专利名称：变翼直升机的制作方法
变翼直升机
本发明属飞行器类。如
图1.
传统飞机的升力是由空气流过机翼上下面的速度差产生的，因而需要二者
具有足够的相对速度。既限制了飞机的起降性能；也增加了技术材料成本和操 纵难度。扑翼机利用空气对机翼的反作用力产生垂直升力；但往往因机翼抬起 时产生的负升力与升力相互抵消而不堪实用。
本发明意在设计一种装置，能够产生与飞行器姿态同步的力和相关的作动 变量，通过连动装置和变翼作动件，控制机翼角度的变化，使翼板与气流作相 对运动时气流对翼面的正向(向上)作用力始终大于负向(向下)作用力。因 该升力与飞行器的水平速度无关，故该发明能使飞行器据有垂直或短距起降的 功能。这一装置的名称叫"变翼驱动器"；该飞行器称之为"变翼直升机"。
技术说明
一变翼驱动器
图2是变翼驱动器的正视图 图解
l机轴，2轮毂，3翼轴，4翼板 [一]结构
(一)机轴
机轴是一带有齿轮的筒状轴体
图示图3是机轴的正视图
图4是机轴的侧视图其中l为轴体；2为定位齿轮(伞形)
(二) 轮毂
轮毂为套装于机轴外的筒状构件，是变翼作动系统的载体 图示图5是轮毂的正视图 图6是轮毂的侧视图
图7是轮毂的侧面展开图
其中3为毂体；4为作动齿轮轴；5为翼轴孔(用以安装可旋转的翼轴) 附注在实际工程应用中，毂体外圆允许为非圆结构；翼轴孔允许少 于4个。如图8示
图解l机轴，2轮毂，3翼轴，4翼板
(三) 变翼作动件
变翼作动件是实现变翼目标的动作执行组件
(1) :图示图9是轮毂及变翼作动件结构关系图
(2) :图解1:机轴；2:定位齿轮；3:毂体；4:作动齿轮轴；6:作 动齿轮(伞形，与定位齿轮规格相同且相互啮合)；7:偏心轴；'8: 翼轴(可旋转)；9:曲柄；10:连杆；11:翼板(通称旋翼或螺旋桨
页)作用机理 1:系统组合
如图9示将轮毂3套装在机轴1匕使作动齿轮6与定位齿轮 2相互啮合；且使偏心轴7位于X0点。调整翼板11初始角度，使之 位于水平位置。为说明现方便，定义此时轮毂3初始角度a:0;翼板 11初始角度b=0;偏心轴7与作动齿轮轴6距离为R。偏心轴在轮穀纵向(XO—X方向)的位移量(以下称"作动量")N=0 (从图可知，
其值在0—2R之间)。
2:作用机理 如图9示
外力(发动机动力)带动轮毂3绕机轴1作圆周(顺时针)运动， 作动齿轮6 —方面被轮毂带动绕机轴作圆周运动；同时受定位齿轮2作 用自旋(逆时针)，因二者规格相同，故其旋转周期相同。
如果机轴固定于机身，则定位齿轮相对飞机空间位置确定，其姿态 可表达(或蕴含)飞机姿态信息。因齿轮啮合的关联作用，则作动齿 轮各点角变量及偏心轴7在轮毂纵向(XO""X方向)的位移量(作动量 N)与飞机姿态确定(同步性)。
(在每一周期里，)作动量N与二分之一的轮毂旋转角度a (轮毂作 动齿轮因周期相同而角变相同)呈正弦关系(N=sin (a/2) *2R)。当轮 毂旋转半周(a-180)至最大值2R; (N=Sin(180/2)*2R);以后逐渐减小, 至360度(一周)减至初始状态即a:O;N:O;如此周而复始。
从图可知在连杆10的关联作用下，作动量N的变化将通过连 杆带动曲柄9位移，曲柄的位移带动翼轴8作旋转(角变)运动，进 而翼轴带动翼板11改变角度(变翼)；其幅度b与作动量N成正比。 调态曲柄9的长度(约为N+V2)，使角变幅度b在0—90度之 间，艮卩N-O，贝Ub-O (度)；N=2R，贝Ub-90 (度)。
当整个系统规格确定时，曲柄的长度是确定并可计算的。在实际 装配过程中，曲柄的长度仅需简单试调就能完成。
当系统处于工作状态(旋转)时，根据牛顿第三定律，空气对翼板具有反作用力；(在速度与翼板规格确定的情况下)力在垂直方向 的大小与翼板在其垂直方向上的投影面积S成正比；而S与翼板角度
