一种飞行器用旋翼装置及飞行器的制作方法

本发明涉及飞行器技术领域，特别是涉及一种飞行器用旋翼装置及飞行器。

背景技术：

旋翼(桨叶)技术主要应用在直升机和螺旋桨飞行器中，其中以直升机的应用最为广泛。

直升机旋翼一般由桨毂和桨叶组成，桨毂中心连接在一根旋转主轴上，桨叶连接在桨毂支臂上，桨叶片数若干不等。

直升机通过驱动主轴带动旋翼桨叶旋转，桨叶与空气发生相对运动速度而产生升力。在一定的旋转角速度情况下，靠近桨叶尖部半径大,与空气相对线速度大而升力大。通过控制旋翼桨盘升力的方向使直升机前飞、后飞和左、右侧飞。

直升机旋翼转速一般恒定，桨尖的最大线速度受到一定的限制。主要是与前飞速度叠加后，为防止接近音速而导致阻力急剧增加，桨尖旋转线速度一般限定在220米/秒以内。悬停时，桨尖旋转线速度以160米/秒左右为佳。通过调节桨叶的攻角或调节桨叶转速，可以控制升力的大小。

目前，全世界在役的直升机几乎都是以上的驱动模式，即由一根主轴通过旋翼桨毂驱动桨叶转动而产生升力。不同的是构型上的差别，主要包括：单旋翼带尾桨式、双旋翼横列式、双旋翼纵列式和双旋翼共轴式。其中以单旋翼带尾桨式最为常见，数量最多，称之为常规直升机。

现有技术中具有如下缺点：

1、传统旋翼的桨叶长，几乎由旋转中心位置(约10％)开始至桨尖。因此，桨叶转动时，沿半径方向(10％至100％)与空气的相对速度差别很大，造成气动力效果差距大；

2、靠近桨根部分的桨叶线速度低，效率低，靠近桨尖部分线速度高，容 易产生激波失速，一片桨叶的总气动效率低；

3、对于不同转速的桨叶有一个相对效率高的气动形状，为适配桨根至桨尖之间的大跨度转速变化，桨叶气动形状选择和沿径向优化配置难度很大；

4、所有的桨叶只能围绕一个中心转动，决定了桨叶扫掠面积为圆盘，造成直升机的纵、横向尺寸相当。

因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种飞行器用旋翼装置来克服或至少减轻现有技术的中的至少一个上述缺陷。

为实现上述目的，本发明提供一种飞行器用旋翼装置，所述飞行器用旋翼装置包括：驱动轨道，所述驱动轨道包括传力机构以及轨道框体，所述轨道框体上设置有环形容纳槽，所述环形容纳槽的开口朝向为背对环形中心方向；旋转机构，所述旋转机构设置在所述环形容纳槽内，所述旋转机构与所述传力机构传动连接；桨叶，所述桨叶的数量为多个，并均布安装在所述旋转机构上，且每个桨叶自旋转机构处延伸，并自环形容纳槽的开口伸出；其中，所述传力机构能够驱动所述旋转机构绕所述驱动轨道运动；所述旋转机构带动所述桨叶运动，从而使桨叶产生动力。

优选地，所述驱动轨道为多个，各个驱动轨道相互叠加设置并相互连接，所述旋转机构的数量与所述驱动轨道的数量相等，且每个旋转机构设置在一个所述驱动轨道的环形容纳槽内；所述桨叶分别设置在不同的旋转机构上。

优选地，所述传力机构为电磁线圈，所述电磁线圈与所述飞行器的供电设备连接，当所述电磁线圈通电时产生磁场；所述旋转机构上设置有导体以及磁体，当所述电磁线圈产生磁场时，所述导体产生感应电流，从而产生运动力，使旋转机构绕所述驱动轨道运动。

