专利名称：一种适用于微小型短距/垂直起降飞行器的可倾转主动力系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种适用于微小型短距/垂直起降飞行器采用的倾转主动力的动力系统方案
背景技术：
就目前情况来说，短距/垂直起降飞行器还处于研究和探索的试验、尝试阶段。考虑到控制和传动的便捷，多数该类型飞行器都采用了电动方案——以电动机作为动力源， 但是由于蓄电池自身的技术限制，致使电动飞行器的有效载荷小，航程短/航时小，难以付诸实际应用。
发明内容
本发明立足于微小型短距/垂直起降飞行器的应用研究，结合工程背景，综合考虑了该类飞行器的动力要求，控制要求和实际使用要求。本发明结合油动短距/垂直起降飞行器项目，适合采用活塞发动机或微型涡喷发动机为动力源，通过合理设计传动系统和共轴反桨系统，保证了微小型短距/垂直起降飞行器在不同飞行状态下的动力要求，并且有效的增加了航程(航时)和有效载荷，为实际工程应用创造了条件。同时独立的动力系统模块化设计，使得该方案能够很好地兼容微小型倾转动力类飞行器，有较广泛的应用范围。根据本发明的一个方面，提供了一种微小型短距/垂直起降飞行器的可倾转主动力系统，其特征在于包括机身，机翼，尾翼，螺旋桨，可独立倾转的用于驱动螺旋桨的动力系统，从而实现其垂直/短距起降性能。
图1显示了根据本发明的一个实施例的可倾转主动力系统的实例。图2显示了根据本发明的一个实施例采用的共轴反桨方案。图3用于说明根据本发明的一个实施例采用的共轴反桨系统的原理。图4示意显示了根据本发明的一个实施例的共轴反桨系统的结构。图5显示了根据本发明的一个实施例共轴反桨系统的安装示意图。图6显示了根据本发明的一个实施例的主动力系统整体结构。图7显示了根据本发明的一个实施例的主动力系统的倾转机构示意图。
具体实施例方式短距/垂直起降飞行器这一类无人机，根据动力形式的不同，分为推力定向式和推力转向式两类。对于推力转向式飞行器，可倾转动力系统是设计的关键问题。本发明通过对可倾转式动力系统的结构形式，传动路线和倾转操纵机构的合理设计，实现高效可靠的可倾转动力系统。
以下说明本发明具体实施的技术方案，根据本发明的一个实施例的可倾转主动力系统如图1所示，采用该可倾转主动力系统的飞机除了与常规飞机具有相同的机翼(包括左机翼(71)和右机翼(72))，机身(6)，垂直尾翼(8)，水平尾翼(9)和起落架(包括前起落架(50)和主起落架(51))外，还具有可独立倾转的动力系统，将实施案例飞机的动力装置——活塞发动机G3)的动力输出，通过传动系统(1)传递至旋翼组O)。通过控制旋翼的推力的方向和大小，从而实现其垂直/短距起降性能。其中，为了保证飞行器的自身反扭力矩在没有航向尾桨的状态下达到基本平衡，采用共轴反桨方案，即螺旋桨( 包括两副性质相同的旋翼(100)和(200)，旋翼(100)和(200)绕同一转轴(10)反向旋转，在设计上使其转速一致，以达到动力系统内部自平衡扭矩。同时采用双旋翼，从而提高了旋翼效率， 有效地减小了旋翼(100，200)的直径，减小转动惯量，有利于旋翼(100，200)进行倾转作动，同时由于减小了旋翼直径，提高了旋翼转速，提高了飞行器水平飞行的速度。其总体效果图如图2所示为了实现共轴反向的功能，同时为了兼顾工程实用性，根据本发明的一个实施例采用了一套变向机构(变向齿轮箱)，其原理示意图和结构示意图分别如图3和4所示。其中，采用圆锥齿轮将主动力从输入轴00)的旋转方向(水平方向)偏折到垂直方向， 与旋翼旋转轴实现同方向。同时利用一个主动圆锥齿轮同时带动处于该主动齿两侧的从动齿轮0 和(27)，根据齿轮的啮合原理，圆锥齿轮0 和(XT)的旋转方向相反。将该对齿轮同轴安装，并分别与轴(24)和(26)连接，旋翼(100)/(200)通过桨毂(27)/(28) 与同心轴04)Λ26)相互固连，即实现了旋翼(100)和旋翼(200)绕同一轴反向旋转，组成共轴反桨系统。在设计过程中，为了更加切合实际工程应用，考虑到该方案的可行性与经济型，在机构中引入自由圆锥齿轮(23)，使得圆锥齿轮0 和(XT)的受力趋于对称，使得载荷传递较为平稳，降低了系统振动，提高结构寿命。另外出于经济目的将方案中的四个圆锥齿轮 (21), (23), (25), (27)外形设计为相同尺寸，只有其安装孔位有差别，这样简化了工艺，降低了制造成本。安装方面，采用整体式安装座。如图5所示，变向系统被安装于框行安装座09) 内，成为独立的结构，动力依次通过第一同步皮带(37)、第二同步皮带(38)和第三同步皮带(39)传递至输入端的输入轴(20)，并将安装座固定于碳板组件(31)。2)传动系统设计。主动力系统整体结构如图6所示。目前的微小型垂直/短距起降飞行器，大多在进行动力倾转的过程中附带着发动机旋转，发动机与旋翼系统一起倾转，使得倾转负载加大， 操纵消耗功率大，浪费功率的同时增加的倾转系统设计的复杂性。所以，出于结构和传动两方面综合考虑，方案中发动机^幻设计为固定方式安装，通过一套传输机构将功率传递到主旋翼。经过分析对比几种常用的传动方式，综合实用性和经济性，选用同步带传动方式， 利用3组同步皮带(37、38、39)，将发动机03)的动力传递到变向齿轮箱09)。为了方便制造、装配，将主动力系统作为单独的模块设计，采用碳纤维框架(31)作为承力部件。这样在提高其强度和刚度的同时，结构重量也得到了合理控制。将主动力系统组装完毕后，再将整个主动力系统与机身(6)连接装配。3)倾转操纵机构的设计
