一种收藏式单桨共轴旋翼超高速直升机

1.本发明涉及飞行器技术领域，特别是涉及一种收藏式单桨共轴旋翼超高速直升机。


背景技术：

2.直升机由于具有垂直起降能力以及较高的悬停效率在很多方面都具有其独特的应用价值，但是相比较于飞机，直升机的飞行速度小是其短板。
3.旋翼的空气动力学特性是限制直升机高速飞行的主要原因，即前飞过程中随着飞行速度的提高前行侧桨叶易出现激波，使阻力激增；此外，后行侧桨叶易出现气流分离，并随着飞行速度的增大气流分离区逐渐扩展，桨叶在旋转过程中进入和转出该区域时俯仰力矩产生巨大变化，从而引起振动造成结构过早的疲劳破坏，并造成直升机的操稳特性变坏。现有技术难以解决旋翼对直升机高速飞行的影响。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种收藏式单桨共轴旋翼超高速直升机，以解决上述现有技术存在的问题，在直升机高速飞行时旋翼停止工作，由尾推螺旋桨提供推进力、机翼提供升力，从而规避掉高速飞行时旋翼空气动力学特性的缺陷；此外，旋翼可收起并收纳进机身内来进一步减小阻力，提高最大飞行速度。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.本发明提供一种收藏式单桨共轴旋翼超高速直升机，包括机身，所述机身上分别设有机翼和尾翼，所述机身末端设有尾推螺旋桨，在旋翼收纳进收纳舱后飞行器的推进力由尾推螺旋桨提供，升力由机翼提供，飞行器转入螺旋桨飞机模态从而实现高速飞行，所述机身顶部设有旋翼机构，所述旋翼机构包括旋翼，所述旋翼机构能够带动旋翼收纳于所述机身内部的旋翼收纳舱内。
7.可选的，所述旋翼机构包括旋翼收纳机构和共轴反桨机构，所述旋翼设置于所述共轴反桨机构上，所述共轴反桨机构设置于所述旋翼收纳机构上，所述旋翼收纳机构能够带动所述共轴反桨机构和旋翼在所述旋翼收纳舱内升降。
8.可选的，所述旋翼收纳机构包括固定设置于所述旋翼收纳舱内的底座，所述底座上固定设有两个对称布置的旋翼收纳导轨，两个所述旋翼收纳导轨之间设有共轴反桨机构支架，所述共轴反桨机构支架两端滑动套设于两个所述旋翼收纳导轨上；所述共轴反桨机构支架一侧设有竖直布置的旋翼收纳齿条，所述旋翼收纳齿条啮合连接有旋翼收纳齿轮，所述旋翼收纳齿轮通过旋翼收纳齿轮支架安装于所述底座上，所述旋翼收纳齿轮支架远离所述旋翼收纳齿条的一侧设有关节，所述关节上开设有l型槽，所述l型槽内设有蜗杆，所述蜗杆能够沿着所述l型槽自水平状态至竖直状态切换，所述蜗杆切换至竖直状态时与所述旋翼收纳齿轮远离旋翼收纳齿条的一侧啮合传动连接。
9.可选的，所述共轴反桨机构包括设置于所述共轴反桨机构支架上的两个左曲柄和
两个右曲柄，两个所述左曲柄和两个所述右曲柄之间通过撑杆传动连接；两个所述左曲柄底部固定连接有蜗轮，所述蜗杆切换至水平状态时与所述蜗轮传动连接；两个所述左曲柄顶部固定连接有第一齿轮，所述第一齿轮啮合有第二齿轮，所述第二齿轮固定套设于第一旋翼转轴上，所述第一旋翼转轴内活动穿设有第二旋翼转轴，所述第二旋翼转轴底部与所述右曲柄顶部固定连接；所述旋翼分别设置于所述第一旋翼转轴和第二旋翼转轴上。
10.可选的，旋翼包括上下布置的上单旋翼和下单旋翼，上单旋翼和下单旋翼均分别包括一片桨叶，所述上单旋翼通过桨毂设置于所述第二旋翼转轴上，所述下单旋翼通过桨毂设置于所述第一旋翼转轴上。
11.可选的，所述旋翼收纳舱顶部开口处设有能够闭合和打开的旋翼收纳舱舱门，旋翼收纳舱的舱门可被控制打开或关闭，从而完成旋翼的收纳与展开。
