一种采用矢量推进尾桨的自转旋翼机的制作方法

本发明涉及一种自转旋翼机，具体涉及一种采用矢量推进尾桨的自转旋翼机，特别是一种拥有矢量推进尾桨，能够垂直起降、悬停的自转旋翼机，属于航空飞行器。

背景技术：

1、自转旋翼机具有经济可靠、安全性高、操纵简单、承载能力强、续航时间长等诸多优点，但因其不具备垂直起降及悬停功能，难以胜任快递投送、城市交通、应急救援、体育休闲等复杂、多样化应用场景需求，面世至今仍只是较为小众的飞行器，无法大规模推广并在促进低空经济发展中发挥重要作用。

2、直升机虽恰能补齐自转旋翼机的短板，但自身又存在系统复杂、价格昂贵、运维费用高、操纵难度大、故障率高等诸多问题，且直升机尾桨在平飞过程中只用于平衡旋翼转动产生的反转扭矩，消耗了15％左右的动力，造成了能源浪费。

3、多旋翼机具有可垂直起降、悬停，飞行操作灵活的优势，但多旋翼设计限制了旋翼直径及气动外形优化空间，能量利用率不高，载荷能力及续航时间偏低，多用于小型无人飞行器。

4、如果能够设法融合自转旋翼机和直升机的优势，以简单可靠方式和低廉的改造费用赋予自转旋翼机垂直起降和悬停功能，将极大增强自转旋翼机的性价比，更为紧密贴合市场需求，成为促进低空经济发展重要载体和推手。解决这一问题较为理想的方式是在垂直起降和悬停阶段，采用发动机驱动自转旋翼机的旋翼产生滞空所需升力，同时在远离质心位置施加沿机身侧向的推力形成平衡力矩，抵消由于发动机驱动旋翼传递到机身上的反转扭矩；而当自转旋翼机平飞时，旋翼转为依靠相对气流驱动旋转产生滞空所需升力，同时在机身纵向施加推动自转旋翼机前进的推力，实现这一设计的关键是需要解决推力矢量控制，能够在沿机身纵向及垂直于机身方向夹角范围内受控产生所需方向的推力。

5、公开号为cn205602100u的中国实用新型专利提出了一种短尾巴直升旋翼飞机，采用一部发动机驱动旋翼产生自转旋翼机滞空所需升力，发动机的一部分动力还用于通过多个传动轴及2组伞状锥齿轮驱动可在水平方向旋转改变吹风方向的垂直尾桨，或在尾部单独安装一部发动机驱动可在水平方向旋转改变吹风方向的垂直尾桨。采用一部发动机的方案在平飞状态时，发动机始终与旋翼保持连接，旋翼仍由发动机驱动，垂直尾桨需要同时产生推力和用于平衡反转扭矩的侧向力，能量利用率偏低，无法发挥自转旋翼机的优势，且通过多个传动轴和2组伞状锥齿轮实现垂直尾桨驱动的方式，结构质量较重，齿轮加工精度要求高，多级传动效率降低，增加了成本费用；采用两部发动机的方案在平飞时，用于驱动旋翼的发动机可停止工作，转为自转旋翼状态，但将另一部发动机安装在尾部驱动垂直尾桨，易造成尾部振动加剧，同时全机质心向尾部移动，易造成失稳且垂直尾桨相对质心形成的力矩减小，在垂直起降及悬停时需要消耗更大功率，不利于工程应用推广。

6、公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在于加深对本发明总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成本领域技术人员所公知的现有技术。

技术实现思路

1、为解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种采用矢量推进尾桨的自转旋翼机。

2、一种采用矢量推进尾桨的自转旋翼机，包括机身、旋翼、发动机、螺旋桨、水平传动轴，还包括倾角控制器、普通万向节、竖直传动轴、转向机构、双关节万向节；

3、倾角控制器居中安装在机身的机舱顶部，用于控制旋翼轴相对于机身的俯仰角、偏航角；

4、旋翼的翼毂与旋翼轴间设置有棘轮，有轴动力驱动时，旋翼轴带动旋翼转动，无轴动力驱动时，旋翼的叶片在外部气流驱动下绕翼毂单向转动；

5、普通万向节的上端贯穿倾角控制器，随倾角控制器同步做相对于机身安装面的俯仰和/或横滚转动，普通万向节的上端与旋翼轴同轴固连，通过旋翼轴与旋翼同步转动，普通万向节的下端与竖直传动轴同轴固连；

