一种旋翼机身一体化的四桨叶旋转机翼飞机的制作方法

本实用新型涉及飞行器技术领域，具体为一种旋转机翼飞机的旋翼与机身一体化设计技术，是一种旋翼机身一体化的四桨叶旋转机翼飞机。

背景技术：

旋转机翼飞机是一种兼具直升机的垂直起降性能和固定翼飞机的高速巡航性能的新型有人/无人飞机。专利号为zl201110213680.1，名称为《一种飞行模式可变的旋转机翼飞机》的中国专利就是一种典型机型。旋转机翼飞机具有三翼面的气动布局。其中，旋转机翼，即主机翼，在直升机飞行模式下，可以作为旋翼，通过旋转为飞机提供垂直起降时需要的拉力，同时，当飞机具有一定飞行速度后，又可以锁定为固定翼，实现固定翼高速、高效率的飞行。因此，在起飞、降落和小速度飞行阶段，飞机采用直升机飞行模式，在巡航和任务阶段，采用固定翼飞行模式，固定翼飞行模式与直升机飞行模式之间存在转换飞行模式。

为了兼顾直升机飞行模式和固定翼飞行模式，旋转机翼采用中等展弦比、小根稍比梯形机翼平面设计，并且采用前后缘对称椭圆翼型，而椭圆翼型由于自身钝后缘的特性，后缘处总存在流动分离，流动分离会带来额外的功率消耗，因此在直升机飞行模式阶段，旋转机翼的需用功率相比于传统直升机而言偏大。同时，相对传统直升机的主旋翼而言，旋转机翼单个桨叶面积宽大，结构重量较大。

而为了有效提高旋转机翼飞机的载重能力和最大起飞重量，提出一种四桨叶旋转机翼，如《一种四桨叶旋转机翼及旋转机翼飞机和控制方法》zl201910189236.7的中国专利。该四桨叶旋转机翼包括一对主桨叶和一对副桨叶；主桨叶的桨叶剖面采用前后缘对称翼型，桨叶平面形状采用前后对称设计，兼顾锁定时的固定翼性能；而副桨叶的桨叶剖面采用满足直升机旋翼性能要求的旋翼翼型；主桨叶和副桨叶采用十字分布安装在同一桨毂上。

技术实现要素：

要解决的技术问题

在进一步的理论计算、风洞试验和模型试飞验证后，我们发现，四桨叶旋转机翼飞机在固定翼飞行阶段，旋翼主轴锁定后，主桨叶垂直于机身对称面，副桨叶沿机身纵向对称面分布，此时沿机身纵向对称面的副桨叶与机身上表面产生气流干扰，增大阻力并影响起固定翼作用的主桨叶的来流，此外由于沿机身纵向对称面的副桨叶是细长结构，在固定翼飞行阶段会产生较为强烈的震动，也会进一步导致巡航阶段飞行阻力增大。

技术方案

为解决上述问题，同时为提高旋转机翼飞机的起飞重量，本实用新型提出一种旋翼机身一体化的旋转机翼飞机，依然采用四桨叶形式，但同时兼顾桨毂结构和固定翼巡航效率，通过对机身和旋翼桨毂设计，采用升降式副桨方式。飞机直升机模式时，副桨在最高位置，上下桨毂由旋翼轴驱动旋转，完成直升机模式飞行，过程中副桨相当于对主桨的增升装置，在大载荷情况下承担一半以上的拉力，为旋转机翼飞机直升机模式提供了有效支持；飞机固定翼模式时，副桨降低到机身纵向专门设置的凹陷位置，主桨锁定在飞机横向，副桨锁定在飞机竖向，副桨与机身融合，最终飞机形成三翼面飞机，减小高速飞行时的阻力，实现旋翼机身一体化设计。

本实用新型的技术方案为：

所述一种旋翼机身一体化的四桨叶旋转机翼飞机，包括机身、安装在机身纵向前部的鸭翼、安装在机身纵向中部的四桨叶旋转机翼和安装在机身纵向尾部的尾翼、安装在机身上提供旋转机翼飞机前飞动力的螺旋桨、安装在机身上的反扭矩装置、安装在机身内部的动力系统和飞控系统以及安装在机身下部的起落架；