优选地，所述旋转机构包括多个首尾相衔接的驱动单元，其中几个驱动单元上设置有安装部，该几个驱动单元称为安装部驱动单元，其他驱动单元称为普通驱动单元，每个安装部驱动单元上的安装部用于安装一个桨叶；任意一 个安装部驱动单元与其最接近的另一个安装部驱动单元所相隔的普通驱动单元的数量相等；各个所述驱动单元之间通过弹性连接单元连接。

优选地，所述驱动单元包括导体本体以及设置在导体本体边缘的磁体。

优选地，所述导体本体为长方体或正方体，且其内部中空，所述磁体设置在所述导体本体的角上。

优选地，所述飞行器用旋翼装置进一步包括：外围环状体，所述外围环状体中空，所述驱动轨道、旋转机构以及桨叶均设置在所述外围环状体的中空内部，所述外围环状体的内壁所围成的形状与所述桨叶运动时所述桨叶的叶尖所形成的运动轨迹的形状相同，且所述外围环状体的内壁与所述桨叶的叶尖之间具有空隙，所述内壁与所述桨叶的叶尖之间的空隙形成涵道。

优选地，所述传力机构包括传力轴以及连接轴，所述传力轴的输入端与飞行器的发动机连接；所述连接轴的输入端与所述传力轴的输出端连接，所述连接轴的输出端与所述旋转机构连接；或所述传力机构包括驱动电机以及驱动轮，所述驱动电机集成在驱动单元内；所述驱动轮与所述驱动电机的输出轴连接，在所述驱动电机的驱动下，所述旋转机构沿驱动轨道运动。

本发明还提供了一种飞行器，所述飞行器包括飞行器机身以及如上所述的飞行器用旋翼装置，所述飞行器用旋翼装置与所述飞行器机身连接，所述飞行器机身为所述飞行器用旋翼装置提供动力，使所述飞行器用旋翼装置工作；所述飞行器用旋翼装置用于提供升力，从而使所述飞行器飞行。

优选地，所述飞行器用旋翼装置中的驱动轨道的轨道框体整体为圆环状框体或椭圆环状框体，且所述轨道框体的中部中空；所述飞行器机身设置在所述轨道框体的中部，并与所述轨道框体连接；所述飞行器机身呈飞碟性或条状，所述飞行器机身为条状时，所述飞行器用旋翼装置设置在所述飞行器机身的中部、任意一端或者设置在所述飞行器机身的两端。

本发明的飞行器用旋翼装置将桨叶设置在旋转机构上，并相对绕驱动轨道转动，从而产生动力，该动力能够使飞行器飞行；采用这种结构，提供了一种新型飞行器用旋翼装置；该种飞行器用旋翼装置具有如下优点：

