专利名称：用于飞行器的滚翼装置的制作方法
用于飞行器，特别是直升机这类垂直起落型飞行器的滚翼装置。
现有的象直升机这种飞行器，主要是靠绕垂直轴转动的螺旋桨，即旋翼来提供升力和拉力的。从旋翼的工作状态看，它总是以一定的迎角把空气排向下方的，转动过程中没有扑翼那种效率较高的工作特性，这使旋翼本身的效率还不是很高。同时，在直升机前飞时，因结构上的限制，旋翼不能为产生向前拉力而倾斜很大的角度，使总升力中分离出的向前拉力相对较少，从而降低了前飞时的飞行效率。由此可见，把这种普通的旋翼应用于垂直起落型飞行器中，它存在着效率相对较低，在结构上不易大范围改变拉力方向等一些明显的缺点。
本发明的目的是设计一种具有扑翼工作特性的滚翼装置，使它在保持较高效率的同时，还可在较大范围内很方便地改变拉力方向，以适应飞行器的垂直起落或平飞状态。
这种新的用于飞行器的滚翼装置主要包括转架、滚翼和控制滚翼的传动机构等。由主轴把内架和外架连成一体，构成转架，转架以水平或略向上倾斜状态安装在机体的支撑翼外端，通过传动机构被机体内的动力装置驱动旋转。滚翼由翼梁和套装在其上的叶片构成，通过翼梁上的轴颈装在转架外端的轴承上，滚翼至少采用两个，并与主轴平行且对称布置。在主轴上或与主轴同轴、靠近转架的位置处，设有被控制系统操纵的中心轮，滚翼通过翼梁上的从动轮经传动机构被中心轮带动，两者同向传动，传动比是2∶1。
由于滚翼与中心轮之间所特定的运转关系，当滚翼被带动绕主轴旋转时，滚翼便以“迎角”、“扑翼”等角度状态，把气流排向一定的方向，从而获得反作用力。在滚翼以“扑翼”状态与空气相互作用时，因滚翼是把空气直接向下扇动的，这使滚翼所产生的拉力也最大，使滚翼的工作效率得到提高。因为只通过控制中心轮，就可在很大范围内方便地改变滚翼装置的拉力方向，根据这一特点，滚翼装置很适合用于象直升机和飞艇这类需垂直或短距起落的飞行器中。由于改变滚翼装置的拉力方向很容易，这会进一步增加飞行器的飞行灵活性。
滚翼装置的工作原理、各实施例中的具体结构和在飞行器中的实际应用根据以下附图详细说明。
图1滚翼旋转时的角度变化2滚翼叶片的翼形剖面3控制系统示意图，产生垂直向上的拉力图4产生倾斜向前的拉力图5滚翼装置的俯视剖面6滚翼装置上的迎角减小机构的侧视放大7图6中A-A剖视8采用两级圆锥齿轮传动机构的滚翼装置的主视9采用单级链条传动机构的滚翼装置的主视10单体结构转架的滚翼装置的主视11滚翼式直升机图12滚翼式飞艇滚翼装置的运转原理参看图1，在动力装置带动主轴(7)使转架(6)和其上的滚翼(16)按箭头(15)方向旋转时，滚翼不但绕主轴旋转，还通过传动机构被相对固定的中心轮(36)带动自转，以特定的角度变化规律同空气相互作用，从而把气流(53)向一定方向排去，使滚翼本身受到反作用力，即飞行器飞行所需的拉力。图中滚翼装置是把气流排向下方，产生了如箭头(52)所示的向上拉力。
滚翼(16)在绕主轴(7)旋转时，其自身的角度变化如图1所示。在滚翼(16)从位置A转到位置B的过程中，滚翼以迎角状态把空气(53)排向下方，产生如箭头(52)所示的向上拉力。滚翼在这一角度范围的工作状态与一般螺旋桨的工作状态相似，只是迎角较大，尤其在垂直中线处达45°。为避免因迎角较大使滚翼背面的气流失速分离，造成升力减小，在具体实施例中将在滚翼装置上增设迎角减小机构，使转到这一角度范围的滚翼迎角偏离原来的状态，减小到图中双点划线所示位置。所增设的迎角减小机构只在滚翼装置产生垂直向上的拉力时，才对滚翼起控制作用。而在滚翼装置产生倾斜向前或水平拉力时，滚翼仍以原来的角度状态运转。
