[发明专利]一种安装摆线桨的飞翼布局飞行器

说明书

技术领域

本发明属于航空飞行器技术领域，具体为一种安装摆线桨的飞翼布局飞行器。

背景技术

传统的常规飞行器机身基本不产生升力，升力基本靠机翼提供。而飞翼布局的飞行器绝大部分面积的机体都能产生升力，因此在同等推力的条件下，飞翼布局能允许更大的载重量。在给定航程、载重量的条件下，飞翼布局所需要的推力小，油耗低，成本下降。飞翼在重量、制造成本、气动性能方面和外观方面都显示了极大的优越性。因此，设计高性能的飞翼飞行器一直是很多飞机设计师的不懈追求。

由Garreau等人申请的美国专利US7,753,309B2公开了一种可进行垂直起降的飞翼飞机。在该专利中，机身在飞机重心之前并与左、右两个机翼靠近前缘的部分相连，而左右两个机翼安装在沿机身对称面的重心位置。在机身对称面重心附近有两根轴，它们的轴线与机身轴线垂直，竖直安装。一对螺旋桨分别竖直安装在两根轴的两端，轴毂的轴线与该轴轴线重合，一个螺旋桨在机翼的上面，另一个螺旋桨在机翼的下面。利用一个控制机构，可分别控制两个螺旋桨倾转，产生升力或推力，从而使得飞机可以进行垂直起降或前飞。该专利中描述的两个螺旋桨需要一个较为复杂的控制才能控制倾转，这大大降低了该飞翼飞机的可靠性。另外，该飞机起降时，由于安装在机翼下表面的螺旋桨靠近地面，会造成强烈的气流干扰，使得该飞机起降时极不稳定，因此这个方案的实施难度非常高。

由李大勇等人申请的专利CN200420031478.2讲述的是一种飞翼飞行器。该飞行器分为主翼、腿翼和臂翼，是一种通过人体与飞翼结合，用人的自身力量作为动力，以扑翼方式并借助上身气流而实现飞行的飞行器。飞行时，飞行者俯卧于主翼上方，双腿扇动腿翼，由此产生推力和升力，并借助上升气流实现飞行。该飞行器与目前已有的可真正进行飞行的飞行器比较，虽然具有更好的方向可控性；利用上升气流可以飞得更高、更远、更自如；结构简单、体小轻便等优点；但是由于该飞行器要借助于人力扑动飞翼，这对于人体能量提出了挑战；借助上升气流，对自然环境也就具有极高的要求，一般需要到高处才能获得所需气流；而人自身在空中飞行也是极具危险的。因此，该方案实现起来也非常不容易，很难得到工程应用。

摆线桨，亦称直翼推进器，是一种能够提供瞬间可变全向矢量推力的推进装置，它具有效率高、矢量推力变化快和噪音极低等特点。马里兰大学Jarugumilli T.，BenedictM.等人在49届AIAA宇航科学大会上发表了一篇摆线桨的文章。他们做了一系列的系统性实验，列举了大量的摆线桨测力试验数据，对摆线桨的叶片翼型，俯仰控制角和叶片数等参数进行了研究。他们发现，在相同桨盘面积下，摆线桨比传统的旋翼或者螺旋桨的效率要高很多(几乎高出一倍)。他们得到的关于摆线桨参数的结论有助于对摆线桨桨叶或者机构进行优化设计。详情见Jarugumilli T.，Benedict M.and Chopra，“Experimental Optimization and Performance Analysis of a MAV Scale Cycloidal Rotor”，AIAA 2011-821。

由Jammes和Michael McNabb申请的美国专利US7,219,854B2公开了一种安装摆线桨的飞行器。该发明的目的是提供一种利用地面效应来增大飞机的升阻比的飞行器方案。飞机采用的是双头双机身结构，这样可有效扩大展弦比，充分利用地面效应。机身里面充有轻于空气的气体，可以产生上浮力。在机身顶部，安装一个常规的推进系统。在两个机身之间，分别在靠近机头处和靠近垂尾顶部处各安装一个摆线桨装置。两个摆线桨转轴都与飞机对称面垂直。轴的两端分别与安装在两个机身和垂尾内部的控制机构连接，每个叶片可以绕着自身的叶片轴单独转动。通过控制机构的调节，起飞时两个摆线桨转动可以产生向上的拉力为飞机提供较大一部分升力；在前飞过程中，推力主要由安装在机身背部的常规推进系统提供，而摆线桨不再转动，由于摆线桨分别安装在飞机的重心前后，摆线桨叶片产生的升力主要用来对飞机进行纵向稳定性控制。该专利中，摆线桨横跨两个机身的安装方式使得其转动时产生的波动力矩对飞机机身，特别是对垂尾带来很高的结构要求；并且需要很复杂的控制机构才能完成飞行过程中摆线桨叶片的单独控制，这大大降低了它的实用性和可靠性。