1、驱动轨道的长度可设计，从而可以根据需要而自行调整桨叶的数量以及桨叶的长度，从而为设计提供更多可能性；

2、可以采用较短的桨叶长度+较多的桨叶数量组合，桨根和桨尖与空气的相对速度差别小，根部效率低、尖部易失速度的情况大大改善，桨叶平均长度气动效率显著提高；

3、沿径向桨叶翼型及攻角变化需求不突出，气动布局设计难度变小；

4、轨道可以设计成圆形、椭圆形、圆滑过渡的多种曲线组合，直线或直线与曲线的组合，更加灵活多变，适合多样化的构型需求。

附图说明

图1是根据本发明第一实施例的飞行器用旋翼装置的结构示意图。

图2是图1所示实施例的飞行器用旋翼装置中的旋转机构及桨叶的结构示意图。

图3是图1所示实施例的旋转机构中的安装部驱动单元的结构示意图。

图4是图1所示实施例的旋转机构中的普通部驱动单元的结构示意图。

图5是图1所示实施例的旋转机构中的弹性连接单元的结构示意图。

图6是图1所示实施例的驱动轨道的截面结构示意图。

图7是根据本发明第二实施例的飞行器用旋翼装置的结构示意图。

图8是根据本发明第三实施例的飞行器用旋翼装置的结构示意图。

图9是本发明第一实施例的飞行器的结构示意图。

图10是本发明第二实施例的飞行器的结构示意图。

附图标记：

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

图1是根据本发明第一实施例的飞行器用旋翼装置的结构示意图。图2是图1所示实施例的飞行器用旋翼装置中的旋转机构及桨叶的结构示意图。图3是图1所示实施例的旋转机构中的安装部驱动单元的结构示意图。图4是图1所示实施例的旋转机构中的普通部驱动单元的结构示意图。图5是图1所示实施例的旋转机构中的弹性连接单元的结构示意图。图6是图1所示实施例的驱动轨道的截面结构示意图。图7是根据本发明第二实施例的飞行器用旋翼装置的结构示意图。图8是根据本发明第三实施例的飞行器用旋翼装置的结构示意图。图9是本发明第一实施例的飞行器的结构示意图。图10是本发明第二实施例的飞行器的结构示意图。

如图1、图7以及图8所示的飞行器用旋翼装置包括驱动轨道1、旋转机 构2以及桨叶3，驱动轨道1包括传力机构以及轨道框体11，轨道框体11上设置有环形容纳槽111，环形容纳槽111的开口朝向为背对环形中心方向；旋转机构2设置在环形容纳槽111内，旋转机构2与传力机构传动连接；桨叶3的数量为多个，并均布安装在旋转机构2上，且每个桨叶3自旋转机构处延伸，并自环形容纳槽的开口伸出；其中，传力机构能够驱动旋转机构2绕驱动轨道1运动；旋转机构2带动桨叶3运动，从而使桨叶3产生动力。

在图1所示实施例中，驱动轨道1为一个。可以理解的是，驱动轨道的数量可以根据需要而自行设定。例如，在图7及图8所示的实施例中，驱动轨道的数量为两个，各个驱动轨道1相互叠加设置并相互连接，旋转机构2的数量与驱动轨道1的数量的数量相等，且每个旋转机构2设置在一个驱动轨道1的环形容纳槽111内；桨叶3分别设置在不同的旋转机构2上。在图7及图8所示的实施例中，每个驱动轨道上的桨叶的旋转方向不同。即形成相向运转的双驱动轨道旋翼形式。

可以理解的是，根据需要，驱动轨道的数量还可以更多。例如，驱动轨道的数量为3个、4个或者其他数量。

参见图6，在本实施例中，传力机构设置在轨道框体11的内部，即环形容纳槽111内。传力机构为电磁线圈4，电磁线圈4与飞行器的供电设备连接，当电磁线圈通电时产生磁场；旋转机构2上设置有导体以及磁体，当电磁线圈4产生磁场时，导体产生感应电流，从而产生运动力，使旋转机构2绕驱动轨道1运动。磁体用于使旋转机构通过磁悬浮的方式设置在轨道框体上，防止旋转机构在旋转时与轨道框体具有干涉。具体而言，在图1、图7以及图8所示的实施例中，采用电磁驱动方式驱动旋转机构。

可以理解的是，还可以采用其他驱动方式进行驱动。例如，通过电动或者机械传动的方式。例如，在一个备选实施例中，传力机构包括传力轴以及连接轴，传力轴的输入端与飞行器的发动机连接；连接轴的输入端与传力轴的输出端连接，连接轴的输出端与旋转机构连接。采用这种方式，直接用飞行器的发动机所传递的力驱动，从而实现旋转机构绕驱动轨道运动。又例如，在另一个实施例中，传力机构包括驱动电机以及驱动轮，驱动电机集成在驱动单元21内；驱动轮与驱动电机的输出轴连接，在驱动电机的驱动下，旋转机构2 沿驱动轨道1运动。

参见图6，在该实施例中，轨道框体11的环形容纳槽111的外边缘部分设置有止挡部，该止挡部缩小了环形容纳槽111的开口大小，从而能够防止设置在环形容纳槽111中的旋转机构脱离。且该开口大小适于使桨叶伸出。

