一种旋翼与升力风扇共轴反转的垂直起降航空飞行器的制作方法

本发明涉及一种航空飞行器，特别是一种旋翼与升力风扇共轴反转的垂直起降航空飞行器，属于飞行器设计。

背景技术：

1、随着国家将低空经济列入战略性新兴产业，并将其作为新质生产力的典型代表大力发展，具备垂直起降功能的新型航空飞行器已然成为低空经济的核心产业及重要载体，被众多航空飞行器研制厂商确定为重点攻关发展的方向。

2、结合物流运输、城市交通、农林植保、应急救援、体育休闲、文化旅游等典型应用场景需求，新型航空飞行器应具备垂直起降、动力系统效率高、系统组成简单、可靠性高、操纵简单、采购及使用成本低廉、承载能力强、能够实现高速/低速经济飞行切换，具有尽可能低的失速速度，动力系统故障时能够缓降以最大限度保障驾乘人员安全等特点。为满足前述能力需求，当前主要技术发展方向包括传统直升机、倾转旋翼机、多旋翼机。

3、传统单旋翼直升机虽然能够垂直起降，但需要设计垂直尾桨来平衡旋翼旋转引发的反转扭矩。垂直尾桨设计带来近15％的动力消耗，且垂直尾桨故障率较高，易导致直升机失事坠毁。采用共轴反转双旋翼设计的直升机，依靠双旋翼反转相互抵消扭矩，不需要垂直尾桨，提升了动力系统的能量利用率，但共轴反转的双旋翼在直升机机动时极易上下“打桨”造成事故，为此需要将上下旋翼间隔增大，造成飞行阻力增加。此外，直升机依靠巨大旋翼同时产生升力、前进动力及进行飞行姿态控制，系统复杂导致可靠性相对较低、采购成本及使用维护成本高，操纵驾驶难度较大，对驾驶人员要求高。

4、为了克服传统直升机的缺陷，航空工程师又创新研发了倾转式高速直升机。倾转式高速直升机通过在固定翼飞机机翼两端对称安装可在水平位置与垂直位置之间转动的旋翼倾转系统组件，当飞机垂直起飞和着陆时，旋翼轴垂直于地面，呈横列式直升机飞行状态，并可在空中悬停、前后飞行和侧飞；当飞机平飞时，旋翼轴平行于地面，旋翼变为大尺寸螺旋桨产生拉动飞机前进的动力。主要代表有v-22鱼鹰、v-280等，最大速度均可达到460km/h以上。倾转式高速直升机兼顾了直升机与螺旋桨定翼机的特点，具有“跨界”特征，具有振动小、噪声低的优点，但近地面机动能力较差，同时旋翼倾转系统使得结构、控制系统及动力系统十分复杂，重量增加、可靠性降低，高昂的采购成本限制了其在民用领域的推广应用。

5、多旋翼机是当前低空领域新型航空飞行器研发的热点，诸多有人/无人电动垂直起降航空飞行器、飞行汽车等概念产品均基于多旋翼机设计。多旋翼机具有操作简单、可靠性较高，且使用维护成本相对较低的优点，其缺点主要是水平飞行气动阻力大、飞行速度低、任务载荷低、续航时间短，其最大起飞重量、最大飞行速度往往都要低于同等功率的直升机。

6、综上，目前已知的各类航空飞行器，虽然在一定程度上解决了垂直起降、能量效率、速度等优化的问题，但多存在系统复杂度高、采购使用成本高、负载能力较低、续航时间短等诸多问题，安全性、经济性、可靠性以及操纵的便捷性难以适应当前低空经济发展的诉求。

技术实现思路

1、为解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种旋翼与升力风扇共轴反转的垂直起降航空飞行器。

2、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种旋翼与升力风扇共轴反转的垂直起降航空飞行器，包括机身、旋翼、动力系统、主传动轴、变速器，还包括升力风扇、螺旋桨轴、离合器、推进螺旋桨；