6、发动机为水平传动轴、竖直传动轴提供旋转动力；水平传动轴的轴线水平且位于机身纵向对称面内；

7、螺旋桨通过双关节万向节与水平传动轴固连并安装于机身尾部，并在水平传动轴的驱动下旋转产生推力，螺旋桨的总距大小受控调整；

8、旋翼旋转产生向上的升力，双关节万向节指向受转向机构约束在平行机身水平安装面内转动，双关节万向节带动螺旋桨随转向机构偏转改变螺旋桨推力指向，该推力在机身侧向分力相对质心的力矩用于抵消旋翼旋转传递至机身的反转扭矩，在机身纵向分力形成前进推力。

9、进一步地，转向机构包括转向控制器、约束轴承和转向支架；双关节万向节包括双关节主动叉、双关节从动叉、立方芯十字轴、h形双联叉，立方芯十字轴有两个；双关节主动叉和双关节从动叉对称设置在h形双联叉两侧，分别通过一个立方芯十字轴与h形双联叉构成一套万向节；水平传动轴的一端与双关节主动叉的输入端同轴固连；

10、转向机构通过转向控制器安装于机身尾部水平安装基准面上，转向支架的一端连接转向控制器，在转向控制器的驱动下受控转动，另一端安装约束轴承，约束轴承与螺旋桨轴同轴且垂直于转向支架的转动平面设置；双关节从动叉穿过约束轴承，随转向支架同步转动，螺旋桨通过螺旋桨轴与双关节从动叉的输出端同轴固连。

11、进一步地，转向控制器采用电机控制驱动，驱动转向支架在指向机身尾部和垂直于机身纵向对称面的90°范围内转动。

12、进一步地，倾角控制器主要由外框和内框组成，外框在外力驱动下相对于机身安装面做俯仰转动，内框在外力驱动下相对于外框做横滚转动，通过外框、内框、机身三者之间的相对转动实现对旋翼轴的俯仰角、偏航角控制。

13、进一步地，内框的平面中心设置有轴承，普通万向节的上端贯穿轴承，随内框同步做相对于机身安装面的俯仰和/或横滚转动。

14、进一步地，外框和内框的转动由电机驱动实现。

15、进一步地，自转旋翼机还包括水平伞齿轮、竖直伞齿轮、离合器，普通万向节下端与竖直传动轴的输出端同轴固连，竖直传动轴的输入端与竖直伞齿轮同轴固连，水平伞齿轮同轴固定安装在水平传动轴上，与竖直伞齿轮啮合传动，竖直传动轴中部安装有离合器，用于闭合或断开竖直传动轴的动力传递。

16、基于相同的技术构思，采用矢量推进尾桨的自转旋翼机还可以有另一方案，自转旋翼机的发动机有两部，其中一部发动机的动力输出轴与水平传动轴同轴固连，另一部发动机的动力输出轴与竖直传动轴同轴固连，两部发动机各自的启停、转速、功率独立控制，进而实现对旋翼、螺旋桨的独立控制。

17、本发明所取得的有益技术效果是：

18、采用垂直尾桨推力矢量控制的方案，结合适时有动力驱动旋翼实现自转旋翼机在垂直起降、悬停阶段，在转向机构及特定动力转动系统驱动下，垂直尾桨受控侧向产生推力形成力矩抵消旋翼旋转传递至机身的反转扭矩；巡航前飞时，旋翼依靠迎面气流驱动，垂直尾桨受控沿机身纵向产生驱动自转旋翼机前进推力。所实现方案结构、动力、控制系统设计简单，安全可靠，技术成熟度较高，成本相对低廉，兼具直升机、自转旋翼机等不同飞行器优点，同时又能有效规避其缺点和不足，尤其是拥有垂直起降、悬停、突出的安全性、运载能力强、续航时间长、操纵便捷性及低采购成本、低运行成本，使之能够广泛适用于城市物流、应急救援、居民中远距航空出行、军事巡逻与作战等各类场景，具有突出的实质性特点和显著的进步。

19、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。