分布式螺旋桨推动系统、控制方法及飞行器与流程

本发明涉及飞行器，特别地，涉及一种分布式螺旋桨推动系统以及一种用于控制上述分布式螺旋桨推动系统的控制方法，此外，还涉及一种采用上述分布式螺旋桨推动系统的飞行器。

背景技术：

通过螺旋桨推动系统驱动螺旋桨转动以給飞行器的运动提供力，现有的飞行器大多采用超大直径螺旋桨，一部分将一个螺旋桨朝飞行器的行驶方向安装于机头处或者两个螺旋桨朝飞行器的行驶方向对称安装于飞行器两侧的机翼上以给飞行器提供水平拉力，一部分将螺旋桨安装飞行器的顶部以给飞行器提供升力，由于仅通过控制一个或两个螺旋桨的转动以改变飞行器的运动状态，控制的灵活性较差且准确性不高。并且由于现有的螺旋桨推动系统采用涡桨发动机驱动螺旋桨转动，涡浆发动机的功重比(功率/重量)随着功率减小而减小，因此若将原本通过一个大功率的发动机驱动一个大直径的螺旋桨改变为通过多个小功率的发动机分别驱动多个螺旋桨，会造成动力装置的总重量增加，增加了螺旋桨推动系统的负荷，增加了能耗。

技术实现要素：

本发明提供了一种分布式螺旋桨推动系统、控制方法及飞行器，以解决现有的飞行器通过螺旋桨推动系统控制螺旋桨转动以改变运动状态时灵活性差和准确性不高的技术问题。

根据本发明的一个方面，提供一种分布式螺旋桨推动系统，用于驱动螺旋桨转动，包括飞行器自身的机载电力单元、与机载电力单元电连接的主动力单元以及与机载电力单元电连接的副动力单元，机载电力单元、主动力单元以及副动力单元均与飞行器的控制系统连接；机载电力单元包括用于储能和供电的机载电池以及用于将机载电池和主动力单元以及副动力单元连接的电源总线；主动力单元包括主螺旋组件、第一端与主螺旋组件的动力输入端连接的用于驱动主螺旋组件运转的涡轴发动机以及输入端与涡轴发动机的第二端连接的用于将涡轴发动机涡轮端提供的动能转换为电能并输送至机载电池的发电机；副动力单元包括副螺旋组件以及输出端与副螺旋组件的动力输入端连接并与主动力单元电连接的用于驱动副螺旋组件运转的电机。

进一步地，一个主动力单元分布于飞机器的机头处和/或多个主动力单元对称分布于飞行器两侧；多个副动力单元对称分布于飞行器两侧。

进一步地，主螺旋组件包括主螺旋桨以及用于将涡轴发动机第一端提供的动力传递至主螺旋桨以驱动主螺旋桨旋转并控制主螺旋桨绕飞行器的横向轴向倾转朝向不同方向以给飞行器提供不同方向的推进力的主倾转装置，主倾转装置的动力输入端与涡轴发动机的第一端连接，主倾转装置的动力输出端与主螺旋桨连接；和/或副螺旋组件包括副螺旋桨以及用于将电机提供的动力传输至副螺旋桨以驱动副螺旋桨旋转并控制副螺旋桨绕飞行器的横向轴向倾转朝向不同方向以给飞行器提供不同方向的推进力的副倾转装置，副倾转装置的动力输入端与电机连接，副倾转装置的动力输出端与副螺旋桨连接。

进一步地，主倾转装置包括与涡轴发动机的第一端连接的主动力输入轴、固定于涡轴发动机上的用于安装主动力输入轴的主固定机匣、用于将主动力输入轴的动力改变方向后传输至主螺旋桨的主换向传输机构、与主固定机匣转动连接的用于安装主换向传输机构的主转动机匣、固定端固定于飞行器上而活动端固定于主转动机匣上用于沿主转动机匣的周向推动主转动机匣绕主固定机匣转动的主推动机构，主换向传输机构的输入端与主动力输入轴的输出端连接，主换向传输机构的输出端与主螺旋桨连接；和/或副倾转装置包括与电机的输出端连接的副动力输入轴、固定于电机上的用于安装副动力输入轴的副固定机匣、用于将副动力输入轴的动力改变方向后传输至副螺旋桨的副换向传输机构、与副固定机匣转动连接的用于安装副换向传输机构的副转动机匣以及固定端固定于飞行器上而活动端固定于副转动机匣上用于沿副转动机匣的周向推动副转动机匣绕副固定机匣转动的副推动机构，副换向传输机构的输入端与副动力输入轴的输出端连接，副换向传输机构的输出端与副螺旋桨连接。