有利的是，止挡部设置成单向打开，具体地，朝向外侧(图6中纸面向外方向)打开，这样，当在环形容纳槽内设置旋转机构时，不会由于止挡部阻碍旋转机构放置在环形容纳槽内。

如图1、图7以及图8所示的实施例中，轨道框体11为圆环状框体，且其中部中空。采用这种结构，其适于采用一种新型飞行器构型。具体地，该种飞行器的飞行器机身适于放置在轨道框体11的中空的中部。

可以理解的是，轨道框体11的形状还可以是其他任意形状。例如，在一个备选实施例中，轨道框体11为椭圆环状框体，且其中部中空。采用这种结构，与图1、图7以及图8所示的实施例相同，其适于采用一种新型飞行器构型。具体地，该种飞行器的飞行器机身适于放置在轨道框体11的中空的中部。又例如，在另一个备选实施例中，轨道框体11为圆滑过渡的多种曲线组合，且其中部中空。采用这种结构，与图1、图7以及图8所示的实施例相同，其适于采用一种新型飞行器构型。具体地，该种飞行器的飞行器机身适于放置在轨道框体11的中空的中部。

可以理解的是，轨道框体11的形状还可以不采用中空形状，其还可以中部设置有连接机构(例如上述的传力轴以及连接轴)，用于与普通飞行器的机身连接，并通过中部的连接机构与飞行器机身的传力机构连接，从而如上述的机械传动的方式的实施例中所述的，通过连接机构与飞行器机身的传力机构连接，从而实现飞行器的飞行。

参见图1至图5，在本实施例中，旋转机构设置在环形容纳槽111中，因此，旋转机构的整体形状应当与环形容纳槽111的形状相适配。例如，轨道框体11为椭圆环状框体时，其上的环形容纳槽也为椭圆形，此时，旋转机构的整体形状也为相应的椭圆形。又例如，当轨道框体为圆环状框体时，其上的环形容纳槽也为圆环状，此时，旋转机构的整体形状也为相应的圆环状。

参见图2，在本实施例中，旋转机构包括多个首尾相衔接的驱动单元21， 其中几个驱动单元21上设置有安装部211，该几个驱动单元称为安装部驱动单元，其他驱动单元称为普通驱动单元，每个安装部驱动单元上的安装部211用于安装一个桨叶3；任意一个安装部驱动单元与其最接近的另一个安装部驱动单元所相隔的普通驱动单元的数量相等。

可以理解的是，使各个驱动单元首尾相衔接的连接方式有多种。例如，每个驱动单元的一端设置有环状连接部，每个驱动单元的另一端设置有钩状连接部，钩状连接部与环状连接部配合，从而形成了首尾相衔接的连接方式。

又例如，可以使每两个相互连接的驱动单元之间设置有一个连接装置，从而使各个驱动单元形成首尾相衔接的结构。

在图2所示实施例中，采用的是设置有具体的连接装置，即各个驱动单元21之间均通过弹性连接单元22连接。具体地，参见图5，弹性连接单元22包括两个连接件221以及连接两个连接件221的弹性件222，其中一个连接件221用于连接一个驱动单元21，另一个连接件221用于连接另一个驱动单元21。采用这种结构，弹性连接单元能够保证驱动单元在驱动轨道上运行时的法向柔性变形。

安装部驱动单元与普通驱动单元在结构上除了增加有安装部外，其他结构相同。因此，可以将安装部驱动单元与普通驱动单元统称为驱动单元。

参见图3及图4，在本实施例中，驱动单元21包括导体本体212以及设置在导体本体边缘的磁体213。当形成磁场时，导体本体内产生感应电流，与轨道内的磁场相互作用，从而形成动力。

参见图3及图4，在本实施例中，导体本体212为长方体。且其内部中空，磁体213设置在导体本体212的角上。可以理解的是，导体本体的形状可以根据需要而自行设定。例如，导体本体为正方体或者弯曲结构。可以理解的是，导体本体沿弧线(整个旋转机构的外边缘所形成的弧线)的宽度由桨叶数量及弧形轨道的曲率半径而定，保证驱动单元中变曲率轨道中能顺利运行。