b的余弦成正比，即S-COS (b)。筒言之，空气对翼板在垂直方向上 的作用力与翼板角度成反比。 3:工作过程
如图9示在系统处于初始状态下，翼轴处于水平位置(和轮毂角
变同位)。翼板角度b为O (水平)，翼轴运动方向向下，空气对翼板的
反作用力最大且方向向上(正向升力)。
如图10示当轮毂转过半周(a=180)时，翼轴处于水平位置(和 轮毂角变同位)，运动方向向上；作动量N为2R,翼板角度b为90(垂 直)，翼板平面与其运动方向平行，空气对翼板的反作用力(负升力) 为O (理论上)。
在轮毂(或翼板)运转的每一周期里，翼板在下行半周(a=0±90) 过程中，作动量N在0-R之间，翼板角变在0_^5 (度)之间；在翼 板上行半周(a-180土90)里，作动量N在R—2R之间，翼板角变在45-90 (度)之间；显而易见，空气对翼板的正向作用力(升力)总是大于负 向作用力(负升力)。
当翼板处于水平至垂直中间状态时，其受力方向为水平与垂直两个 方向的合力，可利用其水平方向的分力为飞机提供平飞阶段的牵引力。在翼板11位于X点(水平位置)时,轮毂及翼轴旋转角度为零(a-O);运动方向向下；翼板姿态为水平(b=0,与运动方向垂直)；受力大且方向向上(正向作用力，升力)。
在翼板位于X0点(水平位置)时，轮毂及翼轴旋转半周(a=180);运动方向向上；翼板姿态为垂直(b=90，翼板与运动方向平行)；翼板与空气不发生作用(理论上)，因而翼板受力(负向升力)为(K理论上)。
在翼板位于YO和Y点(垂直方向)时，翼板角度b约为45度，因其无垂直方向上的运动，故分析升力因素时，通常可不考虑。4:其它变翼作动方案
如图12;图13
(1) 因凸轮与偏心轴具有等效作用，故偏心轴可用凸轮代替。
(2) 在翼轴上套装齿轮，以齿条代替连杆，也能作动翼轴翼板角变。图解
图12:作动齿轮轴4;作动齿轮6;凸轮7;翼轴8;曲柄9;
连杆10; 翼板11图13:作动齿轮轴4;作动齿轮6;凸轮7;翼轴8;齿轮9;
齿条10; 翼板11说明在齿轮齿条作动系统中，齿轮齿数为齿条位移齿数的4倍，
则齿条的位移即可作动齿轮作1/4圆周(90度)的旋转。
二整机设计方案
在保证安全可靠的前题下，本方案侧重于简单节约的原则。[—]结构
图1是整机结构示意图(一) 机体如图1 (1)
机体为一立方体框架。其作用是确定各系统位置(固定部件的支架，以高强轻质复合材料为宜)。 '
(二) 辅翼
辅翼由主副翼两部分组成1:主翼固定翼，可折叠。如图l (2)
作用使其翼截面如传统固定翼，可为飞行器提供辅助升力；在特殊情况下(无动力)，其滑翔能力能增加飞行器迫降时安全性。2:副翼如图1 (3)
结构工作方式如传统飞机副翼，用以操控飞行器水平姿态。
(三) 方向舵如图1 (4)
利用气流对舵板作用力操控飞行器方向。
(四) 变翼驱动器如图1 (5)
作用如技术说明一
(五) 水平推进器如图1 (6)
利用拨杆系统改变浆页角度(如直升机旋翼角变结构)使其产生前后方向的推力，控制飞行器前进，悬停，后退等姿态。'
(六) 舱体如图1 (7)
承载自身系统及荷载的平台，由驾驶舱，动力舱，荷载舱组成。(七)平衡机
1:图示图14是平衡机示意图
其中1为机体底部框架(可兼做滑轨)；2为移动平台；3为纵向移动液压活塞；4为横向移动液压活塞。2:作用
将可移动物体(如荷载甚至舱体)配置在移动平台上，通过操纵系统使平台在滑轨上前后左右移动以改变飞行器重心；是驾驶系统的辅助部分。(八)悬挂式座椅
1:图示图15是座椅悬挂系统示意图
其中1为机体框架；2为座椅；3为缓冲索(采用高强高弹材
料为宜)。
2:说明
在常态下，座椅靠缓冲索张力确定位置；在加速度改变时，缓冲索的弹力使座椅位移，其幅度为初始位置至框架的距离。既增加了乘用的舒适感；重要的是，在极端情况下(飞行器以自由落体状态着地)，以其大幅位移提供的缓冲空间可保证乘员的安全。(九)动力系统1:配置
