在盘旋时可被动稳定的旋翼和飞行器的制作方法

专利名称：在盘旋时可被动稳定的旋翼和飞行器的制作方法
技术领域：
本发明涉及诸如直升机这样的旋翼式飞行器，且尤其涉及能够实现被动稳定盘旋的旋翼系统。还涉及特别适用于超小型飞行器的共轴旋翼系统以及控制所述系统的方法。
背景技术：
通常，像直升机这样的旋翼式飞行器由旋翼实现悬浮，旋翼绕垂直的旋翼轴旋转，产生升力或向上的推力。当旋翼绕着旋翼轴旋转时，推力的方向垂直于由旋翼叶片端部轨迹所形成的旋转平面。
在传统的直升机中，可以通过整体地改变所有旋翼叶片的螺旋角(简称斜度)来改变旋翼产生的总推力。该斜度在螺旋桨飞行器动力学领域被定义为叶片和垂直于旋翼轴的轴线的参考平面之间的侧向角(lateral angle)。该角度是沿着转动的切向测量的，因此，在旋翼倾斜时该角度不变。
通过整体地改变旋翼叶片的斜度，直升机可以在垂直方向上进行控制。通过循环调整叶片的斜度，可以改变飞行的水平方向。循环调整所述斜度，意味着各旋翼叶片的斜度可以从旋转的垂直位置的最大斜度调整到处于相对侧的最小斜度。这使得该旋转的一部分中的升力大于另一部分，从而使得旋转平面相对于旋翼轴倾斜且使得最初的垂直推力倾斜，从而获得水平分力，将直升机沿着向下倾斜的旋转平面方向拉动。
通常，直升机是通过飞行员或陀螺操纵传感器来控制的。用于改变和控制每个叶片的螺旋角的必要装置是复杂、昂贵的，且增加直升机的重量。
采用不具有单个叶片控制的固定斜度旋翼，会使直升机或飞行器结构更简化和具有更轻的重量。然而，固定斜度旋翼本身固有盘旋(停留在空中)不稳定的缺陷，且需要其它控制装置。有几种具有固定斜度旋翼的直升机的实例，其中包括具有固定斜度的相对旋转旋翼直升机，其是通过某种重量转移来控制的。
在美国专利06182923中披露了一种直升机，其旋翼组件能够沿着机身的纵向滑动，同时能够沿着横向倾斜。这种构造的目的在于改变相对于旋翼推力的重心，以便使得直升机沿着所需要的飞行方向倾斜。在美国专利06460802中，披露了另一种固定斜度相对旋转共轴旋翼直升机。在这种直升机中，包括发动机的旋翼组件被可转动地联接到机身上，并可以沿着任何方向倾斜，从而实现对飞行器的控制。
在由Kaman Corporation(卡门公司)设计制造的几种直升机中，旋翼叶片内部部分(inner part)具有类似于上述旋翼的固定斜度，同时能够沿着纵向扭转(twist)。在Kaman直升机中，旋翼叶片是由“伺服副翼”操纵控制的，该伺服副翼能够扭转(twist)叶片以循环改变斜度，从而控制飞行方向。
也可以通过操纵喷口(vents)或缝隙改变流过旋翼的气流，来实现对带有固定斜度旋翼的飞行器的控制。另一种可供选择的方式是采用4个独立螺旋桨，其两两之间沿相反方向转动，且环绕一中心垂直轴线两两对角配置。其中每个螺旋桨开始时产生飞行器起飞所需的垂直升力中相等的部分。通过增加飞行器一侧的螺旋桨推力而减少另一侧螺旋桨推力，使飞行器沿着所需的飞行方向倾斜，得以控制飞行器。在1920年，这种思想首先在真正的飞行器上被实现。1977年，日本的Keyence Corporation引入了一种类似的但非常小的玩具飞行器，该飞行器为电池驱动的遥控飞行器。
上述飞行器都是简单设计的实例，然而，这些飞行器不是被动稳定的，因此需要由有经验的飞行员或操作员来控制。其中的大部分都是在微风或室内条件下控制的。
在美国专利05297759中，披露了一种可被动稳定地盘旋于空中的旋翼式玩具飞行器。这种飞行器事实上是一大的飞行旋翼，其可控制性非常有限。
在美国专利06659395中，披露了另一种可稳定的玩具直升机。该专利采用螺旋桨或主螺旋桨这样的词汇来代替旋翼，当其描述直升机时也是如此。这里，直升机采用了联接在螺旋桨叶片顶端的不同类型的环或安全弧形板，且依靠陀螺力改变整个螺旋桨的斜度来保证稳定性，很像是具有大的稳定翼固定杆(stabilizer bar)的普通2叶片旋翼。安全弧形板的目的，除了如上所述的使螺旋桨更安全之外，还在于当主螺旋桨转动时，如果主螺旋桨开始倾斜(绕着叶片的纵轴倾斜)，该安全弧形板会开始水平平面(horizontal plane)运动。然而，安全弧形板的重量会产生一种陀螺效应，使得因叶片环绕轴线平行于叶片的枢转轴的转动而导致主螺旋桨拉平(level out)。这保证了螺旋桨保持在或返回到水平面上。在这种直升机中，螺旋桨叶片从位于水平面中的轴无任何锥形角(coning)地向外延伸，所述叶片可以自由枢转，其转动方式可沿着整个螺旋桨来改变斜度，而不会对叶片带来任何扭转或弯曲。
