專利名稱：消除直升機(jī)機(jī)翼抖震和提升飛行速度的新理論和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明專利涉及一種新的理論和實(shí)施方法，可以消除直升機(jī)在飛行過(guò)程中存在的機(jī)翼抖震問(wèn)題，目的是提升飛行速度和飛行平穩(wěn)性。本專利可以直接應(yīng)用在軍用及民用直升飛機(jī)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
直升飛機(jī)自1907年誕生以來(lái)已有100多年的歷史，其基本原理是利用高速轉(zhuǎn)動(dòng)的帶有仰角的旋翼獲得升力來(lái)使飛機(jī)升空和飛行的。雖然其各項(xiàng)技術(shù)和材料都已發(fā)生了革命性的改進(jìn)，但是，由其基本飛行原理所產(chǎn)生的飛行過(guò)程中兩翼升力不相等帶來(lái)的抖震問(wèn)題仍無(wú)法消除，所以直至今日，直升飛機(jī)的飛行速度仍不是很高。據(jù)了解，目前世界各國(guó)所使用的飛行速度最快的直升機(jī)，最高時(shí)速一般在250公里/小時(shí)至350公里/小時(shí)的范圍內(nèi)， 即使美國(guó)最新設(shè)計(jì)的X2直升機(jī)(其最高時(shí)速將為463公里/小時(shí))，其飛行速度也沒(méi)有達(dá)到直升機(jī)的預(yù)期速度(900公里/小時(shí))。所以，如何大大提升直升飛機(jī)的飛行速度已成為世界各國(guó)研究的熱點(diǎn)。我們的發(fā)明用一種新的自動(dòng)力平衡原理和獨(dú)特的方法消除了這一影響飛行速度的因素，可以大大提升直升機(jī)的飛行速度。

發(fā)明內(nèi)容
為了消除現(xiàn)在的直升飛機(jī)在飛行過(guò)程中當(dāng)旋翼轉(zhuǎn)至迎風(fēng)側(cè)時(shí)升力大于順風(fēng)側(cè)并發(fā)生周期性的抖震而影響飛行速度的問(wèn)題，我們利用本發(fā)明專利的自動(dòng)力平衡原理和帶有俯仰軸的旋翼設(shè)計(jì)，可以使這一問(wèn)題得到解決。本發(fā)明專利涉及的自動(dòng)力平衡原理是指在直升飛機(jī)旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，兩側(cè)旋翼的升力由于俯仰軸的連接可以繞該軸轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，通過(guò)一種正弦式周期性同步地改變仰角自動(dòng)平衡了兩側(cè)升力的大小，使得兩側(cè)升力時(shí)時(shí)相等，從而保持了直升飛機(jī)在飛行過(guò)程中的平穩(wěn)。本發(fā)明專利的關(guān)鍵設(shè)計(jì)在于兩旋翼之間的俯仰軸的存在。為了說(shuō)明方便我們確立一個(gè)三維旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系設(shè)直升飛機(jī)旋翼中心處于該坐標(biāo)系的原點(diǎn)，其前行的方向?yàn)閆軸， 水平垂直于Z軸的為X軸，沿反重力方向垂直于X，Z軸的為Y軸，同時(shí)假定飛機(jī)兩旋翼葉片與X軸重合且X軸與葉片一起轉(zhuǎn)動(dòng)。此時(shí)，兩旋翼通過(guò)中間的俯仰軸連接并可繞俯仰軸轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度(因?yàn)楦┭鲚S與X軸重合，故可認(rèn)為兩旋翼葉片可繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度)，且設(shè)計(jì)時(shí)使升力在兩側(cè)旋翼葉片的作用點(diǎn)落在X軸的后方(轉(zhuǎn)動(dòng)的指向定為前方)，此時(shí)飛機(jī)以一定速度沿Z軸向前飛行，兩側(cè)旋翼葉片上的升力由于存在迎風(fēng)和順風(fēng)時(shí)相，故兩側(cè)升力不等，在這種情況下，迎風(fēng)側(cè)的葉片的升力對(duì)于俯仰軸(X軸)產(chǎn)生較順風(fēng)側(cè)大的力矩，在該力矩的作用下，旋翼葉片繞俯仰軸轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，從而使迎風(fēng)側(cè)的葉片仰角變小，升力變小一些，使順風(fēng)側(cè)的仰角變大，升力變大一些，直至最終相等。所以，俯仰軸的存在可以使兩側(cè)旋翼的升力處處調(diào)整為相等?？梢宰C明，在旋翼勻速轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，葉片會(huì)繞俯仰軸以正弦波俯仰運(yùn)動(dòng)方式與旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)周期同步，俯仰幅度則隨直升機(jī)速度增大而增大。本發(fā)明專利的有益效果是，可以消除直升飛機(jī)飛行過(guò)程中兩旋翼升力不等帶來(lái)的限制飛行速度的抖震問(wèn)題，可以大大提升直升飛機(jī)的飛行速度和飛行穩(wěn)定性。