滚翼(16)从位置B转到位置C过程中，是直接把空气(53)扇向下方的，滚翼以这种角度和空气相互作用，所受的空气阻力就是向上拉力。滚翼这时的运行状态与鸟的翅膀向下扇动即“扑翼”是相同的，滚翼从位置B转到位置C，因以最大的面积向下扇动，所产生的向上拉力(如箭头52所示)也很大，这时与空气相互作用的效率也最高。
滚翼(16)从位置C转到位置D过程中，也是在迎角状态下象螺旋桨那样把空气(53)排向下方的，以产生向上的拉力(52)。在滚翼(16)转到下面的垂直轴线的位置时，尽管迎角也达到45°，但因滚翼是处在下部位置，在滚翼的离心作用和向下扇动作用下，气流会冲到滚翼背面，而不发生失速分离。
在滚翼从位置D转到位置A过程中，因滚翼移动方向与拉力(52)方向相同，不会产生向上的拉力，只是以最小的迎风面积转过这一角度范围，使滚翼受到的阻力最小。
当滚翼(16)从位置D转过位置A后，又开始向位置B转动，以继续重复上述的转动过程，把空气排向下方，产生向上的拉力。图中滚翼装置产生的是垂直向上的拉力，当控制中心轮(36)把拉力方向转到倾斜向前时，滚翼所处的各个角度位置都将变得十分有利，使产生的拉力能分解出向前的水平拉力和向上的垂直拉力。
与一般的螺旋桨相比，滚翼装置的滚翼(16)没有前后缘之分，它是一种两端都很尖的翼形，以适应滚翼在绕主轴转动和自转时不断改变的前后位置。图2示出了滚翼叶片(17)的翼形剖面放大图，这种翼形是个对称的双弧形，两端的缘很尖，剖面也较薄，形状比较简单。叶片(17)套装在翼梁(18)上。
滚翼装置改变拉力方向是通过控制中心轮来实现的，中心轮(36)被控制系统操纵的原理如图3所示。图3中的滚翼装置产生的是垂直向上的拉力，如需要把拉力转到图4所示的倾斜向前方向，控制操纵杆(40)，带动控制系统的装置(41)、(42)，使控制件(43)带动中心轮(36)沿箭头(44)方向转动，滚翼(16)的角度位置就会随之变化，把拉力方向转到图4所示的倾斜向前状态。控制中心轮转动多少角度，就可让拉力方向改变多少角度。通过控制操纵杆(40)，可很容易地把拉力方向改成向前、向上或向后。
滚翼装置在具体实施例中的结构如图5所示，它的转架(6)是由主轴(7)把内架(8)和外架(9)连成一体，主轴(7)是一个轴管，通过轴承(4)装在支撑翼(2)外侧的支撑轴(3)上。在主轴(7)的内侧装有从动轮(11)，机体内的动力装置经传动机构的传动轴(13)和驱动齿轮(12)，可带动从动轮(11)，使主轴(7)、转架(6)及滚翼(16)旋转。转架(6)上安装了两个滚翼(16)，滚翼通过其上的轴颈(19)装在内架(8)和外架(9)的轴承(10)上，对称地布置在主轴(7)两侧。如果需要，也可在转架(6)上对称地布置三个滚翼。内、外转架(8)、(9)把翼梁(18)上的叶片(17)分成三部分，处在中间位置的叶片较大，两侧的叶片相对较小。
在图5所示的滚翼装置中，滚翼与中心轮之间采用的是两级链条传动机构。滚翼装置所增设的迎角减小机构，可以与这种传动机构组合在一起。传动机构的结构由图可见，各滚翼翼梁(18)上的从动轮(20)处在相同的轴向位置上，通过链条(21)与转架(6)上相对的传动轴(23)内侧上的二级传动轮(22)相连，每传动轴(23)上另一侧的一级传动轮(24)则在轴向上相互错开一定的间隔，通过链条(26)与相对应的中心轮(36)相连接。在这里，因转架上装了两个滚翼，相对应的中心轮(36)也是采用两个，并制成一体，位于转架外侧，装在穿过支撑轴。(3)的控制轴(37)外端，使中心轮通过该控制轴被机体内的控制系统操纵。