在该玩具直升机的优选实施例中，实际上防止了螺旋桨产生拍打(即上下倾斜)。这样做的目的似乎在于在任何时刻有效地将螺旋桨保持水平，从而防止直升机进入摆动状态或变得不稳定。然而，这种稳定系统，对于水平方向的控制而言，提供的可能性非常有限，并且不允许精确的机动性。这部分地是由于螺旋桨和直升机作为一个共同的陀螺系统，阻止任何使之倾斜的倾向。可以认为，如果在对直升机施加一个倾斜力并保持一定时间，以开始水平运动，将要用相等的且充分长的时间来使直升机停止，因而使得精确机动变得困难。
具有不能拍打叶片的上述类型旋翼(螺旋桨)的另一个问题是，如果直升机在外力的作用下真的发生了倾斜，由于固有的重量和陀螺效应，旋翼会向侧向倾斜。这种侧向倾斜会再次产生新的机械力，并使旋翼沿着另一方向(in yet another direction)倾斜。然后，旋翼会脱离稳定装置的控制，直升机会丧失稳定性。
在以上讨论的美国专利06659395所公开的备选旋翼设计中，类似于数十年前的玩具直升机中采用的圆环，经枢轴被联接到旋翼叶片的端部，或经飞行杆(fly bars)联接到旋翼中央。这些旋翼在功能上差不多地依据与上述相同的原理，试图在所有时间都保持在水平面上。一般认为，它们与优选实施例具有相同的缺陷。
在许多情况和应用场合下，要求飞行器在没有任何主动稳定的情况下也是稳定的，即使在有风条件下高前飞速度和操作性能受到损害时也是如此。
在这种背景下，迫切需要一种能够获得这种稳定性的旋翼。该旋翼还应能够被动地将飞行器保持在相对于周围空气的固定位置。最后，该旋翼应考虑到完全的水平控制和做出准确机动的可能性。

发明内容
本发明的目的在于通过披露一种设计简单的旋翼，来满足被动稳定的旋翼式飞行器的需要，这种旋翼使得制造这样的飞行器成为可能。另外，这种旋翼可被用于相对旋转的共轴旋翼系统，该系统重量轻、效率高且易于操纵，这对于小型遥控电动飞行器而言是理想的。
本发明中公开的旋翼具有旋转平面和固定参考平面，该旋转平面由一轨迹限定的，该轨迹是在该旋翼旋转时由每个旋翼叶片顶端所经过的，该固定参考平面垂直于旋翼轴。该旋翼能够产生所需的升力，使得飞行器能够进行包括可被动稳定盘旋在内的持续稳定的飞行。
在本发明的优选实施例中，该旋翼由配置成两对或两组的4个旋翼叶片组成。所述旋翼叶片被固定在两个中心件上；两个旋翼叶片沿相反方向延伸固定在较为靠上的中心件上，另两个旋翼叶片相对于前两个成90度角配置并固定在较为靠下的中心件上。这些叶片的顶端固定在一个环绕整个旋翼的环上。所述叶片以预先确定的斜度安装，它们向上倾斜而构成呈锥形的旋翼。每个成正交取向安装的中心件单独地铰接到垂直旋翼轴上，该铰接的铰链轴垂直于旋翼叶片纵向。该铰接连接使得来自旋翼轴的扭矩能够带动旋翼旋转，同时允许每组旋翼叶片上下拍打(上下倾斜)。然而，当旋翼倾斜时，所有旋翼叶片的内部部分的斜度保持固定。按照定义，环绕整个旋翼的环位于旋转平面内，且由于旋翼叶片的顶部固定在该环上，所以它们相对于旋转平面的螺旋角也是固定的。这意味着旋转叶片必须是柔性的，且当旋转平面倾斜时，环绕它们的纵向轴扭转。
本发明依靠三个不同的手段协同工作来控制旋翼的稳定性和性能。
第一，各组旋翼叶片和旋翼轴之间的铰接连接，与柔性叶片一起，使得旋转平面能够相对于参考平面在任何方向上或多或少地自由倾斜。
第二，通过使一部分旋翼叶片具有相对于参考平面固定的斜度，实现了旋翼相对于旋翼轴和飞行器的稳定。如果旋翼和旋翼平面出现了倾斜，叶片将随着转动而沿上下的轨迹运行，导致在旋转中不同的旋转部分具有不同的升力，从而使得旋翼倾斜回到其初始位置。