鸭翼在旋转机翼飞机的固定翼模式飞行阶段以及转换飞行阶段提供部分升力，并通过某些方式提供俯仰和/或滚转的操纵和/或配平力矩；尾翼中的平尾在旋转机翼飞机固定翼飞行阶段以及转换飞行阶段提供部分升力，并通过某些方式提供俯仰和/或滚转的操纵和/或配平力矩；

四桨叶旋转机翼在旋转机翼飞机的直升机模式飞行阶段提供全部拉力，并在旋转机翼飞机的固定翼模式飞行阶段下锁定；所述四桨叶旋转机翼包括一对主桨叶和一对副桨叶；锁定后的主桨叶垂直于旋转机翼飞机纵向对称面，在旋转机翼飞机的固定翼模式飞行阶段提供部分升力；锁定后的副桨叶顺机身纵向对称面；

其特征在于：所述机身上表面在机身纵向对称面位置具有凹陷，凹陷位置尺寸与锁定后的副桨叶匹配，实现副桨叶融入机身内部；

所述四桨叶旋转机翼通过阶梯式桨毂系统安装在旋转机翼飞机旋翼主轴上；

所述阶梯式桨毂系统分为上桨毂系统和下桨毂系统；

所述上桨毂系统主体结构固定安装在旋转机翼飞机旋翼主轴上部，用于安装旋转机翼飞机中的两片主桨叶，并实现主桨叶的传动和变距功能；所述上桨毂系统主体结构包括桨夹、上桨毂；其中上桨毂采用带弹性约束的跷跷板式桨毂；桨夹采用拉扭杆式桨夹；

所述下桨毂系统安装在旋转机翼飞机旋翼主轴上，并处于上桨毂系统主体结构下部，用于安装旋转机翼飞机中的两片副桨叶，并实现副桨叶的传动和变距功能；

所述下桨毂系统能够在旋转机翼飞机旋翼主轴锁定后，控制副桨叶沿主轴轴向移动，并限定副桨叶轴向到位位置；其中当副桨叶沿主轴轴向自上向下移动到位时，副桨叶整体融入旋转机翼飞机机身的凹陷内。

进一步的，旋转机翼飞机机身凹陷位置设置有保型可伸缩挡板，用于将机身凹陷开口位置与机身整体实现保型。

进一步的，所述主桨叶的桨叶剖面采用前后缘对称翼型设计，桨叶平面形状采用顺流向对称设计；所述副桨叶的桨叶剖面采用满足直升机旋翼性能要求的旋翼翼型。

进一步的，所述下桨毂系统包括滑动作动器、下桨毂、上限动块、下限动块以及下桨毂变距器；所述下桨毂与旋翼主轴通过沿旋翼主轴轴向的花键配合，旋翼主轴通过花键能够带动下桨毂转动；当旋翼主轴锁定后，下桨毂能够在滑动作动器驱动下沿花键轴向移动，并在上限动块和下限动块约束下，实现上到位和下到位限定；下桨毂变距器实现副桨叶变距，且能够配合滑动作动器实现下桨毂沿花键轴向移动。

进一步的，所述下桨毂底部具有与滑动作动器配合的过渡结构，实现滑动作动器能够带动下桨毂沿花键轴向移动，且滑动作动器本体不随下桨毂转动。

进一步的，所述下桨毂底部的过渡结构为圆形滑槽结构，滑动作动器作动端处于圆形滑槽内，能够带动下桨毂沿花键轴向移动，也能够在下桨毂转动时相对下桨毂滑动。

进一步的，所述下桨毂采用柔性梁结构的无轴承桨毂形式；在柔性梁两端套装有变距外套，变距外套外端与副桨叶通过桨叶安装座连接；下桨毂变距器连接在变距外套上，实现副桨叶变距。