在滚翼装置中是否加设迎角减小机构，主要是由飞行器的类型所决定。象直升机这种全部上升力都是由滚翼装置提供的情况下，就应加设迎角减小机构，以消除滚翼转到上部位置时产生的失速分离现象。迎角减小机构的结构如图6和图7所示，它安装在采用两级链条传动机构的滚翼装置上。由图可见，迎角减小机构主要是由装在传动轴(23)上的凸轮机构构成。因凸轮机构要控制传动轴(23)偏转，让滚翼的迎角发生变化，传动轴(23)与其上的一级传动轮(24)之间是以弹簧(28)连接，使两者至少能相对回转30°的角度。一级传动轮(24)通过两端面上的盖圈(25)装在传动轴(23)的挡轮(27)上，弹簧(28)设在两盖圈当中，其两端沿径向顶在挡轮(27)和一级传动轮(24)上。凸轮(31)固定在支撑轴(3)的外端，在传动轴(23)的中部装有带两个压轮(30)的支架(29)。当滚翼装置产生垂直向上的拉力时，随转架(6)转到上部位置的传动轴(23)通过支架(29)和压轮(30)能被固定在支撑轴(3)外端的凸轮(31)控制偏转，让滚翼减小迎角，避免背面的气流失速分离。
凸轮(31)被固定在这样的位置上，在滚翼装置产生垂直向上拉力时，当转架(6)按箭头(15)方向转到距垂直轴线45°左右的位置后，随传动轴(23)转动的支架(29)上的压轮(30)便逐渐与凸轮(31)接触，迫使传动轴上的挡轮(27)压缩与一级传动轮(24)之间的弹簧(28)，让传动轴(23)相对一级传动轮(24)偏转，再通过二级传动轮(22)和链条(21)带动滚翼减小迎角。在滚翼随转架(6)转到上部的垂直轴线位置时，滑行在凸轮(31)上的压轮(30)也被抬起到最高距离，使滚翼的迎角从原来的45°减小到不产生气流失速分离的15°左右。当转架(6)转过垂直轴线45°以后，支架(29)上的压轮(30)也离开凸轮(31)，不再受凸轮控制。如果控制中心轮(36)，使滚翼装置的拉力转到倾斜向前或水平方向，因传动轴(24)上的支架(29)也发生角度变化，使压轮(30)的转动轨迹远离凸轮(31)，让凸轮接触不着压轮，迎角减小机构便不再起控制作用。
在滚翼装置上增设迎角减小机构后，滚翼上的从动轮(20)与传动轴上的二级传动轮(22)间传动比是1∶1，传动轴另一侧的一级传动轮(24)与中心轮(36)间传动比是2∶1。传动轴(23)在转架(6)上的安装位置应做到在转架旋转时，传动轴(23)不与固定在支撑轴(3)外端的凸轮(31)发生碰撞。
在滚翼装置中，滚翼与中心轮之间除采用两级链条传动机构以外，图8和图9中的实施例还给出了另外两种不同的传动机构。图8描绘的滚翼装置采用了两级圆锥齿轮传动机构，在这种传动机构中，滚翼(16)上的从动轮(20)经相啮合的传动轮(32)、转架(6)上的中间轴(33)和中间轴另一侧的传动轮(34)被中心轮(36)控制。中心轮(36)安装在控制轴(37)外端，经该控制轴被机体内的控制系统操纵。图9描绘的滚翼装置采用的是单级链条传动机构，这是一种最简单的传动机构，两滚翼(16)上的从动轮(20)在轴向上相互错开，分别经链条(35)与相对应的控制轴(37)外端上的中心轮(36)相连接。因有两个滚翼，中心轮(36)也是两个，并制成一体，装在控制轴(37)的外端。由于结构限制，图8和图9中的传动机构，是不能与迎角减小机构相组合的。