第三，在水平运动的旋翼中，根据在旋转中所处的位置，旋翼叶片会具有不同的相对空速。在旋翼叶片的沿着与运动方向相同的向前方向转动的旋转部分上，相对空速增大。增大的速度提供了增大的升力，这导致了旋翼、或更准确地说是旋转平面的前部向上倾斜。当旋转平面倾斜时，垂直推力也会发生倾斜，并获得反作用于这种运动的水平分量，以试图阻止旋转平面的倾斜。相对于旋转平面的固定斜度是重要的，因为其反过来增加了倾斜的趋势，这保证了即使相对于周围空气有很小的运动，也会使旋转平面倾斜。
这种倾斜倾向实际上与直升机旋翼通常所需要的特性是相反的，并限制了所能达到的最大前进速度。当运动停止时，第二种装置使旋翼相对于旋翼轴稳定，使得旋翼再次回到其初始的位置。
在本发明的另一实施例中，利用由两部分柔性联接或相互铰接构成的旋翼叶片，实现了相同的稳定效果。叶片的一部分具有相对于旋翼轴固定的螺旋角，另一部分沿旋翼的一般运动(旋转平面)运行。
本发明还公开了一种飞行器，该飞行器采用了共轴相对旋转旋翼组件，能够在盘旋时被动稳定和向前飞行。通过使整个飞行器倾斜，飞行器得以水平飞行，而这是利用重量运动或处于飞行器后部的小型螺旋桨的推力来实现的。还公开了用于控制飞行器偏转(旋转)的装置和方法。最后，提到了其它一些适用于特殊目的或用途的飞行器。


下面优选实施例的详细说明与附图结合，以便其更容易理解，其中图1是4叶片旋翼的透视图；
图2a和2b是图1中旋翼的侧视图，其在水平方向和倾斜方向示出了旋翼；图3a是旋翼叶片的仰视图，3b是后视图，3c是侧视图，其中叶片沿着其纵轴扭转；图4a是旋翼叶片的仰视图，4b是后视图，4c和4d是侧视图，该旋翼叶片的包括两个连接件；图5a和5b分别是4叶片旋翼在水平方向和倾斜方向的侧视图；图6是具有共轴旋翼组件和用于控制的垂直推力推进器的飞行器的透视图；图7是采用本发明可选实施例的飞行器的透视图；图8是采用本发明其它可选实施例的飞行器的透视图。
具体实施例方式
下面将通过参照

本发明以及优选实施例。同时也将说明一些可选实施例，但是本领域技术人员在所附权利要求书限定的本发明范围内可以实现其它的应用和改进。
在图1和2中示出了按照本发明的旋翼的优选实施例。其最适于室内或微风条件下自由飞行或遥控操作的小型飞行器。旋翼具有由在旋翼旋转时旋翼叶片的顶端通过的路径而形成的旋转平面，以及垂直于旋翼轴的固定参考平面。
旋翼10由以两对或两组排列的4个旋翼叶片组成，叶片的翼剖面为薄的弯曲板的外形。选择这种翼剖面以便获得易于扭转并仍然保持纵向强度的旋翼叶片。
已知像这样的开式交叉截面具有很低的抗扭刚度，开式交叉截面允许叶片的一端相对于另一端转动或扭转，而叶片没有弯曲或破裂。
旋翼叶片11、11、12、12固定到两个中心片上；在相反方向上延伸的两个旋翼叶片11、11固定到上中心片13上，而相对于第一对旋翼叶片成90度角的另外两个旋翼叶片12、12固定到下中心片14上。在这些旋翼叶片的顶端，旋翼固定到环绕整个旋翼的环15上。以大约20度的预定螺旋角安装叶片，这些叶片被向上倾斜6-12度角16以组成锥形的旋翼。
正交取向的中心片13、14经过销17、19被单独地铰链连接到垂直的旋翼轴18上。旋翼轴18延伸穿过最初水平定位的中心片中的孔，孔的大小足够使中心片相对于其铰链轴倾斜。铰链轴垂直于各自的旋翼叶片11、12，铰链连接使旋翼轴18的扭矩能够使旋翼10旋转，同时允许每一组旋翼叶片拍打(flap)(在纵向方向上向上和向下倾斜)。
参照图5说明铰链、铰链轴和固定斜度的具体细节。图5a示出了在初始位置的旋翼，图5b示出了在倾斜位置的旋翼。用A标记可倾斜的旋转平面，用B标记固定的参考平面。
铰链46、48可以是任何种类的铰链，可以包括如图1、2和3所示的、如某种柔性材料赞成的枢轴销17、19，。铰链轴47、49垂直于各组的旋翼叶片取向是必须的，除此之外铰链46、48可以是任何类型的铰链。但是铰链的内部摩擦力或刚度应当尽可能地小，这样在旋翼10与旋翼轴18之间不会引起不必要的机械力。为了使旋翼能够自由地倾斜，铰链轴47、49的垂直位置与旋翼叶片11、12排成差不多成直线也是很重要的。如果铰链轴47、49设置在旋翼下面，旋翼的固定的锥形将限制自由倾斜，因为旋翼叶片11、12仅能扭转而不能弯曲。
两个铰链46、48经过轮毂45连接到旋翼轴。轮毂45可以支持一组柔性铰链或一组枢轴销，这取决于所使用的铰链的种类。