下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明專利進(jìn)一步說(shuō)明附圖針對(duì)性簡(jiǎn)化地顯示了本發(fā)明專利的力學(xué)平衡原理。圖示中虛線所示的互相垂直的χ、γ、ζ軸構(gòu)成一個(gè)空間三維旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(指 X軸與旋翼葉片一起轉(zhuǎn)動(dòng))，其中Z軸方向?yàn)橹鄙w機(jī)向前飛行的方向，Y軸方向代表垂直于水平地面向上的方向，飛機(jī)重力G落在此軸上且方向向下，X軸水平垂直于飛行方向Z軸， 且與飛機(jī)旋翼重合與旋翼一起轉(zhuǎn)動(dòng)。圖示中，vf表示直升飛機(jī)向前飛行的速度，F(xiàn)l及Fl' 分別代表迎風(fēng)側(cè)(左側(cè))及順風(fēng)側(cè)(右側(cè))兩旋翼產(chǎn)生的升力，0及0'分別代表兩側(cè)升力在旋翼上的作用點(diǎn)，d為兩側(cè)升力作用點(diǎn)到俯仰軸(X軸)的距離，G和Oe分別代表飛機(jī)重力及其作用點(diǎn)，圖示中旋轉(zhuǎn)箭頭表示旋翼順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。當(dāng)旋翼(與X軸)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，如果沒(méi)有葉片可以繞其轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度的俯仰軸，直升飛機(jī)迎風(fēng)側(cè)葉片產(chǎn)生的升力Fl >順風(fēng)側(cè)升力Fl'，兩側(cè)的葉片受力不等，飛機(jī)機(jī)身會(huì)在周期變化的不等的升力作用下產(chǎn)生抖震問(wèn)題，飛機(jī)飛行速度越大抖震越明顯，這一點(diǎn)影響了直升飛機(jī)的飛行速度。本專利中飛機(jī)的兩旋翼葉片之間由俯仰軸連接成為一個(gè)整體，且兩葉片可以繞俯仰軸在一定范圍角度內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，設(shè)計(jì)時(shí)使升力在兩側(cè)旋翼葉片的作用點(diǎn)0及 0'落在X軸的后方(轉(zhuǎn)動(dòng)的指向定為前方)，此時(shí)，兩旋翼對(duì)于俯仰軸(X軸)產(chǎn)生的力矩分別為Fl · d和Fl' · d，由于Fl · d > Fl' · d，于是旋翼葉片將繞俯仰軸轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度， 使得迎風(fēng)側(cè)仰角變小，F(xiàn)l變小，順風(fēng)側(cè)旋翼仰角變大，F(xiàn)l'變大，最終使Fl =Fl'。當(dāng)兩側(cè)旋翼(X軸)轉(zhuǎn)動(dòng)至與Z軸重合時(shí)，兩側(cè)升力相等，此時(shí)俯仰軸沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)，相當(dāng)于直升飛機(jī)垂直起飛時(shí)旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的狀態(tài)。在旋翼勻速轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，葉片會(huì)繞俯仰軸以正弦波俯仰運(yùn)動(dòng)方式與旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)周期同步，俯仰幅度則隨直升機(jī)速度增大而增大。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明專利的核心技術(shù)是連接兩旋翼的俯仰軸的設(shè)計(jì)。在具體實(shí)施過(guò)程中，將兩側(cè)旋翼的葉片通過(guò)俯仰軸連接成為一個(gè)整體，一方面這個(gè)整體在直升飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)軸帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，另一方面，在這個(gè)整體內(nèi)旋翼葉片可以繞俯仰軸在一定范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而改變?nèi)~片仰角。