进一步地，主换向传输机构包括用于连接主螺旋桨的主输出浆轴以及用于分别连接主动力输入轴的输出端和主输出浆轴的输入端的用于将主动力输入轴沿轴向传输的动力沿径向传输至主输出浆轴的主换向齿轮副，主动力输入轴的输入端通过固定于主固定机匣内的轴承安装于主固定机匣内，主动力输入轴的输出端伸入主转动机匣内与主换向齿轮副的输入端连接；和/或副换向传输机构包括用于连接副螺旋桨的副输出浆轴以及用于分别连接副动力输入轴的输出端和副输出浆轴的输入端的用于将副动力输入轴沿轴向传输的动力沿径向传输至副输出浆轴的副换向齿轮副，副动力输入轴的输入端通过固定于副固定机匣内的轴承安装于副固定机匣内，副动力输入轴的输出端伸入副转动机匣内与副换向齿轮副的输入端连接。

进一步地，主换向齿轮副包括固定于主动力输入轴的输出端上的第一主动锥齿轮以及与第一主动锥齿轮啮合连接的从动锥齿轮轴，第一主动锥齿轮的轴线与从动锥齿轮轴的轴线垂直；从动锥齿轮轴通过设于从动锥齿轮轴上的主动圆柱齿轮与设于主输出桨轴上的从动圆柱齿轮啮合连接。

进一步地，副换向齿轮副包括固定于副动力输入轴的输出端上的第一主动锥齿轮以及与第一主动锥齿轮啮合连接的从动锥齿轮轴，第一主动锥齿轮的轴线与从动锥齿轮轴的轴线垂直；从动锥齿轮轴通过设于从动锥齿轮轴上的主动圆柱齿轮与设于副输出桨轴上的从动圆柱齿轮啮合连接；或者副输出桨轴与从动锥齿轮共轴装配。

进一步地，涡轴发动机的输出轴与飞行器的机身平行，主动力输入轴包括与涡轴发动机的输出轴共轴装配的主功率输入轴以及垂直于主功率输入轴并与主换向传输机构连接的主换向传输轴，主功率输入轴通过设于主功率输入轴输出端上的第二主动锥齿轮与设于主换向传输轴输入端上的第一从动锥齿轮啮合连接以将动力换向传输至主换向传输轴；和/或电机的输出轴与飞行器的机身平行，副动力输入轴包括与电机的输出轴共轴装配的副功率输入轴以及垂直于副功率输入轴并与副换向传输机构连接的副换向传输轴，副功率输入轴通过设于副功率输入轴输出端上的第三主动锥齿轮与设于副换向传输轴输入端上的第二从动锥齿轮啮合连接以将动力换向传输至副换向传输轴。

根据本发明的另一方面，还提供了一种分布式螺旋桨推动系统的控制方法，用于控制上述分布式螺旋桨推动系统，包括以下步骤：启动涡轴发动机第一端以驱动主螺旋组件转动；当涡轴发动机第一端的输出功率小于涡轴发动机的最大输出功率时，启动涡轴发动机的第二端以驱动发电机将涡轴发动机的第二端提供的动能转换为电能并输送至机载电池；通过机载电池给电机提供电能以驱动副螺旋组件转动。

根据本发明的另一方面，还提供了一种飞行器，包括上述分布式螺旋桨推动系统。

本发明具有以下有益效果：

本发明的分布式螺旋桨推动系统，通过飞行器的控制系统分别控制主动力单元和副动力单元驱动主螺旋组件和副螺旋组件转动以改变飞行器的运动状态，控制的灵活性更高且控制更加精确；其中，主动力单元采用涡轴发动机驱动主螺旋组件，通过涡轴发动机的第一端驱动主螺旋组件转动，同时在涡轴发动机的第二端连接发电机，通过发电机将涡轴发动机的第二端提供的动能转换成电能并输送至机载电池储存以供副动力单元中电机使用；副动力单元采用与机载电力单元电连接的电机驱动副螺旋组件转动，电机将机载电池提供的电能转换为动能驱动副螺旋桨转动，由于电机具有相对尺度近似无关的特性即功重比不随功率的减小而减小，因此采用多个较小尺寸的螺旋桨取代一个大尺寸的螺旋桨，通过设置多个副动力单元中的电机分别驱动不同的较小尺寸的副螺旋组件以调整飞行器的运动状态，进一步提高了控制的灵活性和准确性，有效地提高了螺旋桨推动系统的涵道比和巡航状态时飞行器的升阻比，且不会增加螺旋桨推动系统的负荷。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的分布式螺旋桨推动系统的模块示意图；