与第一组旋翼叶片11相关联的第一铰链轴47以及与第二组旋翼叶片12相关联的第二铰链轴49彼此互相垂直取向。因此，在旋转中的任何一个给定点，一组叶片将能够在第一方向上倾斜(顶端向上或向下运动)，因为所有的顶端都固定在环15上，所以另一组的叶片必须扭转以便适应这种倾斜。在图5b中第一组旋翼叶片11被倾斜同时扭转，此时第二组叶片12被扭转。但是，第二组旋翼叶片12仍然可以自由地倾斜，尽管第一组叶片必须扭转以便适应此第二组叶片的倾斜。因为每组旋翼叶片能够单独的倾斜以及因为所有的旋翼叶片能够扭转，所以这种组合能使旋翼10和旋转平面A相对于参考平面B在任何方向上倾斜。因此旋转平面A的任何倾斜的取向都包括倾斜和扭转的叶片的组合，倾斜和扭转的叶片组合包括同时既倾斜又扭转的叶片。
由于叶片受力扭转以便适应旋转平面A的倾斜的取向，所以在旋转期间叶片的内部部分的斜度(pitch)41和叶片的外部部分的斜度42相对彼此而改变。叶片的内部部分的斜度41相对于参考平面B将保持不变，同时顶端的斜度42相对于当前倾斜的旋转平面A将保持不变。当旋转平面A像这样倾斜时，随着旋翼旋转，每个旋翼叶片11、12实际上将经过周期的倾斜和扭转(向上倾斜、逆时针扭转、向下倾斜、顺时针扭转)。
本发明依靠三种不同的方法控制旋翼的稳定性和特性。上述的旋翼10从同一个旋翼的所有方法组合中获得被动的稳定性。
第一旋转平面A在相对于参考平面B的任何方向上都是可倾斜的。
第二旋翼叶片11、12的一部分相对于参考平面B具有大致固定螺旋角(pitch angle)41。
第三旋翼叶片11、12的一部分相对于旋转平面A具有大致固定螺旋角42。
下面将详细说明旋翼如何以及为什么能够具有被动的稳定性。
第一旋转平面A在相对于参考平面B的任何方向上使可倾斜的。
由于旋翼叶片11、12和环15的重量，所以如上所述的旋翼10受到回转力的影响。由于陀螺进动的影响，当类似旋翼的旋转物体受到倾斜力时会在横向上倾斜。如果旋翼10被更刚性地连接到旋翼轴18，并且气动力试图使其相对于轴倾斜，则在连接处将经受试图保持其返回的机械力。由于陀螺进动，所以旋翼实际上将相对于保持其返回的初始力开始向一边倾斜。向一边的倾斜将再次引起新的机械力，并导致旋翼在另一个方向上倾斜。旋翼将很容易失控。
从相对于回转力的讨论中可以看出，由于本发明的旋翼10具有大致固定的几何结构，一个重要且必须的特点是它能够相对于参考平面B在任何方向上或多或少自由地倾斜。这当然会减少旋翼10与旋翼轴18之间的任何机械引出力，并防止任何的振荡。
第二旋翼叶片11、12的一部分相对于参考平面B具有大致固定螺旋角41。
由于旋翼能够在任何方向上倾斜，所以对于旋翼的稳定是必要的。旋翼10被相对于旋翼轴18稳定。因为旋翼被相对于旋翼轴18稳定，所以通过倾斜旋翼轴18或采用这样旋翼的飞行器能够精确控制旋翼10。下面将详细说明飞行器的控制。
在假设旋翼10没有运动的情况下说明相对于旋翼轴18的稳定性。但是，这种稳定的效果与运动的旋翼是相同的。下面说明的在运动的旋翼中的其他影响也作用在旋翼叶片上。
如果旋翼10已经倾斜，则当内部部分转向旋转平面位于其最高处的点时，内部部分，相对于参考平面B具有或多或少的固定斜度41的叶片部分的升力将减少，并由此在相对侧的升力则增加。这是因为当叶片沿着倾斜的路径旋转时，其能够被视为相对于参考平面B向上和向下运动，因此影响改变入射角并且也改变了升力。当叶片在最高点前面的旋转角度90度时，会出现向上的最高速度并且也是最低的升力。最高升力出现在相反的一侧，在最低点前面的90度旋转角。
由于上述的陀螺进动，通过升力中的差值旋翼10被倾斜返回到它的初始位置，不会导致其它方式的侧偏。
第三旋翼叶片11、12的一部分相对于旋转平面A具有大致固定螺旋角42。
为了在盘旋中获得被动的稳定性，旋翼10对相对于环绕它的空气运动作用。在水平运动的旋翼中，旋翼叶片沿着旋转将具有不同的相对空速。在旋转的部分中，当叶片(前进叶片)朝着与运动相同的方向旋转时，相对空速高于相对的一侧(后退叶片)。显而易见，最高相对空速也是最高升力出现在前进叶片指向垂直于向前运动的一侧的点上。增加的升力开始使旋转平面A倾斜。由于陀螺进动，前进叶片上增加的升力导致旋转平面A在运动的前面向上倾斜，不是向旁边倾斜。