进一步的，所述下桨毂变距器包括变距作动器、定盘、动盘、变距连杆和下桨毂变距摇臂；当下桨毂自下而上运动时，通过滑动作动器和变距作动器配合共同完成下桨毂以及定盘沿旋转主轴的轴向向上移动；当下桨毂滑动到达上限动块约束位置后，滑动作动器停止动作，变距作动器能够操纵控制副桨叶变总距，上限动块将副桨叶产生的升力传递到旋翼主轴上。

进一步的，所述下桨毂变距器中具有至少3个变距作动器，定盘以及动盘通过球铰与旋转主轴配合，从而变距作动器能够操纵控制副桨叶变总距和周期变距。

进一步的，所述旋翼主轴采用空心轴；所述上桨毂系统中的上桨毂自动倾斜器处于下桨毂系统下部，并处于机身内部；上桨毂系统采用处于旋翼主轴内部的长连杆实现上桨毂系统中处于旋翼主轴上部的结构与处于机身内部的上桨毂自动倾斜器的连接。

有益效果

本实用新型针对提高旋转机翼飞机的载重能力和最大起飞重量的需求，在四桨叶旋转机翼飞机概念基础上，提出了旋翼机身一体化设计理念，并基于此提出了阶梯式桨毂系统，通过设计可轴向移动的下桨毂，使得副桨叶能够在固定翼飞行模式下与机身融合，大大减小了副桨叶在固定翼飞行模式下的扰动以及阻力，减小了巡航飞行时的阻力，最大限度的提高了巡航时的升阻比，从而提升巡航效率，保证了旋转机翼飞机的高速飞行能力。

此外，通过设计阶梯式桨毂系统，主桨叶在上，副桨叶在下，也使副桨叶起到相当于主桨叶增升装置的效果，在大载荷情况下能通过提升副桨叶的总距而承担一半以上的拉力，为旋转机翼飞机直升机模式飞行提供了有效支持。

同时，阶梯式桨毂系统的设计，也使旋转机翼飞机在直升机模式的起降控制、俯仰控制和滚转控制可进行冗余操纵，提高了系统安全裕度。

另外，本实用新型中，实现上桨毂和下桨毂变距功能的自动倾斜器都处于机身内部，也减少了旋转机翼飞机在飞行时的阻力。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是阶梯式桨毂示意图；

其中：1、上桨毂系统，2下桨毂系统；

图2是主桨叶的示例平面形状；

图3是副桨叶的示例平面形状；

图4是上桨毂结构示意图；

其中：3桨夹、4变距铰外壳、5拉扭杆、6滚针轴承、7上桨毂、8长连杆、9转向板、10变距拉杆、11弹性铰、12桨毂夹板、13挥舞铰、14上桨毂变距摇臂、15桨毂支臂；

图5是下桨毂结构示意图；

其中：16桨叶安装座、17变距外套、18上限动块、19花键、20桨毂柔性梁、21下桨毂变距摇臂、22下限动块、23变距连杆、24动盘、25定盘、26滑动作动器、27变距作动器；

图6是具有阶梯式桨毂旋转机翼飞机的全机气动布局示意图，图中未包含操纵舵面；

图中：28机身、29鸭翼、30平尾、31垂尾、32前拉螺旋桨、33四桨叶旋转机翼、34起落架、35尾桨；

图7是包容式机身示意图；(a)侧视图，(b)俯视图；

图中：36机身副桨包容槽；

图8是四桨叶旋翼的主桨和副桨布置示意图；(a)侧视图，(b)俯视图；

图中：37主桨叶、38副桨叶；

图9是全飞行过程旋转机翼飞机的变化示意图。

图10是在固定翼飞行阶段，融合与无融合方式的升阻比对比图，图中实线表示融合式设计结果，虚线表示无融合式设计结果，图为在速度550km/h下全机巡航升阻比k随升力系数cl的变化曲线。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

本实施例提供的是一种基于四桨叶旋转机翼，采用旋翼机身一体化设计的大载重、大起飞重量旋转机翼飞机。包括机身、安装在机身纵向前部的鸭翼、安装在机身纵向中部的四桨叶旋转机翼和安装在机身纵向尾部的尾翼、安装在机身上提供旋转机翼飞机前飞动力的螺旋桨、安装在机身上的反扭矩装置、安装在机身内部的动力系统和飞控系统以及安装在机身下部的起落架。

