旋转机翼飞机的阶梯式桨毂控制系统的制作方法

本实用新型涉及一种旋转机翼飞机的控制系统，适用于具有阶梯式桨毂的重载型旋转机翼飞机。

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，也为避免四桨叶位于同一桨毂上出现桨毂设计复杂、操纵杆系多、动盘设计复杂的问题，本实用新型提出一种适用于具有阶梯式桨毂的重载型旋转机翼飞机的桨毂控制系统，通过采用由上桨毂系统和下桨毂系统组成的阶梯式桨毂系统，实现升降式副桨方式，当飞机处于直升机模式时，控制系统驱动副桨在最高位置，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，控制系统驱动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。

本实用新型的技术方案为：

所述一种旋转机翼飞机的阶梯式桨毂控制系统，其特征在于：所述阶梯式桨毂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；所述主桨叶为当旋转机翼飞机处于固定翼飞行模式下，垂直于旋转机翼飞机纵向对称面的一对桨叶；

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空心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主体结构与处于机身内部的上桨毂自动倾斜器的连接；

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；所述副桨叶为当旋转机翼飞机处于固定翼飞行模式时，处于顺机身纵向对称面的一对桨叶；

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；且下桨毂能够沿花键轴向移动，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；

所述控制系统包括上桨毂控制系统和下桨毂控制系统；

当旋转机翼飞机使用直升机飞行模式进行起降飞行时，在旋转机翼飞机动力系统启动前，下桨毂控制系统能够向滑动作动器以及下桨毂变距器发出伸出指令，推动下桨毂沿花键轴向向上滑动，并在滑动至上限动块后停止；

在旋转机翼飞机使用直升机飞行模式起降飞行过程中，上桨毂控制系统和下桨毂控制系统能够分别对应控制上桨毂自动倾斜器以及下桨毂变距器，实现旋转机翼飞机直升机飞行模式起飞所需的总距操纵要求；

在旋转机翼飞机使用直升机飞行模式飞行过程中，上桨毂控制系统控制上桨毂自动倾斜器和/或下桨毂控制系统控制下桨毂变距器，实现主桨叶和/或副桨叶的俯仰周期变距，对飞机进行俯仰姿态控制，实现主桨叶和/或副桨叶的滚转周期变距，对飞机进行滚转姿态控制；

当旋转机翼飞机进行转换飞行模式时，上桨毂控制系统和下桨毂控制系统能够分别对应控制上桨毂自动倾斜器以及下桨毂变距器，实现主桨叶和副桨叶降总距卸载；当旋翼主轴锁定后，下桨毂控制系统能够向滑动作动器以及下桨毂变距器发出收缩指令，推动下桨毂沿花键轴向向下滑动，并在滑动至下限动块后停止，此时副桨叶整体融入旋转机翼飞机机身内。

进一步的，在旋转机翼飞机使用直升机飞行模式飞行过程中，优先通过上桨毂控制系统控制上桨毂自动倾斜器实现主桨叶的俯仰周期变距和/或滚转周期变距，对飞机进行俯仰姿态控制和滚转姿态控制。

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。

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。并且本实用新型针对阶梯式桨毂系统结构，对旋转机翼飞机进行直升机飞行模式、固定翼飞行模式及转换飞行模式的多模式控制，使得旋转机翼的新型旋翼系统可满足不同飞行状态要求。

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3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4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5是全飞行过程旋转机翼飞机的主桨、副桨运动变化示意图。

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。

本实用新型提出一种旋转机翼飞机的阶梯式桨毂控制系统，通过采用由上桨毂系统和下桨毂系统组成的阶梯式桨毂系统，实现升降式副桨方式，当飞机处于直升机模式时，控制系统驱动副桨在最高位置，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，控制系统驱动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。

本实施例中的阶梯式桨毂分为上桨毂系统和下桨毂系统。

如图1所示，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。所述主桨叶为当旋转机翼飞机处于固定翼飞行模式下，垂直于旋转机翼飞机纵向对称面的一对桨叶。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，如椭圆桨、梯形、矩形等，当旋转机翼飞机处于固定翼飞行模式下，主桨叶充当中间翼面。

