖部可根据需要配置扩大旋翼蓄能的小部件，以进一步加大旋翼转动惯量，增加旋翼蓄能，加大跳飞或迫降时的升力。

本发明提出了综合旋翼固定式和旋翼收藏式优点的收放式旋翼新方案，通过旋翼的收放变形，改变了机翼的气动特征，以此实现垂直起降和水平飞行两种工作模式的平稳转换和有效兼容。垂直起降时，在所述主轴1驱动下，若干桨叶3受离心力作用围绕桨叶铰4旋转打开，当桨叶3旋转至与主轴1同步时产生最大升力。水平飞行时，主轴1停转，负攻角安装的若干桨叶3随迎面气流的偏心力矩作用下围绕桨叶铰4旋转收合，在若干桨叶3与桨叶支撑架2完全拼合后固定锁止。此时旋翼收缩变形为一个风阻较小的固定翼形状，旋翼的水平飞行阻力为最小，同时具备部分升力，兼做固定翼，实现高速飞行。

本发明在工作模式转换时，具有自动适应的特性。自适应设计是指收放式旋翼的工作状态可以根据飞行状况自动开合、稳定可靠，无论是在垂直起降工作模式下，或者是高速前飞工作模式下，或者是故障坠落状态下都无需人工干预，具有自持性。从而有效减少人工操作介入，提高飞控反应的速度和灵敏度，提高飞控鲁棒性（容错能力）。由此减轻操控强度，减少人为失误，提高了飞行的安全性，同时也大大降低了直升机的驾驶难度，减少了飞行员的操控负荷，提高了适用性。

收放式旋翼采用了宽弦翼型并优化了旋翼翼形，使得一种宽弦翼型和外宽内窄翼形相结合全新旋翼的应用成为可能。

外宽内窄的桨叶形状，能充分利用旋翼外侧高速旋转区域获得更大的升力。而宽弦翼型升力大，有富裕，可以将富裕的升力用于提高飞行稳定性，实现超驱动垂直起降。在起飞和着陆时，调整总距，加大负攻角，主动形成上洗气流或侧洗气流，可以有效抵抗阵风扰动，提高飞行稳定性和安全性。同时，还可以大大减少下洗气流，从而抑制地面扬尘，改善着陆条件，提高飞行安全性和鲁棒性。另外，采用刚性宽弦厚旋翼时，旋翼质量较大，还可以在翼尖配置金属部件，进一步加大旋翼转动惯量，有利于加大旋翼蓄能，实现有动力起飞时的地面加速跳飞和无动力自转迫降时的柔性着陆。

由于收放式旋翼只负责垂直起降时提供升力，不负责转向和姿态控制，回避了旋翼高速前飞时出现的各种偏转、振动、扭矩和铰链，因此取消了挥舞铰和摆振铰，使得旋翼结构简化、成本降低、可靠性提高。

另外，为了更好地提高旋翼的工作稳定性和自适应能力，本发明提出了浮动总距的设计方案。总距操纵杆释放以后，桨叶可以在的一定的正攻角和负攻角范围内围绕总距轴自由浮动。在航空器紧急坠落的情况下，桨叶3的总距铰5可以在总距调节范围内自由浮动，以迅速启动旋翼自旋，加大旋翼蓄能，实现航空器的蓄能跳飞起飞或无动力自旋迫降，更好地提高旋翼的工作稳定性和自适应能力。

与现有技术相比，本发明具有可按照飞行工况需求改变气动外形而减少飞行阻力，实现垂直起降和水平飞行两种工作模式的平稳转换和有效兼容，工作模式转换时具有自动适应特性，可回避旋翼在高速前飞时出现的各种偏转、振动、扭矩，提高自持特性和鲁棒性，实现本安防坠、加速跳飞和柔性迫降，具有机理协调、结构简单、成本低廉、工作可靠、自动反应、操作简便、适应性好等优点，可广泛应用于载人航空器或无人机等领域。

附图说明

图1为本发明实施例1桨叶未展开侧视示意图。

图2为本发明实施例1桨叶未展开俯视示意图。

图3为本发明实施例1桨叶展开过程俯视示意图。

图4为本发明实施例1桨叶完全展开侧视示意图。

图5为本发明实施例1桨叶完全展开俯视示意图。

图6为本发明实施例2桨叶完全展开俯视示意图。

图7为本发明实施例3桨叶完全收合俯视示意图。

图8为本发明实施例3桨叶展开俯视示意图。

图中：1-主轴，2-桨叶支撑架，3-桨叶，4-桨叶铰，5-总距铰。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步详尽描述。实施例中未注明的技术或产品，均为现有技术或可以通过购买获得的常规产品。