动力转向式垂直/短距起降飞行器的关键技术之一是倾转机构的设计，综合考虑制动和可靠性，丝杠的传动精密，而且可以利用其自锁的性质实现倾转动力系统在不同角度的锁定功能，故选取了丝杠传动方式。如图7所示，根据本发明的一个实施例利用舵机 (41)带动丝杠00)旋转，丝杠GO)旋转带动摇臂0 绕倾转轴G9)运动，而摇臂02) 固连于碳板组件(31)，继而实现了利用舵机Gl)控制旋翼组绕倾转轴G9)的倾转运动，满足不同飞行状态下的动力需求。有益效果本发明的优点包括1)简洁的共轴反桨结构形式，保证了动力系统高效可靠。单旋翼布局的短距/垂直起降飞行器，随着最大起飞重量的增加其旋翼直径亦加大很多，带来诸多不便，同时，为了平衡自身扭矩，单旋翼布局形式往往须采用尾桨，能量损耗较大。而分散式动力布局，多套倾转机构降低了系统的可靠性，采用共轴反桨方案能够较好的兼顾两者的优势。方案通过合理设计共轴反向系统，结构简洁可靠。2)独立倾转主动力旋翼。相对于大多数垂直/短距起降验证飞行器都采用旋翼与动力源(发动机)一起倾转的操纵模式，该方案能耗低，可靠性高。3)动力系统独立模块设计，有利于制造，装配和维护。实例微小型短距/垂直起降飞行器的验证机设计无人机具有许多载人飞机所不具备的特点，日益受到人们的重视。但常规无人机的起飞/着陆有较高的场地要求，限制了它的应用范围。垂直起降飞行器由于其突出的垂直起降能力，兼具有较高的飞行速度和较大的航程，具有一定的优越性和先进性，有较好的应用前景，是现代飞行器设计的一个重要方向。在本发明的一个非限定性的实例中，微小型垂直/短距起降飞行器设计指标为 30Kg最大起飞重量，有效载荷不小于^(g。验证机采用主动力系统布局，利用姿态调节系统对其进行垂直飞行状态的控制，具有良好的可操控性和稳定性，同时经过主动力系统的合理设计，有效的减小了飞机结构重量，在有效带载的同时，有一定的航时/航程保证。
权利要求
1.微小型短距/垂直起降飞行器的可倾转主动力系统，其特征在于包括 机身(6)，机翼(71，72)， 尾翼(8,9), 螺旋桨O)，可独立倾转的用于驱动螺旋桨O)的动力系统(1)，从而实现其垂直/短距起降性能。
2.根据权利要求1的可倾转主动力系统，其特征在于螺旋桨( 包括两副性质相同的旋翼(100，200)，两副旋翼(100，200)绕同一转轴 (10)反向旋转。
3.根据权利要求2的可倾转主动力系统，其特征在于动力系统(1)包括圆锥齿轮(21)，用于将主动力从一个输入轴00)的旋转方向偏折到与该输入轴相垂直的方向；处于该圆锥齿轮(21)两侧的第一从动齿轮0 和第二从动齿轮07)， 所述第一从动齿轮0 和第二从动齿轮(XT)的转动方向与圆锥齿轮的转动方向相垂直，所述第一从动齿轮0 和第二从动齿轮(XT)同轴安装，并分别与第一轴04)和第二轴(26)连接，所述螺旋桨(2)包括第一旋翼(100)和第二旋翼(200)，第一旋翼(100)和第二旋翼(200)分别通过第一桨毂(XT)和第二桨毂08)与第一轴 (24)和第二轴06)相互固连，从而实现了第一旋翼(100)和第二旋翼(200)绕同一轴反向旋转，组成共轴反桨系统。
4.根据权利要求2的可倾转主动力系统，其特征在于进一步包括 固定方式安装的发动机G3)；框架(31)，所述圆锥齿轮可转动地固定在框架(31)上。
5.根据权利要求2的可倾转主动力系统，其特征在于进一步包括 丝杠(40)；支撑框架(45)，所述丝杠00) —端铰接于支撑框架(45)，另一端与倾转摇臂02)连接，所述倾转摇臂G2)与可倾转动力系统(1)固连，动力系统(1)可绕倾转轴G9)转动， 丝杠00)转动带动倾转摇臂G2)运动，继而实现动力系统(1)绕倾转轴G9)的倾转动作。
全文摘要
本发明提供了一种微小型短距/垂直起降飞行器的可倾转主动力系统，其特征在于包括机身(6)，机翼(71，72)，尾翼(8，9)，螺旋桨(2)，可独立倾转的用于驱动螺旋桨(2)的动力系统(1)，从而实现其垂直/短距起降性能。
文档编号B64C27/16GK102267564SQ20111012295
公开日2011年12月7日 申请日期2011年5月12日 优先权日2011年5月12日
发明者丁未龙, 万志强, 刘耘臻, 周磊, 朱斯岩 申请人:北京航空航天大学