12.可选的，所述机翼对称设置于所述机身两侧，在旋翼收纳入机身后飞行器的升力由机翼提供，机翼上设置有副翼，为飞行器的滚转运动提供滚转力矩。
13.可选的，所述尾翼为呈v型结构布置于所述机身两侧的v型尾翼，所述v型尾翼上设有舵面；v型尾翼由左右两个翼面组成，成“v”型，v型尾翼能以较少的部件总数来减小尾翼之间及尾翼与机身之间的干扰阻力，因此可以提高螺旋桨驱动的飞机飞行的速度。呈v形的两个尾面在俯视和侧视方向都有一定的投影面积，因此能同时起纵向(俯仰)和航向稳定作用，所以v型尾翼同时兼有垂尾和平尾的功能，当两边舵面作相同方向偏转时，起升降舵作用；分别作不同方向偏转(差动)时，则起方向舵作用。
14.可选的，所述底座上开设有圆形通孔，所述圆形通孔位于所述蜗轮底部，且所述圆形通孔的内径尺寸大于所述蜗轮的外径尺寸。
15.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
16.本发明提供的收藏式单桨共轴旋翼超高速直升机高速飞行时旋翼停止工作，由尾推螺旋桨提供推进力、机翼提供升力，从而规避掉高速飞行时旋翼空气动力学特性的缺陷。此外，旋翼可收起并收纳进机身内来进一步减小阻力，提高最大飞行速度。进一步的，上单旋翼与下单旋翼两层桨叶的旋转轴同轴布置，两者转动方向相反，抵消了单向转动的偏转力矩；其次，桨叶旋转至前行侧时可降低转动速度，旋转至后行侧时桨叶可提高转动速度，从而一定程度上缓解前行侧激波与后行侧气流分离带来的影响。此外，该旋翼系统不同于传统多桨叶旋翼系统，其每个桨盘平面只有一片桨叶，两片桨叶分别存在于不同高度的两个桨盘平面。由此，上下两个桨盘平面的桨叶可同时旋转至同一个相位，如：旋翼收纳舱上方对应相位，然后带动旋翼上下移动，由此完成旋翼收纳舱对旋翼系统的收纳。旋翼系统收纳入机体极大的减小了飞行阻力，从而极大提高飞行速度。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1为本发明收藏式单桨共轴旋翼超高速直升机结构示意图；
19.图2为本发明收藏式单桨共轴旋翼超高速直升机主视图；
20.图3为本发明收藏式单桨共轴旋翼超高速直升机侧视图；
21.图4为本发明收藏式单桨共轴旋翼超高速直升机俯视图；
22.图5为本发明收藏式单桨共轴旋翼超高速直升机的旋翼收纳进旋翼收纳舱后状态示意图；
23.图6为本发明旋翼收纳进旋翼收纳舱和旋翼展开的转换过程示意图；
24.图7为本发明共轴反桨机构原理示意图；
25.图8为本发明旋翼收纳机构原理示意图；
26.附图标记说明：1-机身、2-机翼、3-副翼、4-下单旋翼、5-v型尾翼、6-舵面、7-尾推螺旋桨、8-旋翼收纳舱舱门、9-上单旋翼、10-桨毂、11-底座、12-旋翼收纳齿轮支架、13-旋翼收纳导轨、14-共轴反桨机构支架、15-蜗杆、16-蜗轮、17-旋翼收纳齿轮、18-旋翼收纳齿条、19-第一齿轮、20-第二齿轮、21-撑杆、22-第一旋翼转轴、23-第二旋翼转轴、24-左曲柄、25-关节、26-右曲柄。
具体实施方式
27.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.本发明的目的是提供一种收藏式单桨共轴旋翼超高速直升机，以解决上述现有技术存在的问题，在直升机高速飞行时旋翼停止工作，由尾推螺旋桨提供推进力、机翼提供升力，从而规避掉高速飞行时旋翼空气动力学特性的缺陷；此外，旋翼可收起并收纳进机身内来进一步减小阻力，提高最大飞行速度。