实施例1：如图1-5所示：本用于载人飞行器垂直起降的收放式旋翼包括主轴1、直梁形结构桨叶支撑架2、两片桨叶3和两个桨叶铰4、以及两个安装在桨叶支撑架2上以连接桨叶3和桨叶铰4的总距铰5；主轴1与桨叶支撑架2的几何中心垂直相交、固定相连、同步转动，桨叶铰4与主轴1基本平行、与桨叶3的翼面基本垂直，桨叶支撑架2的两个末端安装两个总距铰5，桨叶铰4安装在总距铰5的轴上，桨叶3的根部与桨叶铰4连接，桨叶3可以围绕桨叶铰4自由转动；当两片桨叶3完全打开时，桨叶支撑架2、桨叶3、桨叶铰4与总距铰5均围绕主轴1同步转动；当两片桨叶3完全收合时，桨叶支撑架2与两片桨叶3重叠拼合。桨叶3为外宽内窄的结构，其外端头为弧形，充分利用旋翼外侧高速旋转区域获得更大的升力。桨叶3通过其根部的桨叶铰4收放，直接实现旋翼回转直径的扩大和气动外形的收缩，各桨叶3自动收合后重叠拼合为矩形，并兼做固定翼具有部分升力，实现升力最大化而阻力最小化。整个收放式旋翼为宽弦翼型刚性厚旋翼，桨叶3成流线型变化，其尖部配置有普通可增加旋翼蓄能的小金属部件，加大旋翼转动惯量和旋翼蓄能。桨叶3和桨叶铰4通过总距铰5与桨叶支撑架2连接，并在桨叶安装时预设-15°的负攻角，用以调节桨叶3总距。总距铰5可以锁止以调节桨叶3的总距，也可以释放以允许桨叶3自由浮动。桨叶3的总距调节范围为-15°至45°。主轴1可自动释放锁止而自由转动，使负攻角安装的各桨叶3在上行气流吹动下围绕主轴1自旋旋转，并在离心力作用下围绕桨叶铰4自动展开，在航空器紧急坠落情况下，实现航空器的无动力自旋迫降。

实施例2：参见图1-5，如图6-7所示，本用于载人飞行器垂直起降的收放式旋翼包括主轴1、正三角形桁架结构桨叶支撑架2、三片斧状桨叶3及三个桨叶铰4；主轴1与桨叶支撑架2的几何中心垂直相交、固定相连、同步转动，桨叶铰4与主轴1平行、与桨叶3的翼面垂直，桨叶支撑架2末端与三片桨叶3连接端通过桨叶铰4连接，三片桨叶3可以围绕各自的桨叶铰4为轴心自由转动；当三片桨叶3完全打开时，桨叶铰4与各桨叶3均围绕主轴1同步转动；当三片桨叶3完全收合时，桨叶支撑架2与三片桨叶3重叠拼合为圆形。桨叶3为外宽内窄的斧状结构，可以充分利用旋翼外侧高速旋转区域获得更大的升力。整个收放式旋翼为宽弦刚性厚旋翼，桨叶3成流线型变化，其尖部配置有普通可增加旋翼蓄能的小金属部件以加大蓄能。主轴1可自动释放锁止而自由转动，使各桨叶3在上行气流吹动下围绕主轴1自旋旋转，并在离心力作用下围绕桨叶铰4自动展开，在航空器紧急坠落情况下，实现航空器的无动力自旋迫降。

实施例3：参见图1-5，如图8所示，本用于载人飞行器垂直起降的收放式旋翼包括主轴1、正四边形桁架结构桨叶支撑架2、四片桨叶3及四个桨叶铰4；主轴1与桨叶支撑架2的几何中心垂直相交、固定相连、同步转动，桨叶铰4与主轴1基本平行、与桨叶3的翼面基本垂直，桨叶支撑架2末端与四片桨叶3连接端通过桨叶铰4连接，四片桨叶3可以桨叶铰4为轴心自由转动；当四片桨叶3完全打开时，桨叶支撑架2、桨叶铰4与各桨叶3均围绕主轴1同步转动；当四片桨叶3完全收合时，桨叶支撑架2与四片桨叶3重叠拼合为圆形。桨叶3为90º扇形结构，可以充分利用旋翼外侧高速旋转区域获得更大的升力。整个收放式旋翼为宽弦刚性厚旋翼，桨叶3断面呈流线型变化，其尖部配置有普通可增加旋翼蓄能的小金属部件以加大蓄能。主轴1可自动释放锁止而自由转动，使各桨叶3在上行气流吹动下围绕主轴1自旋旋转，并在离心力作用下围绕桨叶铰4自动展开，在航空器紧急坠落情况下，实现航空器的无动力自旋迫降。