图2是本发明优选实施例的倾转装置的结构示意图。

图例说明：

100、涡轴发动机；200、发电机；300、主螺旋桨；1、主动力输入轴；11、主功率输入轴；12、主换向传输轴；13、第二主动锥齿轮；14、第一从动锥齿轮；2、主固定机匣；3、主换向传输机构；31、主输出桨轴；32、第一主动锥齿轮；33、从动锥齿轮轴；34、主动圆柱齿轮；35、从动圆柱齿轮；4、主转动机匣。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。

图1是本发明优选实施例的分布式螺旋桨推动系统的模块示意图；图2是本发明优选实施例的主动力单元的结构示意图。

如图1所示，本实施例的分布式螺旋桨推动系统，用于驱动螺旋桨转动，包括飞行器自身的机载电力单元、与机载电力单元电连接的主动力单元以及与机载电力单元电连接的副动力单元，机载电力单元、主动力单元以及副动力单元均与飞行器的控制系统连接；机载电力单元包括用于储能和供电的机载电池以及用于将机载电池和主动力单元以及副动力单元连接的电源总线；主动力单元包括主螺旋组件、第一端与主螺旋桨300的动力输入端连接的用于驱动主螺旋桨300转动的涡轴发动机100以及输入端与涡轴发动机100的第二端连接的用于将涡轴发动机100涡轮端提供的动能转换为电能并输送至机载电池的发电机200；副动力单元包括副螺旋组件以及输出端与副螺旋桨的动力输入端连接并与主动力单元电连接的用于驱动螺旋桨转动的电机。本发明的分布式螺旋桨推动系统，通过飞行器的控制系统分别控制主动力单元和副动力单元驱动驱动主螺旋组件和副螺旋组件转动以改变飞行器的运动状态，控制的灵活性更高且控制更加精确；其中，主动力单元采用涡轴发动机100驱动主螺旋组件，通过涡轴发动机100的第一端驱动主螺旋组件转动，同时在涡轴发动机100的第二端连接发电机200，通过发电机200将涡轴发动机100的第二端提供的动能转换成电能并输送至机载电池储存以供副动力单元中电机使用；副动力单元采用与机载电力单元电连接的电机驱动副螺旋组件转动，电机将机载电池提供的电能转换为动能驱动副螺旋桨转动，由于电机具有相对尺度近似无关的特性即功重比不随功率的减小而减小，因此采用多个较小尺寸的螺旋桨取代一个大尺寸的螺旋桨，通过设置多个副动力单元中的电机分别驱动不同的较小尺寸的副螺旋组件以调整飞行器的运动状态，进一步提高了控制的灵活性和准确性，有效地提高了螺旋桨推动系统的涵道比和巡航状态时飞行器的升阻比，且不会增加螺旋桨推动系统的负荷。

一个主动力单元分布于飞机器的机头处和/或多个主动力单元对称分布于飞行器两侧；多个副动力单元对称分布于飞行器两侧。可选地，一个主动力单元设于飞行器的机头上，两个副动力单元对称分布于飞行器两侧的机翼上。可选地，飞行器设有一对机翼，两个主动力单元对称分布于飞行器两侧的机翼上，两个副动力单元对称分布于飞行器两侧的机翼上。可选地，飞行器设有两对机翼，两个主动力单元对称分布于其中一对机翼上，两个主动力单元对称分布于另一对机翼上，两个副动力单元对称分布于其中一对机翼上，两个副动力单元对称分布于另一对机翼上。通过飞行器的控制系统分别控制多个主动力单元和/多个副动力单元驱动不同的螺旋桨5转动以调整飞行器的运动状态，从而提高了控制的灵活性和准确性。