采用功率质量比较大的通用发动机，以双发为宜，配以蓄电池动力起动机(蓄电池可作应急动力)。2:说明
三具单独动力系统足以保证飞行器迫降时的动力提供(三具单独动力系统瞬时同时失效的概率几乎为0)。可增加可靠性和安全性。
(十)架驶系统1:系统概述(1 ):改变方向舵角度以改变飞行方向。
(2) :改变变翼驱动器转速，可实现对飞行器的升降及速度控制。
(3) :改变副翼角度以改变飞行器水平姿态。
(4) :操纵移动平台前后左右移动以改变飞行器重心；是驾驶系统的
辅助部分。
(5) :改变水平推进器浆页角度控制飞行器前进，悬停，后退等姿态。2:作动方式
以舵盘改变方向舵角度以改变飞行方向；以舵杆改变副翼角度，
以手柄调整变翼驱动器和水平推进器转速；以踏板作动移动平台调整
飞行器重心进而可调整飞行器姿态(通常无需作动，仅在起飞前调整)。
注动力传输以液压传动为宜。3:特点
目视操作，人力动力，液压传动，简单可靠。[二]设计说明
1: 四台上置式变翼驱动器组成一个升力平台，下置式舱体使整机重心低于升力平面。故而可利用自身重力自动维持飞机姿态平衡(飞机正常姿态为水平)。
2:框架式机体能最大限度地节约材料，降低造价。因飞机的低空低速性，故对飞机的气动外型要求极低。如果飞机的动力传输采用柔性结构(如皮带传动)，则允许机体有较大幅度的弹性形变。反过来对材料要求能进一步降低。且弹性形变的减震功能也能增加乘用的舒适度。甚至在极端情况下(飞机以自由落体状态下落时)，以其弹性形变吸收能量，保证乘员卞命安全，极大地提高了 乂机的安全性。[三]性能特点
1:本飞行器为低空低速短程轻便运载工具2:简单可靠
本发明的核心技术如变翼驱动器，组件既少，工艺也不复杂，其它系统也是在传统技术上开发出来的，为其可靠性提供了保证。3:操控简易
从机体结构可知，飞机重心在升力平台之下，故飞机可利用重力自动维持姿态平衡；在巡航状态下，飞行姿态自动维持直线平飞姿态，操作动作几乎为0。只有在起降阶段和飞机受到强烈扰动情况下，才需要简单有限的操作；(在极端情况下，如飞行员丧失行
为能力)即使放弃操作，飞机也只会维持缓慢降落或平飞状态，这几乎可以称之为"傻瓜"飞机。
4:安全性强
安全性是飞行器最为重要的质量指标。本发明主要从以下几方面
保证安全
(1) 简单的结构保证了飞行器工作的可靠性。
(2) 垂直起降功能能保证飞行器随时迫降。
(3) 三具单独动力系统足以保证飞行器迫降时的动力提供(三具单独动力系统瞬时同时失效的概率几乎为0)。
(4) 姿态自动平衡能力和操控的简易性避免了人为操控失误引发的危险。
(5) 辅翼的滑翔能力可大大降低飞行器迫降时垂直方向的速度。(6) 在常规飞厅状态(低空低速)下，即使前5项安全功能充全丧
失(飞行器以自由落体状态着陆，这种情况发生的概率微乎其
微)； 一方面框架机体因形变吸收能量，另一方面悬挂座椅提供 的大幅缓冲空间足以保证乘员的生命安全。
(7) 造价低
本发明因结构和工艺的简单，大大降低了材料和技术成 本，从而大大降低了产品价格。补充说明
由于本发明能产生垂直升力，因而对机身气动性要求很低，使得飞 机在规格上可大可小，改型空间大；l机的自稳定性对驾驶要求降低，
极易升级为自动驾驶系统。
可行性论证
社会对安全便捷的交通工具的需求是不言而喻的。制约传统飞机走向大 众的瓶颈在于其造价昂贵，受场地制约及对驾驶技术的专业要求等。
从技术说明可知，本发明的安全性，可靠性及可操作性足堪实用；就造价 论，除发动机外，其余部件的材料及技术要求均低于自行车制造的相关要求。 如采用市场通用的发动机，其造价应在五万元人民币以内。