29.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
30.直升机作为一种特殊的飞行器，因其垂直起降能力以及较高的悬停效率使其在很多场景下具有不可替代性。然而，传统直升机由于其旋翼空气动力学的特性限制，飞行速度难以再进一步大幅提高，速度的短板使得直升机的使用场景极大受限。为了解决上述问题，本发明提出一种“可收藏式共轴单桨叶+高升力机翼+尾推螺旋桨”的新构型高速直升机方案，该方案既补足了传统直升机的速度短板，又保留了直升机垂直起降与悬停的优势，极大丰富了直升机的任务剖面与使用场景，具体参考附图1、附图2、附图3和附图4所示，本发明提供的收藏式单桨共轴旋翼超高速直升机，适用于超高速飞行，包括机身1，机身1上分别设有机翼2和尾翼，机身1末端设有尾推螺旋桨7，在旋翼收纳进收纳舱后直升机的推进力由尾推螺旋桨7提供，升力由机翼2提供，直升机转入螺旋桨飞机模态从而实现高速飞行，机身1顶部设有旋翼机构，旋翼机构包括旋翼，如图5和图6所示，机身1内部设置有旋翼收纳舱，旋翼收纳舱舱门8可被控制打开或关闭，从而旋翼机构能够带动旋翼收纳于机身内部的旋翼收纳舱内，实现旋翼的收纳和展开，即收藏式旋翼。机身1两侧的机翼2在旋翼收纳入机身后飞行器的升力由机翼2提供，机翼上设置有副翼3，为直升机的滚转运动提供滚转力矩。机身1设置的尾翼为v型尾翼5，并在v型尾翼5上设置有舵面6。v型尾翼5由左右两个翼面组成，成“v”型，v型尾翼5能以较少的部件总数来减小尾翼之间及尾翼与机身之间的干扰阻力，因此
可以提高螺旋桨驱动的飞机飞行的速度。呈v形的两个尾面在俯视和侧视方向都有一定的投影面积，因此能同时起纵向(俯仰)和航向稳定作用，所以v型尾翼同时兼有垂尾和平尾的功能，当两边舵面作相同方向偏转时，起升降舵作用；分别作不同方向偏转(差动)时，则起方向舵作用。
31.具体的，旋翼机构包括旋翼收纳机构和共轴反桨机构，如图7和图8所示，旋翼设置于共轴反桨机构上，共轴反桨机构设置于旋翼收纳机构上，旋翼收纳机构能够带动共轴反桨机构和旋翼在旋翼收纳舱内升降。旋翼收纳机构包括固定设置于旋翼收纳舱内的底座11，底座11上固定设有两个对称布置的旋翼收纳导轨13，两个旋翼收纳导轨13之间设有共轴反桨机构支架14，共轴反桨机构支架14两端滑动套设于两个旋翼收纳导轨13上，共轴反桨机构可沿旋翼收纳导轨13上下移动；共轴反桨机构支架14一侧设有竖直布置的旋翼收纳齿条18，旋翼收纳齿条18啮合连接有旋翼收纳齿轮17，旋翼收纳齿轮17通过旋翼收纳齿轮支架12安装于底座11上，旋翼收纳齿轮支架12远离旋翼收纳齿条18的一侧设有关节25，关节25上开设有l型槽，l型槽内设有蜗杆15，蜗杆15外接动力系统，其作为动力输入端能够沿着l型槽自水平状态至竖直状态切换，蜗杆15切换至竖直状态时与旋翼收纳齿轮17远离旋翼收纳齿条18的一侧啮合传动连接。旋翼收纳时，蜗杆15处于竖直状态，此时蜗杆15转动带动旋翼收纳齿轮17转动，旋翼收纳齿轮17与旋翼收纳齿条18相啮合，旋翼收纳齿条18作为驱动力输入点带动共轴反桨机构整体沿着旋翼收纳导轨13上下移动完成旋翼系统的收纳与展开。