如图2所示，在本实施例中，主螺旋组件包括主螺旋桨300以及用于将涡轴发动机100第一端提供的动力传递至主螺旋桨300以驱动主螺旋桨300旋转并控制主螺旋桨300绕飞行器的横向轴向倾转朝向倾转朝向不同方向以给飞行器提供不同方向的推进力的主倾转装置，主倾转装置的动力输入端与涡轴发动机100的第一端连接，主倾转装置的动力输出端与主螺旋桨300连接；副螺旋组件包括副螺旋桨以及用于将电机提供的动力传递至副螺旋桨以驱动副螺旋桨旋转并控制副螺旋桨绕飞行器的横向轴向倾转朝向倾转朝向不同方向以给飞行器提供不同方向的推进力的副倾转装置，副倾转装置的动力输入端与电机连接，副倾转装置的动力输出端与副螺旋桨连接。通过主倾转装置将涡轴发动机100提供的动力传输至主螺旋桨300以及通过副倾转装置将电机提供的动力传输至副螺旋桨，同时通过主倾转装置带动主螺旋桨300倾转以及通过副倾转装置带动副螺旋桨倾转，当飞行器需要起降或悬停时，将主螺旋桨300和副螺旋桨倾转至竖直位置以提供升力，使飞行器以直升机模式工作，当飞行器平飞时，将主螺旋桨300和副螺旋桨倾转至水平位置以提供水平拉力，使飞行器以涡桨固定翼飞机模式工作，并且涡轴发动机100和电机的位置不会发生改变，因此不会影响飞行器运行的稳定性。当飞行器需要改变工作模式时，通过一个或多个主动力单元以及多个副动力单元中的倾转装置逐个倾转螺旋桨已完成飞行器工作模式的转换，从而避免工作模式突然转换造成飞行器运行不稳定。可选地，主螺旋组件包括主动力单元中的主螺旋桨300为竖直朝上，副动力单元中的副螺旋桨为水平朝前，当飞行器需要起降或悬停时，控制主动力单元中的涡轴发动机100驱动主螺旋桨300转动，使飞行器以直升机模式工作，当飞行器平飞时，控制副动力单元中的动力装置驱动螺旋桨转动，使飞行器以涡桨固定翼飞机模式工作。

如图2所示，主倾转装置包括与涡轴发动机100的第一端连接的主动力输入轴1、固定于涡轴发动机100上的用于安装主动力输入轴1的主固定机匣2、用于将主动力输入轴1的动力改变方向后传输至主螺旋桨300的主换向传输机构3、与主固定机匣2转动连接的用于安装主换向传输机构3的主转动机匣4以及固定端固定于飞行器上而活动端固定于主转动机匣4上用于沿主转动机匣4的周向推动主转动机匣4绕主固定机匣2转动的主推动机构，主换向传输机构3的输入端与主动力输入轴1的输出端连接，主换向传输机构3的输出端与主螺旋桨300连接。主推动机构包括活动端固定于主转动机匣4上的主推杆以及用于伸缩调节主推杆以沿主转动机匣周向推动或拉动主转动机匣绕主固定机匣2转动的主驱动气缸。副倾转装置包括与电机的输出端连接的副动力输入轴、固定于电机上的用于安装副动力输入轴的副固定机匣、用于将副动力输入轴的动力改变方向后传输至副螺旋桨的副换向传输机构、与副固定机匣转动连接的用于安装副换向传输机构的副转动机匣以及固定端固定于飞行器上而活动端固定于副转动机匣上用于沿副转动机匣的周向推动副转动机匣绕副固定机匣转动的副推动机构，副换向传输机构的输入端与副动力输入轴的输出端连接，副换向传输机构的输出端与副螺旋桨连接。副推动机构包括活动端固定于副转动机匣上的副推杆以及用于伸缩调节副推杆以沿副转动机匣周向推动或拉动副转动机匣绕副固定机匣转动的副驱动气缸。当主倾转装置倾转主螺旋桨300以改变飞行器的运动模式时，由于主螺旋桨300的倾转过程中涡轴发动机100的位置不会发生改变，涡轴发动机100第一端的动力传输方向不变，而主螺旋桨300的位置发生改变即动力输出方向发生改变，通过主换向传输机构3将涡轴发动机100第一端传输至主动力输入轴1的动力改变方向后传输至主螺旋桨300。主转动机匣4和主固定机匣2内均设有用于安装轴承的轴承座，主动力输入轴1通过轴承安装于主固定机匣2内，主换向传输机构3通过轴承安装于主转动机匣4内，因此推动机构沿主转动机匣4的周向推动主转动机匣4转动并带动主转动机匣4内的主换向传输机构3倾转，同时不影响主动力传输轴带动主换向传输机构3转动，因此动力传输不受影响。