旋翼10的重要且本质特点是根据水平运动而在前面向上倾斜的倾向性进一步增加。通过允许旋翼叶片能够扭转以便使旋翼叶片11、12的外部部分相对于旋转平面A具有大致固定的螺旋角42可以获得此特点。如果旋翼10在前面向上倾斜，则指向侧面的旋翼叶片在内部部分中将具有不变的斜度41，而沿着叶片进一步向外的斜度将保持扭转，直到顶端他们相对于现在倾斜的旋转平面A具有最初的斜度42。与传统的固定斜度旋翼相比，这使得本发明的旋翼10在前进叶片上进一步增加升力，在后退叶片上进一步减少升力，因此增加了倾斜量。
最初，旋翼10具有直接向上的推力。当旋转平面A开始倾斜时，推力也会倾斜，并由此获得对运动起反作用的水平分量，试图停止该运动。当旋翼叶片11、12位于旋转的前部时，通过增加旋翼叶片11、12上的升力，旋翼10的锥面16也对倾斜倾向性做出贡献。旋翼10实际上在非常小的水平速度时开始倾斜，并且只要旋翼轴18保持垂直就可相对于周围的空气将旋翼有效地保持在固定位置。
根据水平运动而增加的倾斜的能力，使此旋翼10能从其它的旋翼中区别开来。这实际上是与通常期望的直升机旋翼行为相反的。没有其它目前已知的旋翼按照与本发明旋翼10相同的方式相对于周围空气倾斜以及对运动产生反作用。
当旋翼10水平运动时，第二种相对于旋翼轴18稳定它的方法仍然有效，其试图使旋转平面A与参考平面B成直线。但是，增加的倾斜倾向性是主要因素，它将限制最大可获得的向前速度。当运动减慢时，旋翼10相对于旋翼轴18的稳定性逐渐使旋翼和旋转平面A回到水平面，与参考平面B平行。
在图1所示的旋翼10中，相对重要的相对于旋翼轴18的稳定性与根据水平运动而向上倾斜的能力相比受到下面因素的影响旋翼的旋转速度、旋翼叶片11、22的锥面的角度、旋翼叶片11、22以及环绕它们的环15的重量、形状和硬度、以及采用此旋翼的飞行器的通常几何结构和重量。为了在盘旋中获得被动的稳定性，必须相对彼此的优化这些因素。
实验已经得出低旋转速度要求旋翼叶片通常较宽，其根部比顶端宽50-80％。低旋转速度还需要顶端更重的旋翼叶片或环绕这些旋翼叶片的环。相对于周围空气的高稳定性要求更大的锥面和在纵向方向上容易扭转的旋翼叶片。还可以看出，如果对根据水平运动向上倾斜的稳定性考虑的太多，则将很难进行向前飞行或很难在有风条件下操纵。在此情况下，必须改变设计的一些部分或者工作参数，以便保持期望的特性。
包围旋翼叶片11、12的环15具有三个不同的目的第一，其支撑旋翼叶片以使旋翼叶片11、12的外部部分的斜度42相对于旋翼10的旋转平面A是固定的。环限定在旋转平面。第二，在操作期间通过防止一些物体进入或位于旋翼叶片11、12之间来保护旋翼10。第三，环15使用它的自身重量，即使在低旋转速度下也保持旋翼10的较好的陀螺稳定性。
尽管环15具有不同的目的，但是应当注意，这样的环的使用不以任何方式限制本发明。能够设计一种具有按照本发明中至少一个权利要求所述的旋翼叶片的旋翼，其没有包围它的环但是功能不变。
参考图4，显示了旋翼叶片的不同实施例。旋翼叶片由两个部件组成第一部件21和第二部件22，第一部件具有相对于旋翼其它部分(将在下面说明)固定的斜度，第二部件23具有连接到第一部件的柔性或铰链连接件23。连接的目的是使第二部件22与第一部件排成一排，同时使两个部件能够相对彼此改变螺旋角。该连接件应当具有尽可能小的摩擦力或刚度。
第一部件21固定到单个中心件的轮毂24。轮毂24安装旋翼中的所有旋翼叶片。最初，旋翼可视作固定形状的旋翼，旋翼叶片的第一部件21从轮毂24现外延伸，略微向上倾斜。在第一部件21的机翼后缘连接了第二部件22。第二部件22具有与第一部件21同样的长度。轮毂24通过万向节25连接到旋翼轴26，因此允许旋翼在任何方向(旋转平面能够在相对于参考平面的任何方向上倾斜)旋转。第二部件22相对于参考平面和旋翼轴26具有或多或少的固定斜度。这可通过小的万向节28将第二部件22的内侧尾部连接到链接件27来实现。链接件27与旋翼轴26平行，并从旋翼叶片向下延伸，其位于两个部件21、22之间的铰链轴后面一水平距离。在下端，链接件27又通过小的万向节28连接到从旋翼轴26水平伸出的突出杆29。