所述四桨叶旋转机翼由两组不同构型的桨叶构成，也就是由包含一对主桨叶和一对副桨叶的“主副桨叶”系统组成。其中，主桨叶兼顾固定翼模式与直升机模式两种飞行模式要求设计，桨叶剖面采用前后缘对称翼型设计，如椭圆翼型，桨叶平面形状采用顺流向对称的设计，如梯形、矩形等。另外一对副桨叶则完全按照满足直升机模式飞行要求进行设计，采用高性能旋翼设计，可以采用高展弦比，桨叶剖面采用高性能旋翼翼型，副桨具有更高的旋翼气动效率和更轻的结构重量。

四桨叶旋转机翼在旋转机翼飞机的直升机模式飞行阶段提供全部拉力，并在旋转机翼飞机的固定翼模式飞行阶段下锁定，锁定后的主桨叶垂直于旋转机翼飞机纵向对称面，在旋转机翼飞机的固定翼模式飞行阶段提供部分升力。锁定后的副桨叶顺机身纵向对称面。

机身上表面在机身纵向对称面位置具有凹陷，凹陷位置尺寸与锁定后的副桨叶匹配，实现副桨叶融入机身内部；优选的，旋转机翼飞机机身凹陷位置设置有保型可伸缩挡板，用于将机身凹陷开口位置与机身整体实现保型，在副桨叶下降进入或上升离开机身时，保型可伸缩挡板打开。

所述四桨叶旋转机翼通过阶梯式桨毂系统安装在旋转机翼飞机旋翼主轴上；阶梯式桨毂系统分为上桨毂系统和下桨毂系统。

所述上桨毂系统主体结构固定安装在旋转机翼飞机旋翼主轴顶部位置，用于安装旋转机翼飞机中的两片主桨叶，并实现主桨叶的传动和变距功能。如图4所示，本实施例中，所述上桨毂系统安装在旋翼主轴顶部的主体结构包括桨夹3、变距铰外壳4、拉扭杆5、滚针轴承6、上桨毂7、长连杆8、转向板9、变距拉杆10、弹性铰11、桨毂夹板12、挥舞铰13、上桨毂变距摇臂14、桨毂支臂15。

其中，上桨毂7采用带弹性约束的跷跷板式桨毂；桨毂夹板12将两侧的桨毂支臂15连接起来，绕挥舞铰13能进行上下挥舞，而弹性铰11给挥舞运动提供弹性约束，增加旋翼操纵力矩。桨夹3采用拉扭杆式桨夹，拉扭杆5安装在桨毂支臂15内，一端与变距铰外壳4连接，一端与上桨毂7连接，承受离心力和变距扭转，这样的结构减少了轴承使用个数，降低了零件数目、维护复杂度和润滑问题；变距铰外壳4通过滚针轴承6安装在桨毂支臂15上，用于传递上桨毂旋转平面内的扭矩。

为减小阻力，并且与下桨毂安装空间相配合，上桨毂系统的操纵系统采用轴内操纵，即变距铰外壳通过变距摇臂和变距拉杆连接，变距拉杆通过转向板和处于空心旋转主轴内的长连杆连接，长连杆连接位于下桨毂系统下部，并处于机身内部的上桨毂自动倾斜器，通过上桨毂自动倾斜器实现主桨叶的变距控制。

如图1所示，所述下桨毂系统安装在旋转机翼飞机旋翼主轴上，并处于上桨毂系统主体结构下部，用于安装旋转机翼飞机中的两片副桨叶，并实现副桨叶的传动和变距功能。下桨毂系统能够在旋转机翼飞机旋翼主轴锁定后，控制副桨叶沿主轴轴向移动，并限定副桨叶轴向到位位置；其中当副桨叶沿主轴轴向自上向下移动到位时，副桨叶整体融入旋转机翼飞机机身内，从而避免副桨叶在固定翼飞行模式下的扰动，降低阻力。