32.共轴反桨机构包括设置于共轴反桨机构支架14上的两个左曲柄24和两个右曲柄26，两个左曲柄24和两个右曲柄26之间通过撑杆21传动连接；两个左曲柄24底部固定连接有蜗轮16，蜗杆15切换至水平状态时与蜗轮16传动连接，底座11上开设有圆形通孔，圆形通孔位于蜗轮16底部，且圆形通孔的内径尺寸大于蜗轮16的外径尺寸便于旋翼收纳时，蜗轮16自圆形通孔内向下跟随移动，不会与底座11发生碰撞和干涉，使得整体更利于收纳进旋翼收纳舱内；两个左曲柄24顶部固定连接有第一齿轮19，第一齿轮19啮合有第二齿轮20，第二齿轮20固定套设于第一旋翼转轴22上，第一旋翼转轴22内活动穿设有第二旋翼转轴23，二者同轴心布置，实现了两个旋翼的共轴，第二旋翼转轴23底部与右曲柄26顶部固定连接；共轴反桨机构工作时，蜗杆15处于水平状态，此时蜗杆15转动带动蜗轮16进行转动，蜗轮16与左曲柄24、第一齿轮19进行固连，三者旋转方向一致。曲柄共有四个，位于同侧的上下两个构成一组，左右共两组，即一组的两个曲柄作为左曲柄，另一组的两个曲柄为右曲柄，两组之间用撑杆21连接，右曲柄由左曲柄通过撑杆驱动，所以两组曲柄转向一致，同时，右曲柄26与第二旋翼转轴23固连，两者旋转方向一致，即两组曲柄、第二旋翼转轴23、蜗轮16、第一齿轮19转向一致。第一齿轮19与第二齿轮20啮合并驱动第二齿轮20旋转，第二齿轮20与第一齿轮19转动方向相反。第二齿轮20与第一旋翼转轴22固连，所以两者转向一致。所以，第二齿轮20、第一旋翼转轴22的转向与两组曲柄、第二旋翼转轴23、蜗轮16、第一齿轮19转向相反，即第二旋翼转轴23与第一旋翼转轴22转向相反，二者上面分别设置的旋翼转向相反，共轴反桨实现。
33.进一步优选的，旋翼包括上下布置的上单旋翼9和下单旋翼4，上单旋翼9和下单旋翼4均分别包括一片桨叶，为单桨结构，实现了单桨共轴旋翼，即上单旋翼9通过桨毂10设置于第二旋翼转轴23上，下单旋翼4通过桨毂10设置于第一旋翼转轴22上，两者转动方向相
反，抵消了单向转动的偏转力矩(此处与传统共轴反桨直升机技术方案一致)；其次，桨叶旋转至前行侧时可降低转动速度，旋转至后行侧时桨叶可提高转动速度，从而一定程度上缓解前行侧激波与后行侧气流分离带来的影响；通过上下两层单桨叶的布局设置，使得旋翼系统可整体收纳进机身内，极大的减小飞行阻力，进一步提高极限飞行速度，能够高速乃至超高速飞行；使得该直升机兼备直升机的垂直起降、高效率悬停与螺旋桨飞机的高速巡航能力。
34.本发明工作过程包括：
35.(1)垂直起飞阶段：直升机可由舰船甲板或机场垂直起飞，利用单桨共轴旋翼的拉力爬升至巡航高度。
36.(2)垂直起飞转换至高速巡航阶段：垂直爬升至巡航高度后，尾推螺旋桨7启动提供推进力，旋翼收纳舱舱门8打开，单桨共轴旋翼转到旋翼收纳舱上方停转，可升降桨毂带动单桨共轴旋翼下降高度直至旋翼收纳进旋翼收纳舱内，旋翼收纳舱舱门随即关闭完成飞行模态转换并进入高速巡航模式。
37.(3)高速巡航阶段：直升机由尾推螺旋桨7提供推进力，机翼2提供升力，旋翼收纳进机身内，以螺旋桨飞机的形态进行高速高效巡航。
38.(4)固定高度悬停实施作业阶段：直升机以高速高效的巡航状态抵近目的地附近，旋翼收纳舱舱门打开，可升降桨毂带动旋翼伸出舱外，旋翼收纳舱舱门8关闭，旋翼启动开始旋转进入直升机模态并低速前飞至目标上空进行悬停作业。
39.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“顶”、“底”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“笫二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
40.本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：