小的万向节28的上部与链接件27的上部和旋翼叶片的第二部件22连接，其位于通过旋翼轴26的轴上，同时垂直于旋翼叶片的纵轴和旋翼轴26的轴线。这使得旋翼叶片能够向上和向下倾斜，而第二部件22不会有任何相对运动。但是，如果旋翼在其它方向(如果是第一实施例所述的方向，则扭转旋翼叶片)倾斜，第一部件21与旋翼的其它部分一起倾斜，同时第二部件22在其尾部不会向上或向下运动，因此实际上保持相对于参考平面和旋翼轴26的斜度通常不变。有两个部件21、22组成的螺旋桨的形状实际上随着这种倾斜而改变。
当检查图4中的旋翼叶片以及随后说明时，能够了解到由这些旋翼叶片构成的旋翼将按照与图3所示的第一实施例相同的原理工作，因此能够持续的飞行、在盘旋中被动的稳定。还能够了解到不管包围旋翼的环存在与否，旋翼都将工作。旋翼叶片的另一个重要的特征是对于2、3、4和5个叶片同样工作。在不脱离本发明范围的情况下，本领域技术人员也可实现对实施例的修改和改变。
本发明还公开了不同的具有共轴的相对旋转旋翼的飞行器。它们在盘旋中时被动稳定，并能够以较低速度向前飞行。稳定的盘旋使飞行器更易于操作和控制。共轴的相对旋转旋翼除了很好的动力效果外，还具有其它优点，任何陀螺效应或空气动力效应倾向于使其彼此平衡，以及控制的简单化。可倾斜旋翼的固定几何结构还降低旋翼叶片各自的翼动或前进/滞后(向前和向后)的运动，并且在飞行器中具有小的或没有振动。
图6显示了按照本发明的飞行器50的优选实施例。它是小电功率遥控操作的直升机式的具有共轴相对旋转旋翼的飞行器50。共轴旋翼组件由两个旋翼52、54构成，该旋翼类似于上述第一实施例中说明的旋翼。通过上旋翼52的内轴51和下旋翼54的外轴53将两个旋翼一个位于另一个的上面。旋翼组件的主要优点是不需要任何的旋翼扭矩的作用，即，尾旋翼。两个旋翼以相反方向69、70旋转，因此彼此平衡，所有的功率都直接产生升力。因为飞行器携带了本身很重的电池55，所以重要的是旋翼组件要非常有效的，并且整个飞行器质量很轻，最好由碳化纤维薄板或类似的轻质材料构成。
操纵者使用具有控制杆(未示出)的发射机向飞行器中的接收机56发送控制信号来遥控飞行器50。控制信号依次控制电子的速度调整器57，调整器57电连接到两个用于驱动主马达组件的电动马达58和59，以及用于驱动推力推进器61来倾斜飞行器的一个小电动马达60上。所有的电子元件和马达都是市场上可买到的，并且属于现有技术。两个主马达58、59并排放置在飞行器50的前面。用于控制的小推进器61放置在两个从飞行器50的主体63水平向后伸出的杆62之间。它被水平的取向，以便提供能够倾斜包括旋翼轴和旋翼的整个飞行器的垂直推进矢量64。飞行器50由柔性支架65支撑，支架65从主体63向下伸出同时接触地面。
主电动马达58、59经过减速装置连接到旋翼轴51、53，其包括在旋翼轴上的大直径轮66和在马达轴上的小直径轮67，小轮经过足够强度的橡胶带68驱动大轮。两个大轮66靠在一起放置，上面的轮连接到外轴53，下面的轮连接到内轴51。驱动主旋翼的两个马达58、59以相反的方向转动，但是具有相同的扭矩输出量。当马达的速度以及随后的旋翼的速度增加时，推力将最终升高飞行器。
该飞行器的控制非常简单在垂直方向上，飞行器50由两个主旋翼的速度69和70控制。为了上升，则速度增加，由此旋翼组件的推力增加。为了下降，则速度降低。因为驱动旋翼的扭矩在相反方向上被平衡以及由于飞行器是被动稳定的，所以不需要其它的控制输入。
偏航控制，通过简单地增加一个旋翼的速度69和降低相同量另一个旋翼的速度70，可以实现从一侧到另一侧转动飞行器50。然后飞行器50将转到与增加速度的旋翼转动方向相反的方向上。
在水平方向上，只在向前和向后方向上控制飞行器50。为了进入向前飞行，应当增加设置在飞行器50后面的小推进器61的速度。来自推进器的垂直推进力64发生作用以使包括旋翼轴和主旋翼组件的整个飞行器倾斜。因为能够或多或少的自由倾斜，所以很容易相对旋翼倾斜飞行器。旋翼相对于轴的稳定性确保了旋翼与飞行器50一起倾斜，由此给来自主旋翼的全部推力一个推动飞行器50向前的水平分量。同样但是相反的作用将推动飞行器50向后飞行。如果实际中小推进器本身是按照本发明的小的稳定旋翼，飞行器在偏航中也能是被动稳定的。也就是，如果飞行器开始旋转，则后部的小旋翼将倾斜，它的最初的垂直推力将获得用于与旋转相反作用的水平分量。