如图2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。所述副桨叶为当旋转机翼飞机处于固定翼飞行模式时，处于顺机身纵向对称面的一对桨叶。副桨叶剖面采用满足直升机旋翼性能要求的旋翼翼型，副桨叶相对主桨叶具有更高的旋翼气动效率和更轻的结构重量。

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3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3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，此时旋转机翼可以只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。

如图4所示，采用阶梯式桨毂具有四桨叶的大载重、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。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。

如图5所示，全飞行过程包括直升机模式起飞、直升机转固定翼的转换模式、固定翼模式、固定翼转直升机的转换模式、直升机模式着陆五个阶段，图中给出了不同阶段旋转机翼飞机的主桨、副桨运动变化的示意图。在各个必要阶段，控制系统分别控制上桨毂和下桨毂。

所述控制系统包括上桨毂控制系统和下桨毂控制系统。

当旋转机翼飞机使用直升机飞行模式进行起降飞行时，在旋转机翼飞机动力系统启动前，下桨毂控制系统能够向滑动作动器以及下桨毂变距器发出伸出指令，推动下桨毂沿花键轴向向上滑动，并在滑动至上限动块后停止，此时下桨毂控制系统向旋转机翼飞机的飞控系统发出副桨叶到位信号，之后即可以驱动旋翼主轴旋转。

在旋转机翼飞机使用直升机飞行模式起降飞行过程中，上桨毂控制系统和下桨毂控制系统能够分别对应控制上桨毂自动倾斜器以及下桨毂变距器，实现旋转机翼飞机直升机飞行模式起飞所需的总距操纵要求。主桨通过控制总距下产生的拉力为m，副桨通过控制总距下产生的拉力为n，起降飞行时只需保证m+n与飞机总重满足需要控制要求即可。为了平衡旋翼系统主、副桨带来的扭矩，在飞机尾部有反扭矩装置，如尾桨等。

在旋转机翼飞机使用直升机飞行模式飞行过程中，上桨毂控制系统控制上桨毂自动倾斜器，实现主桨叶的俯仰周期变距和滚转周期变距，对飞机进行俯仰姿态控制和滚转姿态控制。当下桨毂变距器中也可以具有至少3个变距作动器时，也可以实现副桨叶的周期变矩，则此时下桨毂控制系统也能够控制下桨毂变距器，实现副桨叶的俯仰周期变距和滚转周期变距。此时，俯仰/滚转周期变距控制策略可以有两种选择：1)主桨和副桨的输入指令一致，即主桨和副桨一起运动；2)主桨优先改变俯仰/滚转周期变距，待其达到规定值时，副桨补充指令进行叠加。

当旋转机翼飞机具有一定离地高度时，并具有一定的前飞速度，使鸭翼和平尾产生足够的升力时，此时可以进行转换飞行模式。此时，上桨毂控制系统和下桨毂控制系统分别对应控制上桨毂自动倾斜器以及下桨毂变距器，实现主桨叶和副桨叶降总距卸载，使旋转机翼提供的拉力逐渐减小；当通过气动阻力或刹车机构，使旋翼转速下降至一定值后，通过已知公开的锁定机构将旋翼主轴锁定，而后下桨毂控制系统向滑动作动器以及下桨毂变距器发出收缩指令，推动下桨毂沿花键轴向向下滑动，并在滑动至下限动块后停止，此时副桨叶整体融入旋转机翼飞机机身内。

至于固定翼飞行模式，飞机的控制策略同普通飞机一样：控制螺旋桨提供旋转机翼飞机前飞动力；鸭翼采用全动鸭翼或鸭翼舵面的方式提供俯仰和/或滚转的操纵和/或配平力矩；平尾采用全动平尾或平尾舵面的方式提供俯仰和/或滚转的操纵和/或配平力矩，垂尾控制飞机偏航运动。

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。

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