上述实施例的滚翼装置采用的都是由内架和外架构成的较大型的转架，图10描绘的转架(6)则是由装在主轴(7)上的单体构件(14)构成，滚翼(16)通过翼梁中部的轴颈(19)装在转架(6)的轴承(10)上，叶片(17)装在翼梁(18)的两侧，两滚翼(16)与主轴(7)平行并且对称布置。图中这种滚翼装置采用的是两级链条传动机构，与滚翼数量相适应的中心轮(36)也是两个，制成一体后套装在转架(6)内侧的主轴(7)上。中心轮(36)通过相连接的轴套(38)和另一侧的控制件(39)等被机体内的控制系统操纵。
在以上各实施例所给出的滚翼装置中，转架的结构主要有两种，一种是如图5所示的较大型的转架，另一种是如图10所示的较小型转架，它们的滚翼与中心轮之间可选用三种不同的传动机构(两级链条传动、两级圆锥齿轮传动或单级链条传动)。另外，根据中心轮安装在转架内侧或外侧的不同位置，传动机构也相应布置在转架的内侧或外侧。不过，把传动机构设置在转架内侧，因中心轮套装在主轴上面，使中心轮直径较大，会造成滚翼上的从动轮及其它传动件尺寸增大。
与一般的旋翼相对比，滚翼装置显之要复杂很多，结构重量也有所增加。把滚翼装置用于飞行器，主要是为了利用它具有效率高、叶片与空气相作用的面积大和拉力转向非常容易等优点。根据滚翼装置所具有的特点，把它用于直升机、飞艇等这类需灵活改变拉力方向的飞行器中还是特别适合的。制约滚翼装置应用的主要问题是滚翼的强度，由于滚翼在转动时要反复受到空气和离心力的直接作用，滚翼必须要具有足够的强度和刚度，同时要有足够的抗疲劳寿命，以确保飞行器的安全飞行。不过，滚翼装置在结构上也有有利的方面，与普通直升机的旋翼只有一个支点(主轴)相比。布置在机体两侧的采用内、外架组合结构型转架上的滚翼相当于有四个支点，这时提高结构强度是非常必要的。
图11和图12分别描绘了滚翼装置用于飞行器中的两个设计方案。图11是一架滚翼式直升机的结构布局，滚翼装置(5)通过支撑翼(47)设置在机身(45)后侧的顶部位置上，把滚翼装置设在机身后侧，是为了利用机身前部的重量来平衡垂直起飞时，因滚翼旋转使机身仰头的力矩。在机身(45)前部的下侧，设有前翼(46)，当直升机水平飞行时，机身上的前翼(46)和支撑翼(47)可产生很大一部分升力，以补偿因滚翼拉力转向所造成的升力不足。这种滚翼式直升机的飞行速度因滚翼转速的极限，与普通直升机相差不多，但由于滚翼装置具有较高的效率，将会使飞行距离大幅度增加。另外，这种滚翼式直升机省去了普通直升机上的那种抗扭尾桨。
图12是一种滚翼式飞艇的布局设计，这种飞艇的吊舱(50)用四个悬挂构件(49)固定在气囊(48)下方，滚翼装置(5)通过支撑翼(51)装在吊舱后部位置上。由于飞艇的飞行速度较低，采用这种叶片面积很大的滚翼装置是很合适的，可望能让飞艇达到较高的飞行效率。
权利要求
1.用于飞行器，特别是直升机这类垂直起落型飞行器的滚翼装置，其特征是由主轴(7)把内架(8)和外架(9)连成一体，构成转架(6)，转架以水平或略向上倾斜状态安装在机体上的支撑翼(2)外端，经传动机构被机体内的动力装置驱动旋转，滚翼(16)由翼梁(18)和套装在其上的叶片(17)构成，通过翼梁上的轴颈(19)装在转架(6)外端的轴承(10)上，滚翼(16)至少采用两个，并与主轴(7)平行且对称布置，在主轴(7)上或与主轴同轴、靠近转架(6)的位置处，设有被控制系统操纵的中心轮(36)，滚翼(16)通过翼梁(18)上的从动轮(20)经传动机构被中心轮带动，两者同向传动，传动比是2∶1。