试想，当一种价格低廉，安全可靠，操纵如意的飞行器问世以后，谁 能遏制在三维空间自由飞翔的欲望？虽受航管制约，作为家用交通工具或 要稍待时日，单在社会需求方面(如军警摄影旅游消防邮政等)的市场就 不可限量。即使作为一种娱乐工具，也能使其成为不少家庭的理想选择。说明书附面说明
图1是整机结构示意图
1:机体.，2主翼固定翼，可折叠。3:副翼；4:方向舵；5:变翼驱动 器；6:水平推进器；7:舱体 图2是变翼驱动器的正视图
l机轴，2轮毂，3翼轴，4翼板
图3是机轴的正视 其中1为轴体；2为定位齿轮(伞形)
图4是机轴的侧视图其中1为轴体；2为定位齿轮(伞形) 图5是轮毂的正视图 图6是轮毂的侧视图
图7是轮毂的侧面展开图
在图5图6图7中，3为毂体；4为作动齿轮轴；5为翼轴孔(用以安装
可旋转的翼轴)
图8为非圆结构轮毂示意图；翼轴孔允许少于4个。
图解l机轴，2轮毂，3翼轴，4翼板 图9图10是轮毂及变翼作动件结构关系及工作原理示意图
图解1:机轴；2:定位齿轮；3:毂体；4:作动齿轮轴；6:作动齿轮 (伞形，与定位齿轮规格相同且相互啮合)；7:偏心轴；8:翼轴(可旋 转)；9:曲柄；10:连杆；11:翼板(通称旋翼或螺旋桨页) 图11是翼板在不同位置其角变状态及受力方向示意图 其中3为轮毂；8为翼轴；ll为翼板
轮毂运转方向为顺时针；空心箭头表示翼板受力方向 图12是凸轮式变翼作动件示意图其中变翼作动齿轮轴4;作动齿轮6;凸轮7;翼轴8;曲柄9; 连杆10;翼板ll 图13是齿轮齿条式变翼作动件示意图
其中作动齿轮轴4;作动齿轮6;凸轮7;翼轴8;齿轮9;齿条10; 翼板11
图14是平衡机示意图
其中1为机体底部框架(可兼做滑轨)；2为移动平台；3为纵向移动液压 活塞；4为横向移动液压活塞。 图15是座椅悬挂系统示意图
其中l为机体框架；2为座椅；3为缓冲索(采用高强高弹材料为宜)。
权利要求
1 一种直升机，其特征是利用装在框架机体上的变翼驱动器产生的变翼作动量，驱动翼板角度周期改变且与飞机姿态同步，使翼板在与空气做相对运动时气流对翼面的正向(向上)作用力始终大于负向(向下)作用力，因该升力与飞机的水平速度无关，故该发明能使飞机据有垂直或短距起降的功能。
2 根据权利要求1所述的直升机，其特征是利用与机体固定的定位齿轮 反映飞机姿态，利用与定位齿轮啮合的作动齿轮把飞机姿态信息传递 到带有旋转翼轴的轮毂上。
3 根据权利要求1所述的直升机，其特征是利用偏心轴把作动齿轮的 旋转运动转化为弧线运动，为翼轴旋转提供驱动力和位移量。
4 根据权利要求1所述的直升机，其特征是利用凸轮把作动齿轮的旋 转运动转化为直线运动，为翼轴旋转提供驱动力和位移量。
5 根据权利要求1所述的直升机，其特征是利用曲柄连杆把驱动力和位移量转化为驱动翼轴旋转的变翼作动量。
6 根据权利要求1所述的直升机，其特征是利用齿条齿轮把驱动力和位移量转化为驱动翼轴旋转的变翼作动量。
7 根据权利要求1所述的直升机，其特征是机体由框架构成，辅助以固定机翼。
8 根据权利要求1所述的直升机，其特征是利用移动平台在滑轨上纵横移动以改变飞机重心。
9 根据权利要求1所述的直升机，其特征是把座椅悬挂在具有弹性的缓冲索上以实现减震和安全的目的。
全文摘要
变翼直升机。利用变翼驱动器使飞行器旋翼与机身姿态同步改变角度，产生垂直向上的升力，因而飞行器能垂直起降。且结构简单，安全可靠。其工作方式为利用定位齿轮表达飞行器姿态信息；利用作动齿轮采集该信息；利用偏心装置产生与飞行器姿态同步的作动量；利用连动装置驱动旋翼翼轴及翼板改变角度，使旋翼产生垂直向上的升力。
文档编号B64C33/00GK101462593SQ20071030000
公开日2009年6月24日 申请日期2007年12月19日 优先权日2007年12月19日
发明者阮明振 申请人:阮明振