由于旋翼对水平运动的固有阻力，所以限制了最大的可达到速度。还可以看出，为了使飞行器50飞向旁边，必须首先使飞行器转向，然后在预定的方向上向前飞行。
总而言之，控制的三个方向，垂直、向前/向后和偏航(航向)总体都是非常容易的，并且操纵飞行器50的方式非常直观。该飞行器最重要的特征可能是在飞行的任何时刻如果操纵者对飞行器失去控制，他只要释放控制杆回到中间位置，飞行器50将停止并自己进入稳定的盘旋。
也可以实现本发明的其它实施例。参照图7可以看到可选的飞行器80。它与前面的非常类似，下面将说明仅有的差别。不是在飞行器的尾部设置小推进器，而是通过重心运动来倾斜飞行器。飞行器的分开的且实际很重的部分，在此例子中是它的电池81，能够通过伺服致动器83被可控制地在水平方向82上运动，致动器83电连接到接收机。电池81的运动改变了相对旋翼组件的重心，由此使飞行器80和旋翼组件倾斜，以启动并持续水平的飞行。该飞行器仍然非常简单，但是与使用推进器的优选实施例的情况相比需要多几个机电部分。操纵飞行器的原理是与上述原理相同其它方式。
在图8中示出了本发明的另一实施例。这个可选的飞行器90与前面所述的非常相似，但是，此处两个主旋翼由一个具有小双轮92的大电动马达91驱动。两个驱动橡胶带中的一个93被扭转，以便使该旋翼在相反方向上旋转。因为两个旋翼一直以相同的速度旋转，所以通过其它装置提供偏航控制。在飞行器90的后部，由两个垂直取向的推进器94和95替代单个推进器，以便提供垂直96和水平97的推力。垂直分量用于按照与上述的相同方式倾斜飞行器90，水平分量用于提供偏航控制。
能够想象到对本发明实施例的其它修改。所有说明的飞行器，除了向前飞行之外，通过使用使飞行器向旁边倾斜的装置能够实现侧向飞行。此外，用于产生推力的装置可以是小的推进器、喷嘴或任何能够产生推力的其它装置。为了获得水平飞行，推力产生装置应该靠近旋翼组件放置，产生能够在所需方向上推进飞行器的水平推力矢量。在另一个实施例中，在类似于上述的Keyence公司的飞行器中，能够使用四个旋翼替代推进器，也能提供被动稳定偏航。能够组合传统直升机中的主动循环斜度控制(active cyclic pitch control)实现本发明的旋翼，如果需要，直升机能够进入被动稳定盘旋或某种稳定的故障模式。
尽管是结合飞行器和直升机说明了本发明的特点，但本发明也可用于许多其它应用中。实际上，本发明可有利地用在所有应用中，其中这些产品在盘旋中应当保持稳定而不需要任何的电子或手动控制。这样应用的例子可以是广告用途，即，飞行器搭载胶贴纸、横幅、旗帜、标语或显示屏；任何种类的视察，飞行器都装备有一组包括摄像机的传感器；电影或电视作品生产，搭载麦克风或照相机；收集环境或计量数据，使用装备了一组传感器的飞行器，仅被动的随风漂移。任何种类的飞行玩具，或者遥控或自由飞行。在较大的范围中，各种升力操作、或警察和军事操作。
尽管已经说明了本发明优选实施例并建议了某些可选实施例，但是本领域技术人员应当认识到，在不脱离本发明的范围、发明概念的情况下，可以对本发明的实施例进行其它的改变。因此，应当理解，本发明不限于上述的具体实施例，而是涵盖落于由后附的独立权利要求限定的本发明范围和实质内的任何修改。
权利要求
1.一种旋翼，其产生升力，至少包括两个旋翼叶片和一具有中心轴线的大致垂直的旋翼轴，各旋翼叶片从该旋翼轴向外延伸并止于顶端，该旋翼具有由一轨迹限定的旋转平面(A)，该轨迹是在该旋翼旋转时由每个旋翼叶片顶端所经过的，其中，该旋转平面(A)可相对于垂直于旋转轴线的参考平面(B)在任何方向上倾斜，一个或多个旋翼叶片的至少一部分具有相对于所述参考平面大致固定的螺旋角，一个或多个旋翼叶片的至少一部分具有相对于该旋转平面大致固定的螺旋角。