如图5所示，本实施例中，所述下桨毂系统包括滑动作动器、下桨毂、上限动块、下限动块以及下桨毂变距器。

所述下桨毂与旋翼主轴通过沿旋翼主轴轴向的花键配合，旋翼主轴通过花键能够带动下桨毂转动；当旋翼主轴锁定后，下桨毂能够在滑动作动器驱动下沿花键轴向移动，并在上限动块和下限动块约束下，实现上到位和下到位限定；下桨毂变距器实现副桨叶变距，且能够配合滑动作动器实现下桨毂沿花键轴向移动。

本实施例中，所述下桨毂采用柔性梁结构的无轴承桨毂形式；在柔性梁两端套装有变距外套，变距外套外端与副桨叶通过桨叶安装座连接；下桨毂变距器连接在变距外套上，实现副桨叶变距。

所述下桨毂变距器包括变距作动器、定盘、动盘、变距连杆和下桨毂变距摇臂。

当下桨毂自下而上运动时，通过滑动作动器和变距作动器配合共同完成下桨毂以及定盘沿旋转主轴的轴向向上移动；当下桨毂滑动到达上限动块约束位置后，滑动作动器停止动作，变距作动器能够通过驱动定盘和动盘运动，进而操纵控制副桨叶变总距，而上限动块将副桨叶产生的升力传递到旋翼主轴上。即如图5所示，这种情况下，下桨毂变距器只有两个变距作动器，能够实现副桨叶总距变化，但不能实现周期变距，相对结构简单，此时旋转机翼通过上桨毂自动倾斜器控制主桨叶实现周期变距操纵。

当然，下桨毂变距器中也可以具有至少3个变距作动器，而定盘以及动盘通过球铰与旋转主轴配合，从而变距作动器能够操纵控制副桨叶变总距和周期变距。

当下桨毂自上而下运动时，通过滑动作动器和变距作动器配合共同完成下桨毂以及定盘沿旋转主轴的轴向向下移动；当下桨毂滑动到达下限动块约束位置后，滑动作动器和变距作动器停止动作，副桨叶整体融入旋转机翼飞机机身内。

此外，为了将下桨毂的旋转运动与滑动作动器本体相隔离，在下桨毂底部设置有与滑动作动器配合的过渡结构，具体而言，可以采用圆形滑槽结构，滑动作动器作动端处于圆形滑槽内，能够带动下桨毂沿花键轴向移动，也能够在下桨毂转动时相对下桨毂滑动。此外，也可以采用类似自动倾斜器中的定盘动盘结构实现下桨毂的旋转运动与滑动作动器本体相隔离。

鸭翼在旋转机翼飞机的固定翼模式飞行阶段以及转换飞行阶段提供部分升力，并通过某些方式提供俯仰和/或滚转的操纵和/或配平力矩，例如全动鸭翼、鸭翼舵面等；尾翼中的平尾在旋转机翼飞机固定翼飞行阶段以及转换飞行阶段提供部分升力，并通过某些方式提供俯仰和/或滚转的操纵和/或配平力矩，例如全动平尾、平尾舵面等。并且为了保证飞机的航向操纵能力，尾翼中应存在至少一个垂直尾翼。尾翼的形式可以采用多种形式，例如t型尾翼，h型尾翼等。

提供旋转机翼飞机前飞动力的螺旋桨可以是安装在机身头部的前拉变距螺旋桨，但考虑到前拉螺旋桨在直升机模式飞行阶段，尾桨在固定翼模式飞行阶段都是不起作用的，所以可以将两者合并为一个推力方向可变的尾桨，推力尾桨通过特定规律运动，实现推力方向的改变，可以提供直升机模式下的反扭矩和固定翼模式下飞行需要的推力。

图9是全飞行过程旋转机翼飞机的变化示意图，直升机模式的起降阶段，副桨升至最高，与主桨组成四叶桨，为全机提供升力；过渡过程主桨、副桨逐步卸载，主桨垂直于机身纵向对称面锁定，副桨下降至最低点与机身融合；固定翼模式为三翼面飞机。

图10是在固定翼飞行阶段，融合与无融合方式的升阻比对比图，图中实线表示融合式设计结果，虚线表示无融合式设计结果，从图中可以看出，融合后飞机的升阻比大于无融合方式。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。