4、机身包括竖井、动力舱、方向舵、升降舵、固定翼、起落架；固定翼有两片，对称设置在机身的中部两侧；方向舵和升降舵位于机身尾部；起落架位于机身底部；竖井为圆筒状，沿竖直方向居中贯穿设置在机身中后部；竖井底部设置有下井盖，顶部设置有上井盖；下井盖和上井盖在电气控制系统控制下开启或封闭；

5、升力风扇安装在竖井内，包括涵道、导流片、风扇叶片、中间轴、外套轴；涵道为圆筒状，与竖井同轴安装，作为导流片的安装和定位基础；导流片、风扇叶片、中间轴、外套轴均与涵道同轴，导流片及风扇叶片自上而下交替安装在涵道内；除最下面一组导流片外，其余导流片的中心安装有轴承，轴承的轴线与涵道中心轴线重合，导流片以轴承为中心呈放射性分布，远离轴承一端与涵道固连；外套轴为中空管状轴，与中间轴同轴套装，每组风扇叶片固定套装于外套轴上，且风扇叶片回转中心轴线与外套轴轴线重合，风扇叶片与外套轴绕涵道中心轴线同步旋转，中间轴向上延伸至升力风扇外部；外套轴与中间轴均穿过相应导流片中心的轴承，绕轴承的轴线转动；导流片外形满足阻挡挤压来流和支撑涵道结构需求，风扇叶片旋转吸入气流受到导流片阻挡后减速增压；

6、旋翼包括旋翼轴和万向节，旋翼轴是位于旋翼回转中心且垂直于回转平面的柱状体，旋翼轴下端和万向节上端固定套接，万向节下端与中间轴上端固定套接；旋翼设置在机身顶部，旋翼及风扇叶片在垂直起降、悬停阶段做共轴反转运动，均推动周围的空气下行，获得向上的升力，所有风扇叶片旋转所受空气力偶矩与旋翼旋转所受空气力偶矩的代数和为零；

7、涵道壁面上开有通气孔连接风道，风道末端分出喷气口，每个喷气口的前端安装有控制阀，控制阀在电气控制系统控制下快速执行开启、闭合及控制开度动作；

8、机身外侧上部固定安装有一套液压支臂，液压支臂的活动端铰接一套筒，套筒套接在旋翼轴外部，沿旋翼轴的轴向往复滑动；竖井内垂直于机身纵向竖直对称面安装有绕机身俯仰方向旋转的俯仰限位器，俯仰限位器中间部位开孔安装有轴承，万向节上端同时套接于俯仰限位器的轴承内；液压支臂在电气控制系统控制下执行伸缩运动，通过套筒在旋翼轴上的滑动同步改变旋翼轴的俯仰角；

9、动力舱设置在竖井后方，动力系统安装在动力舱内，通过主传动轴、螺旋桨轴及与两者耦合的变速器传递扭矩，螺旋桨轴的尾端与推进螺旋桨回转中心固连；主传动轴上串联有离合器，螺旋桨轴上串联有离合器。

10、进一步地，升力风扇还包括双轴换向器，双轴换向器包括齿轮箱、立齿轮组、水平上齿轮、水平下齿轮；立齿轮组、水平上齿轮、水平下齿轮均位于齿轮箱内，水平上齿轮与外套轴同回转轴线固连于外套轴底端，水平下齿轮与中间轴同回转轴线固连于中间轴底端，外套轴与中间轴均延伸出齿轮箱；

11、双轴换向器与最下方的一组导流片同轴设置，该组导流片放射性环绕在双轴换向器的齿轮箱周围，远离双轴换向器的一端与涵道固连；

12、齿轮箱与机身的水平安装基准面平行；立齿轮组轴线与齿轮箱水平安装基准面平行，水平上齿轮、水平下齿轮的回转轴线与齿轮箱水平安装基准面垂直，且水平上齿轮相对于齿轮箱的安装位置位于水平下齿轮的上方；主传动轴与立齿轮组沿立齿轮组回转轴线同轴固连；主传动轴驱动立齿轮组转动，立齿轮组与水平上齿轮和水平下齿轮啮合传动；主传动轴通过立齿轮组驱动水平上齿轮、水平下齿轮分别带动外套轴、中间轴做反向旋转；