参见图1，在本实施例中，桨叶的数量为多个，并均布在驱动单元上，具体地，均布在安装部驱动单元上。桨叶的形状、数量、长度、翼型、弦长沿展向分布特征等均为常规设定。只要能够满足本申请的飞行器用旋翼装置所安装在的飞行器上，为飞行器提供满足飞行器飞行条件的动力即可。

举例来说，以图1所示的飞行器用旋翼装置为例，假设通过电磁驱动的方式能够取得的轨道牵引速度或驱动速度为500公里/小时(现有技术中电磁驱动方式完全能够达到500公里/小时以上)，此时，线速度约为139米/秒，此即为桨叶根部(桨叶与驱动单元连接的一端)速度。

假设此时桨叶根部导轨曲率半径为1.5米(即此时环形容纳槽为圆形，旋转机构为圆形，旋转机构旋转所形成的轨迹为圆形，且该圆形的曲率半径为1.5米)。通过公式计算或者换算，能够得到139米/秒的线速度相当于角速度885转/分，假设此时桨叶长度取1米，换算出桨尖速度(桨叶的另一端)约232米/秒，对于一米长的桨叶，139米/秒-232米/秒的线速度范围完全可以覆盖现有技术的桨叶翼型形状的最佳工作速度范围，因此，对于桨叶的设计，现有技术的桨叶完全可以完成本申请的理论飞行。

而桨叶升力的大小，可以通过桨叶的运转速度和桨叶攻角大小的组合来控制，例如，可以采用桨叶恒速度加桨叶变攻角、桨叶变速度加桨叶恒攻角或者桨叶变速度加桨叶变攻角等不同常规设计组合来达到本申请的目的。

参见图8，图8为本申请的第三实施例中，该第三实施例与图7所示的第二实施例具有如下不同：

参见图8，在该实施例中，飞行器用旋翼装置进一步包括外围环状体5，外围环状体5中空，驱动轨道1、旋转机构2以及桨叶3均设置在外围环状体5的中空内部，外围环状体5的内壁所围成的形状与桨叶运动时桨叶的叶尖所形成的运动轨迹的形状相同，且外围环状体5的内壁与桨叶3的叶尖之间具有空隙，内壁与桨叶3的叶尖之间的空隙形成涵道。采用这种结构，将本申请的飞行器用旋翼装置设计成涵道式，利用涵道产生附加气动力。这种桨叶具有如下一系列优点：飞行器的有害迎风面阻力减小了。

可以理解的是，在图8所示实施例中，除了上述区别外，其他结构与图7所示实施例均相同，在此不再赘述。

可以理解的是，也可以在图1所示实施例或者其他变形实施例中安装有图8实施例所示的外围环状体。

可以理解的是，本申请的飞行器用旋翼装置可以适用于现有的各种类型的飞行器。例如，无人机、直升机、客运飞行器、货运飞行器等。可以理解的 是，本申请的飞行器用旋翼装置特别适用于直升机以及无人机。可以理解的是，本申请的飞行器用旋翼装置可以单独使用在飞行器上，也可以配合其他动力提供机构一起使用在飞行器上。例如，在一架喷气式飞行器上设置有本申请的飞行器用旋翼装置的技术方案也是可行的。

有利的是，本申请还提供了如图8或图9所示实施例的飞行器，该飞行器包括飞行器机身以及如上所述的飞行器用旋翼装置，飞行器用旋翼装置与飞行器机身6连接，飞行器机身6为飞行器用旋翼装置提供动力，使飞行器用旋翼装置工作；飞行器用旋翼装置用于提供升力，从而使飞行器飞行。

参见图8或图9，在这两个实施例中，采用的飞行器用旋翼装置中的驱动轨道的轨道框体整体为圆环状框体，且轨道框体的中部中空的构型；该飞行器机身6设置在轨道框体11的中部，并与轨道框体11连接。