2.根据权利要求1所述的旋翼(10)，其中该旋翼叶片(11、12)上相对于旋转平面(A)具有大致固定的螺旋角(42)的部分为叶片顶部区域的部分，并且该叶片上相对于所述参考平面(B)具有大致固定的螺旋角(41)的部分为叶片的内部部分。
3.根据权利要求2所述的旋翼(10)，其中旋翼叶片(11、12)中的至少一个由柔性材料制成，该柔性材料使所述旋翼叶片能够在纵向上扭转。
4.根据权利要求3所述的旋翼(10)，其中第一组旋翼叶片(11)通过第一柔性铰链或枢转铰链(46)联接到旋翼轴上，而铰链(46)的铰链轴线(47)大致同时垂直于旋翼叶片(11)和旋翼轴(18)；第二组旋翼叶片(12)排列成垂直于第一组，且通过第二柔性铰链或枢转铰链(48)联接到旋翼轴上，而铰链(48)的铰链轴(49)大致同时垂直于第二组旋翼叶片和旋翼轴(18)；其中，所有旋翼叶片的至少内部部分具有一螺旋角，该螺旋角在该旋翼上下倾斜或侧向倾斜时相对于所述参考平面(B)保持固定；且其中该旋翼叶片(11、12)的顶端被联接到环绕该旋翼的一个环(15)上。
5.根据权利要求4所述的旋翼(10)，其中该旋翼叶片(11、12)相对于参考平面(B)向上倾斜，使该旋翼形成了锥形的几何形状(16)。
6.根据权利要求1所述的旋翼(10)，其中至少一个旋翼叶片由两个或多个相互柔性联接或铰接(23)的部件(21、22)构成，其中，所述旋翼叶片中的至少一个部件(22)具有相对于所述参考平面(B)大致固定的螺旋角，并且所述旋翼叶片中的至少一个部件(21)具有相对于旋转平面(A)一大致固定的螺旋角。
7.一种使盘旋的飞行器被动稳定的方法，其中该飞行器采用至少一个旋翼(10)来产生升力，所述旋翼包括至少两个旋翼叶片(11、12)，以及一个大致垂直的旋翼轴(18)，该旋翼轴(18)具有一中心轴线，每个旋翼叶片从该旋翼轴向外延伸并止于顶端，该旋翼具有由一轨迹限定的旋转平面(A)，该轨迹是在旋翼旋转时由各旋翼叶片顶端所经过的，其中该方法包括以下步骤调整旋翼(10)，以使旋转平面(A)可相对于参考平面(B)在任何方向上倾斜，该参考平面(B)垂直于旋翼轴线，根据由飞行器的水平运动所产生的旋转平面(A)的倾斜，增加至少一个旋翼叶片(11、12)的外部部分上的升力，以及根据由飞行器的水平运动所产生的旋转平面(A)的倾斜，减小至少一个旋翼叶片(11、12)的内部部分升力，从而随着飞行器的减速逐渐使旋翼倾斜返回到水平位置。
8.一种盘旋时被动稳定的飞行器，其中飞行器包括至少一个根据权利要求1-6的旋翼。
9.根据权利要求8所述的飞行器，还包括一能够使飞行器的倾斜得到控制的装置。
10.根据权利要求9所述的飞行器(50)，其中用于控制飞行器倾斜的装置是一种用于产生可控制的垂直推力向量(64)的装置，该装置联接在飞行器上，并与所述旋翼相距一水平距离。
11.根据权利要求9所述的飞行器(80)，其中用于使飞行器倾斜的装置具有一在开始时位于旋翼之下的重心，其中配重(81)可受控地沿着大致水平的方向(82)运动，以便相对于该旋翼运动中心，从而能够控制飞行器的倾斜。
12.根据权利要求9所述的飞行器(50)，包括一个放置另一个上面地布置的两个旋翼(52、54)，所述两个旋翼沿着相反的方向旋转，构成一共轴的相对旋转旋翼组件，其中所述两旋翼的旋转速度(69、70)可在控制下相对彼此变化，从而提供偏航控制。
13.根据权利要求9所述的飞行器(90)，包括至少一个能够产生推力向量(97)的装置，该装置距旋翼一定的水平距离地横向联接到所述飞行器上，以提供偏航控制。
14.根据权利要求8-13所述的飞行器，其中该飞行器是一种被动稳定的飞行玩具，既可作为遥控玩具直升机，又可作为任何其它种类的盘旋玩具飞行器。
全文摘要
本发明涉及一种能够使盘旋的飞行器被动稳定的旋翼。该旋翼具有大致固定的几何形状，可倾斜地联接在其旋翼轴上。旋翼叶片的外部部分相对于旋转平面具有固定的斜度，而该旋翼叶片的内部部分相对于参考平面具有固定的斜度，该参考平面垂直于旋翼轴。
文档编号B64C27/82GK1697755SQ200480000187
公开日2005年11月16日 申请日期2004年4月16日 优先权日2003年5月20日
发明者P·穆伦 申请人:普罗克斯弗拉尔As公司