13、动力系统通过主传动轴连接双轴换向器进行动力分配。

14、进一步地，水平上齿轮和水平下齿轮均为伞齿轮，以小端相对的方式同轴安装在齿轮箱内；立齿轮组由一个齿轮构成，立齿轮组的单个齿轮同时与水平上齿轮和水平下齿轮啮合，主传动轴带动立齿轮组转动时，驱动水平上齿轮、水平下齿轮分别带动外套轴、中间轴等速反向旋转。

15、进一步地，水平上齿轮和水平下齿轮均为伞齿轮，以小端相对的方式同轴安装在齿轮箱内；立齿轮组由两个同轴串联且齿数不同的齿轮构成，两个齿轮分别与水平上齿轮和水平下齿轮啮合，主传动轴带动立齿轮组转动时，驱动水平上齿轮、水平下齿轮分别带动外套轴、中间轴做不等速反向旋转。

16、进一步地，旋翼的翼毂与旋翼轴间还设置有棘轮，旋翼轴有动力驱动时，旋翼轴带动旋翼转动，无动力驱动时，旋翼的叶片在外部气流驱动下绕翼毂单向转动。

17、进一步地，涵道壁面上开有三个通气孔连接风道，其中二个风道分别沿翼展方向两侧对称延伸，另外一个风道沿机身纵向向后延伸，沿翼展方向两侧对称延伸的风道末端各分出水平向后及竖直向下两个喷气口，沿机身纵向向后延伸的风道末端分出竖直向上和竖直向下两个喷气口，六个喷气口各自的前端均安装有控制阀，控制阀在电气控制系统控制下快速执行开启、闭合及控制开度动作。

18、进一步地，风扇叶片的桨距在电气控制系统控制下动态调整。

19、进一步地，动力系统采用活塞式发动机、涡轮轴发动机或电动机。

20、进一步地，动力系统包括一部电动机，固定安装在升力风扇内中心轴线上，定子和转子分别与旋翼、风扇叶片连接或借助减速器分别与旋翼风扇叶片连接。

21、进一步地，动力系统包括两部电动机，背靠背固定安装在升力风扇内中心轴线上，两部电动机的转子分别与旋翼、风扇叶片连接或借助减速器分别与旋翼、风扇叶片连接。

22、本发明所取得的有益技术效果是：

23、采用旋翼与升力风扇共轴反转方式，实现了单旋翼无尾桨的复合式高速航空飞行器解决方案。由于去掉了尾桨，发动机无需再提供驱动尾桨旋转的额外功率，发动机能量利用率大幅提升。较之共轴双旋翼方案，单旋翼所受的空气阻力相对更小，在同等气动布局及动力系统输出情况下，能实现更大飞行速度，且可以采用当前成熟的旋翼、翼毂设计及材料，避免了选用高强度、高刚度共轴双旋翼设计带来的成本、重量的大幅增加。使用一套动力系统，实现了旋翼、螺旋桨、升力风扇三重驱动，并将采用现有方案需消耗能量克服的反转扭矩变为可产生升力的升力风扇驱动力，结合增加固定翼，可以显著提升载荷承载能力。具备直升机与自转旋翼双模式切换功能，兼具高速飞行、中低速巡航等多种选择模式，并可在动力系统故障情况下采用自旋模式降落，解决了现有飞行器系统复杂度高、采购使用成本高、负载能力较低、续航时间短等诸多问题，更加适应当前低空经济发展的诉求，具有突出的实质性特点和显著的进步。

24、本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中特别指出的结构来实现和获得。