如图2所示，主换向传输机构包括用于连接主螺旋桨的主输出浆轴以及用于分别连接主动力输入轴的输出端和主输出浆轴的输入端的用于将主动力输入轴沿轴向传输的动力沿径向传输至主输出浆轴的主换向齿轮副，主动力输入轴的输入端通过固定于主固定机匣内的轴承安装于主固定机匣内，主动力输入轴的输出端伸入转动机匣内与主换向齿轮副的输入端连接；副换向传输机构包括用于连接副螺旋桨的副输出浆轴以及用于分别连接副动力输入轴的输出端和副输出浆轴的输入端的用于将副动力输入轴沿轴向传输的动力沿径向传输至副输出浆轴的副换向齿轮副，副动力输入轴的输入端通过固定于副固定机匣内的轴承安装于副固定机匣内，副动力输入轴的输出端伸入转动机匣内与副换向齿轮副的输入端连接。如图2所示，主换向齿轮副包括固定于主动力输入轴1的输出端上的第一主动锥齿轮32以及与第一主动锥齿轮32啮合连接的从动锥齿轮轴33，第一主动锥齿轮32的轴线与从动锥齿轮轴33的轴线垂直；从动锥齿轮轴33通过设于从动锥齿轮轴33上的主动圆柱齿轮34与设于主输出桨轴31上的从动圆柱齿轮35啮合连接。通过从动锥齿轮轴33上的主动圆柱齿轮34与设于主输出桨轴31上的从动圆柱齿轮35将转速减小以匹配主螺旋桨300所需的转速。可选地，第一主动锥齿轮32与从动锥齿轮轴33的传动比大于1，从动锥齿轮轴33上的主动圆柱齿轮34与设于主输出桨轴31上的从动圆柱齿轮35的传动比大于1。可选地，第一主动锥齿轮32与从动锥齿轮轴33的传动比大于1，从动锥齿轮轴33上的主动圆柱齿轮34与设于主输出桨轴31上的从动圆柱齿轮35的传动比等于1。

在本实施例中，电机的输出轴的最低转速小于副螺旋桨所需调节的转速时，副输出桨轴与从动锥齿轮共轴装配，通过从动锥齿轮轴33直接将动力传输至副输出桨轴，副输出桨轴的转速与从动锥齿轮轴33的转速相等。可选地，当电机第一端的最低转速大于副螺旋桨所需调节的转速时，副换向齿轮副包括固定于副动力输入轴的输出端上的第一主动锥齿轮32以及与第一主动锥齿轮32啮合连接的从动锥齿轮轴33，第一主动锥齿轮32的轴线与从动锥齿轮轴33的轴线垂直；从动锥齿轮轴33通过设于从动锥齿轮轴33上的主动圆柱齿轮34与设于副输出桨轴上的从动圆柱齿轮35啮合连接。当电机第一端的最低转速小于副螺旋桨所需调节的转速时，第一主动锥齿轮32与从动锥齿轮轴33的传动比等于1，从动锥齿轮轴33上的主动圆柱齿轮34与设于副输出桨轴上的从动圆柱齿轮35的传动比等于1。

如图2所示，涡轴发动机100的输出轴与飞行器的机身的纵向轴向平行即，主动力输入轴1包括与涡轴发动机100的输出轴共轴装配的主功率输入轴11以及垂直于主功率输入轴11并与主换向传输机构3连接的主换向传输轴12，主功率输入轴11通过设于主功率输入轴11输出端上的第二主动锥齿轮13与设于主换向传输轴12输入端上的第一从动锥齿轮14啮合连接以将动力换向传输至主换向传输轴12；电机的输出轴与飞行器的机身的纵向轴向平行，副动力输入轴包括与电机的输出轴共轴装配的副功率输入轴以及垂直于副功率输入轴并与副换向传输机构连接的副换向传输轴，副功率输入轴通过设于副功率输入轴输出端上的第三主动锥齿轮与设于副换向传输轴输入端上的第二从动锥齿轮啮合连接以将动力换向传输至副换向传输轴。可选地，涡轴发动机100的输出轴与机翼的延伸方向平行，主动力输入轴1为与涡轴发动机100的输出轴共轴装配的主功率输入轴11，主功率输入轴11通过设于输出端的第二主动锥齿轮1313与主换向传输机构33输入端的从动锥齿轮14啮合连接。可选地，电机的输出轴与机翼的延伸方向平行，副动力输入轴为与电机的输出轴共轴装配的副功率输入轴，主功率输入轴11通过设于输出端的第三主动锥齿轮与副换向传输机构输入端的第二从动锥齿轮啮合连接。

本实施例的分布式螺旋桨推动系统的控制方法，用于控制上述分布式螺旋桨推动系统，包括以下步骤：启动涡轴发动机100第一端以驱动主螺旋组件转动；当涡轴发动机100第一端的输出功率小于涡轴发动机100的最大输出功率时，启动涡轴发动机100的第二端以驱动发电机200将涡轴发动机100的第二端提供的动能转换为电能并输送至机载电池；通过机载电池给电机提供电能以驱动副螺旋组件转动。

本实施例的飞行器，包括上述分布式螺旋桨推动系统。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。