1.一种收藏式单桨共轴旋翼超高速直升机，其特征在于：包括机身，所述机身上分别设有机翼和尾翼，所述机身末端设有尾推螺旋桨，所述机身顶部设有旋翼机构，所述旋翼机构包括旋翼，所述旋翼机构能够带动旋翼收纳于所述机身的旋翼收纳舱内。2.根据权利要求1所述的收藏式单桨共轴旋翼超高速直升机，其特征在于：所述旋翼机构包括旋翼收纳机构和共轴反桨机构，所述旋翼设置于所述共轴反桨机构上，所述共轴反桨机构设置于所述旋翼收纳机构上，所述旋翼收纳机构能够带动所述共轴反桨机构和旋翼在所述旋翼收纳舱内升降。3.根据权利要求2所述的收藏式单桨共轴旋翼超高速直升机，其特征在于：所述旋翼收纳机构包括固定设置于所述旋翼收纳舱内的底座，所述底座上固定设有两个对称布置的旋翼收纳导轨，两个所述旋翼收纳导轨之间设有共轴反桨机构支架，所述共轴反桨机构支架两端滑动套设于两个所述旋翼收纳导轨上；所述共轴反桨机构支架一侧设有竖直布置的旋翼收纳齿条，所述旋翼收纳齿条啮合连接有旋翼收纳齿轮，所述旋翼收纳齿轮通过旋翼收纳齿轮支架安装于所述底座上，所述旋翼收纳齿轮支架远离所述旋翼收纳齿条的一侧设有关节，所述关节上开设有l型槽，所述l型槽内设有蜗杆，所述蜗杆能够沿着所述l型槽自水平状态至竖直状态切换，所述蜗杆切换至竖直状态时与所述旋翼收纳齿轮远离旋翼收纳齿条的一侧啮合传动连接。4.根据权利要求3所述的收藏式单桨共轴旋翼超高速直升机，其特征在于：所述共轴反桨机构包括设置于所述共轴反桨机构支架上的两个左曲柄和两个右曲柄，两个所述左曲柄和两个所述右曲柄之间通过撑杆传动连接；两个所述左曲柄底部固定连接有蜗轮，所述蜗杆切换至水平状态时与所述蜗轮传动连接；两个所述左曲柄顶部固定连接有第一齿轮，所述第一齿轮啮合有第二齿轮，所述第二齿轮固定套设于第一旋翼转轴上，所述第一旋翼转轴内活动穿设有第二旋翼转轴，所述第二旋翼转轴底部与所述右曲柄顶部固定连接；所述旋翼分别设置于所述第一旋翼转轴和第二旋翼转轴上。5.根据权利要求4所述的收藏式单桨共轴旋翼超高速直升机，其特征在于：旋翼包括上下布置的上单旋翼和下单旋翼，所述上单旋翼通过桨毂设置于所述第二旋翼转轴上，所述下单旋翼通过桨毂设置于所述第一旋翼转轴上。6.根据权利要求1所述的收藏式单桨共轴旋翼超高速直升机，其特征在于：所述旋翼收纳舱顶部开口处设有能够闭合和打开的旋翼收纳舱舱门。7.根据权利要求1所述的收藏式单桨共轴旋翼超高速直升机，其特征在于：所述机翼对称设置于所述机身两侧，所述机翼上设有副翼。8.根据权利要求1所述的收藏式单桨共轴旋翼超高速直升机，其特征在于：所述尾翼为呈v型结构布置于所述机身两侧的v型尾翼，所述v型尾翼上设有舵面。9.根据权利要求4所述的收藏式单桨共轴旋翼超高速直升机，其特征在于：所述底座上开设有圆形通孔，所述圆形通孔位于所述蜗轮底部，且所述圆形通孔的内径尺寸大于所述蜗轮的外径尺寸。

技术总结
本发明公开一种收藏式单桨共轴旋翼超高速直升机，涉及飞行器技术领域；包括机身，所述机身上分别设有机翼和尾翼，所述机身末端设有尾推螺旋桨，所述机身顶部设有旋翼机构，所述旋翼机构包括旋翼，所述旋翼机构能够带动旋翼收纳于所述机身的旋翼收纳舱内。本发明在直升机高速飞行时旋翼停止工作，由尾推螺旋桨提供推进力、机翼提供升力，从而规避掉高速飞行时旋翼空气动力学特性的缺陷；此外，旋翼可收起并收纳进机身内来进一步减小阻力，提高最大飞行速度。行速度。行速度。


技术研发人员：赵国庆 邵永生 招启军 廖庭汉 陈希 王博 高远
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2023.04.13
技术公布日：2023/6/28