2.根据权利要求1的滚翼装置，其特征是转架(6)由装在主轴(7)上的单体构件(14)构成，滚翼(16)通过翼梁中部的轴颈(19)装在转架(6)的轴承(10)上。
3.根据权力要求1或2的滚翼装置，其特征是滚翼(16)的叶片(17)剖面外形是对称的双弧形，两端的缘很尖，剖面较薄。
4.根据权利要求1的滚翼装置，其特征是中心轮(36)位于转架(6)外侧，装在穿过支撑轴(3)的控制轴(37)外端，并经控制轴被机体内的控制系统操纵。
5.根据权利要求1的滚翼装置，其特征是中心轮(36)位于转架(6)内侧，套装在主轴(7)上，并经相连接的轴套(38)和控制件(39)被机体内的控制系统操纵。
6.根据权利要求2的滚翼装置，其特征是中心轮(36)位于转架(6)外侧，装在穿过支撑轴(3)的控制轴(37)外端，并经控制轴被机体内的控制系统操纵。
7.根据权利要求2的滚翼装置，其特征是中心轮(36)位于转架(6)内侧，套装在主轴(7)上，并经相连接的轴套(38)和控制件(39)被机体内的控制系统操纵。
8.根据权利要求4、5、6或7的滚翼装置，其特征是滚翼与中心轮之间采用两级链条传动，各翼梁(16)上的从动轮(20)处在相同的轴向位置上，通过链条(21)与相对的转架(6)上的传动轴(23)的二级传动轮(22)相连接，每传动轴另一侧的一级传动轮(24)则在轴向上相互错开一定的间隔，通过链条(26)与相对应的制成一体的中心轮(36)相连接。
9.根据权利要求8的滚翼装置，其特征是传动轴(23)与其上的一级传动轮(24)之间以弹簧(28)连接，两者至少能相对回转30°，在传动轴中部装有带两个压轮(30)的支架(29)，当滚翼装置产生垂直向上的拉力时，随转架(6)转到上部位置的传动轴(23)通过支架(29)和压轮(30)能被固定在支撑轴(3)外端的凸轮(31)控制偏转。
10.根据权利要求9的滚翼装置，其特征是滚翼的从动轮(20)与传动轴的二级传动轮(22)间传动比是1∶1，传动轴的另一侧一级传动轮(24)与中心轮(36)间的传动比是2∶1。
11.根据权利要求4、5、6或7的滚翼装置，其特征是滚翼与中心轮之间采用两级圆锥齿轮传动，翼梁(18)上的从动轮(20)经相啮合的传动轮(32)、转架(6)上的中间轴(33)和传动轮(34)被中心轮(36)带动。
12.根据权利要求4、5、6或7的滚翼装置，其特征是滚翼与中心轮之间采用单级链条传动，各翼梁(18)上的从动轮(20)在轴向上相互错开一定的间隔，通过链条(35)被相对应的制成一体的中心轮(36)带动。
全文摘要
用于飞行器，特别是直升机这类垂直起落型飞行器的滚翼装置。它主要是由转架、滚翼和控制滚翼的传动机构等组成。在机体内的动力装置带动滚翼装置动转时，滚翼不但绕主轴旋转，而且还被传动机构控制自转，从而以一种更合理的角度把空气排向一定的方向，获得使飞行器飞行的拉力。另外，由于能够很容易地在较大范围内改变滚翼装置的拉力方向，这将会进一步增加飞行器飞行的灵活性能。
文档编号B64C33/02GK1050005SQ9010638
公开日1991年3月20日 申请日期1990年9月24日 优先权日1990年9月24日
发明者韩培洲 申请人:韩培洲