实施例4：参见图1-5：本用于载人飞行器垂直起降的收放式旋翼包括主轴1、十字梁形桁架结构桨叶支撑架2、四片桨叶3和四个桨叶铰4、以及四个安装在桨叶支撑架2上以连接桨叶3和桨叶铰4的总距铰5；主轴1与桨叶支撑架2的几何中心垂直相交、固定相连、同步转动，桨叶铰4与主轴1基本平行、与桨叶3的翼面基本垂直，桨叶支撑架2的四个末端分别安装四个总距铰5，桨叶铰4安装在总距铰5的轴上，桨叶3的根部与桨叶铰4连接，桨叶3可以围绕桨叶铰4自由转动；当四片桨叶3完全打开时，桨叶支撑架2、桨叶3、桨叶铰4与总距铰5均围绕主轴1同步转动；当四片桨叶3完全收合时，桨叶支撑架2与四片桨叶3重叠拼合。桨叶3为等宽结构，充分利用旋翼外侧高速旋转区域获得更大的升力。桨叶3通过其根部的桨叶铰4收放，直接实现旋翼回转直径的扩大和气动外形的收缩，各桨叶3自动收合后重叠拼合为正四边形，并兼做固定翼具有部分升力，实现升力最大化而阻力最小化。整个收放式旋翼为宽弦翼型刚性厚旋翼，桨叶3成流线型变化，其尖部配置有普通可增加旋翼蓄能的小金属部件加大旋翼转动惯量，增加旋翼蓄能。桨叶3和桨叶铰4通过总距铰5与桨叶支撑架2连接，并在桨叶安装时预设-5°的负攻角，用以调节桨叶3总距。总距铰5可以锁止以调节桨叶3的总距，也可以释放以允许桨叶3自由浮动。桨叶3的总距调节范围为-15°至45°。主轴1可自动释放锁止而自由转动，使负攻角安装的各桨叶3在上行气流吹动下围绕主轴1自旋旋转，并在离心力作用下围绕桨叶铰4自动展开，在航空器紧急坠落情况下，实现航空器的无动力自旋迫降。

实施例5：参见图1-7：本用于载人飞行器垂直起降的收放式旋翼包括主轴1、正三叉梁形结构桨叶支撑架2、三片桨叶3和三个桨叶铰4、以及三个安装在桨叶支撑架2上以连接桨叶3和桨叶铰4的总距铰5；主轴1与桨叶支撑架2的几何中心垂直相交、固定相连、同步转动，桨叶铰4与主轴1基本平行、与桨叶3的翼面基本垂直，桨叶支撑架2的三个末端分别安装三个总距铰5，桨叶铰4安装在总距铰5的轴上，桨叶3的根部与桨叶铰4连接，桨叶3可以围绕桨叶铰4自由转动；当三片桨叶3完全打开时，桨叶支撑架2、桨叶3、桨叶铰4与总距铰5均围绕主轴1同步转动；当三片桨叶3完全收合时，桨叶支撑架2与三片桨叶3重叠拼合。桨叶3为等宽结构，充分利用旋翼外侧高速旋转区域获得更大的升力。桨叶3通过其根部的桨叶铰4收放，直接实现旋翼回转直径的扩大和气动外形的收缩，各桨叶3自动收合后重叠拼合为正三边形，并兼做固定翼具有部分升力，实现升力最大化而阻力最小化。整个收放式旋翼为宽弦翼型刚性厚旋翼，桨叶3成流线型变化，其尖部配置小金属部件加大旋翼转动惯量，增加旋翼蓄能。桨叶3和桨叶铰4通过总距铰5与桨叶支撑架2连接，并在桨叶安装时预设-10°的负攻角，用以调节桨叶3总距。总距铰5可以锁止以调节桨叶3的总距，总距铰5也可以释放以允许桨叶3自由浮动。桨叶3的总距调节范围为

-15°至45°。主轴1可自动释放锁止而自由转动，使负攻角安装的各桨叶3在上行气流吹动下围绕主轴1自旋旋转，并在离心力作用下围绕桨叶铰4自动展开，在航空器紧急坠落情况下，实现航空器的无动力自旋迫降。

上面结合附图对本发明的技术内容作了说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下对本发明的技术内容做出各种变化，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。