另外，在具體實(shí)施過(guò)程中，還要使兩旋翼落在轉(zhuǎn)動(dòng)中產(chǎn)生的升力的作用點(diǎn)落在俯仰軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)后方，這樣才能使升力對(duì)于俯仰軸的力學(xué)系統(tǒng)為一個(gè)穩(wěn)定系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.消除直升飛機(jī)機(jī)翼抖震和提升飛行速度的新理論和方法。本發(fā)明專利不同于一般直升飛機(jī)的旋翼設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)，其特征是根據(jù)自動(dòng)力平衡理論，在兩旋翼連接處設(shè)置一俯仰軸，升力對(duì)俯仰軸的力矩使旋翼繞俯仰軸在一定范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)以改變旋翼仰角，通過(guò)一種正弦式周期性改變仰角的方式自動(dòng)平衡兩側(cè)葉片升力的大小，使兩側(cè)升力保持相等，以大幅度提高飛行速度和穩(wěn)定性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的俯仰軸，其特征是在具體實(shí)施過(guò)程中，將兩側(cè)旋翼的葉片通過(guò)水平俯仰軸連接成為一個(gè)整體，一方面這個(gè)整體在直升飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)軸帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，另一方面，在這個(gè)整體內(nèi)旋翼葉片可以繞俯仰軸在一定范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而改變?nèi)~片仰角。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋翼，其特征是具有固定仰角的旋翼，通過(guò)水平俯仰軸連接成一整體，且使兩旋翼在旋轉(zhuǎn)中產(chǎn)生的升力作用點(diǎn)落在俯仰軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)后方，使升力對(duì)于俯仰軸的力學(xué)系統(tǒng)為一個(gè)穩(wěn)定系統(tǒng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動(dòng)力平衡理論，其特征是在直升飛機(jī)飛行的過(guò)程中，迎風(fēng)側(cè)旋翼產(chǎn)生的升力將大于順風(fēng)側(cè)所產(chǎn)生的升力，迎風(fēng)側(cè)葉片的升力對(duì)于俯仰軸的力矩大于順風(fēng)側(cè)，兩旋翼葉片將在這對(duì)力矩的作用下繞俯仰軸向前轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，從而使迎風(fēng)側(cè)旋翼仰角變小，升力變小，背風(fēng)側(cè)仰角變大，升力變大，當(dāng)兩側(cè)升力相等時(shí)，力矩轉(zhuǎn)動(dòng)的作用停止。在旋翼勻速轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，葉片會(huì)繞俯仰軸以正弦波俯仰運(yùn)動(dòng)方式與旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)周期同步， 俯仰幅度則隨直升機(jī)速度增大而增大。
全文摘要
解決直升機(jī)水平飛行時(shí)旋翼迎風(fēng)和順風(fēng)時(shí)葉片升力不等所造成的力平衡問(wèn)題，以大幅度提高飛行速度和穩(wěn)定性。力學(xué)原理附圖中，假想空間坐標(biāo)系X、Y、Z中有一直升機(jī)，其重力向量OG-G沿Y軸垂直向下，沿Z軸以速度vf前飛，兩葉片落在X軸上且X軸被假定為與葉片一起轉(zhuǎn)動(dòng)。兩側(cè)葉片通過(guò)俯仰軸連接成一整體并可繞X軸作俯仰運(yùn)動(dòng)，兩葉片的升力作用點(diǎn)O和O’在X軸的后方。這種結(jié)構(gòu)使旋翼旋轉(zhuǎn)時(shí)兩側(cè)葉片所產(chǎn)生的升力Fl和Fl’保持相等。直升機(jī)垂直起降時(shí)，葉片不會(huì)做俯仰運(yùn)動(dòng)。水平飛行時(shí)(vf)，兩側(cè)葉片則通過(guò)自動(dòng)調(diào)整俯仰角來(lái)保持其升力平衡。葉片會(huì)以正弦波俯仰運(yùn)動(dòng)方式與旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)周期同步，俯仰幅度則隨直升機(jī)速度而增大。
文檔編號(hào)B64C27/51GK102464107SQ20101055407
公開(kāi)日2012年5月23日 申請(qǐng)日期2010年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月18日
發(fā)明者曹鐵生, 王臻 申請(qǐng)人:曹鐵生