在盘旋时可被动稳定的旋翼和飞行器制造技术

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。在本专利技术的优选实施例中，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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：P穆伦，
申请(专利权)人：普罗克斯弗拉尔AS公司，
类型：发明
国别省市：NO[挪威]