可以理解的是，轨道框体的具体形状还可以是其他形状。例如，轨道框体的形状为椭圆形环状框体。

可以理解的是，飞行器机身的形状也可以根据需要而自行设定。例如，参见图10，在该实施例中，飞行器机身的形状为飞碟形。参见图9，在该实施例中，飞行器机身6呈条状，且飞行器用旋翼装置设置在飞行器机身的中部。可以理解的是，在飞行器机身为条状的实施例中，飞行器用旋翼装置还可以设置在飞行器机身6的中任意一端或者设置在飞行器机身的两端。

可以理解的是，飞行器机身即可以是无人机类型的、无法容纳人的小机身，也可以是只能容纳飞行员类型的机身、还可以是进行载货或者载客类型的大机身。

采用上述结构的飞行器，具有如下优点：

1、飞行器机身设置在驱动轨道中部，根据所需飞行器机身的大小和形状，可优化驱动轨道的形状和大小。

2、由于飞行器机身可完全置于驱动轨道内部空间，上部(图8或图9中所示上方)无遮挡，可不影响采用弹射救生技术，使得载客式飞行器的集体乘客弹射救生技术成为可能。

3、桨叶上部和下部没有任何气动遮挡或阻塞，相对常规飞行器(例如直升机)，效率得到提高。

4、在与飞行器机身不干涉的前提下，旋翼可以根据需要移动至飞行器机身的任意一端，进一步提高悬停起飞效率。

5、由于飞行器机身设置在驱动轨道内部，轨道曲率以及形状均可以根据需要而自行设定，不会由于飞行器机身干扰而限制形状。

采用本申请的飞行器用旋翼装置具有如下优点：

1、轨道的长度可设计，可安放更多的桨叶，以适应不同升力的飞行器机身。

2、较短的桨叶长度+较多的桨叶数量组合，桨根和桨尖与空气的相对速度差别小，大大改善了根部效率低、尖部易失速度的情况，桨叶平均长度气动效率显著提高。

3、沿径向桨叶翼型及攻角变化需求不突出，气动布局设计难度变小；

4、轨道可以设计成圆形、椭圆形、圆滑过渡的多种曲线组合，直线或直线与曲线的组合，更加灵活多变，适合多样化的飞行器机身构型需求。

5、桨叶运行轨迹的多变，其气动通道可以避开飞行器机身等结构的阻塞，实现气动效率更大化。

6、在一些实施例中，驱动轨道的中间部位中空，可用于安放飞行器机身，不受旋转桨叶的影响，机组的弹射救生成为可能。

本申请还提供了一个备选实施例，具体地，驱动轨道包括轨道框体以及磁场发生机构。轨道框体内部设置有环形空腔，轨道框体的内壁开有沟槽。磁场发生机构由若干线圈组绕而成，线圈设置在轨道框体内壁沟槽，形成类似直线驱动电机的初级，通电后产生磁场。

旋转机构设置在所述环形空腔内，包括驱动单元以及弹性连接件，驱动单元与弹性连接件间隔相连。驱动单元类似直线驱动电机的次级，在轨道框体环形空腔内的磁场作用下产生周向驱动力。弹性连接件可以产生适当的变形，允许旋转机构沿变曲率的轨道运动。驱动单元上放置有磁体，使旋转机构能够在轨道空腔内的磁场中悬浮运动。

桨叶均布，安装在所述旋转机构的驱动单元上，且每个桨叶自旋转机构的驱动单元处延伸，并自环形空腔的开口伸出。驱动单元能够驱动旋转机构沿驱动轨道运动，并带动桨叶运动，从而使桨叶产生气动力。

采用这种结构具有驱动轨道的长度及曲率形状可设计、显著提高桨叶平均长度气动效率和降低桨叶气动布局设计难度等优点，也为新构型旋翼飞行器设计提供了另一种选择。

可以理解的是，与该备选实施例中的飞行器用旋翼装置所配合的飞行器的电源供给装置所提供的电流可以是交流电、也可以是直流电，根据供电类型的不同，线圈绕组方式及与驱动单元的协调关系也需进行相应的改动。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。