可变几何形状的提升螺旋桨机构 |
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| 申请号 | CN201380054036.1 | 申请日 | 2013-08-23 | 公开(公告)号 | CN104718133A | 公开(公告)日 | 2015-06-17 |
| 申请人 | 吉.埃罗公司; | 发明人 | G·A·隆; R·利亚索夫; | ||||
| 摘要 | 一种竖直起落 飞行器 包括提供竖直和 水 平推 力 的 转子 。在前进运动期间，竖直提升系统是不工作的。提升螺旋桨机构在竖直提升系统不工作时将飞行器的螺旋桨 叶片 设置在折叠结构，而在竖直提升系统启动时将飞行器的螺旋桨叶片设置在展开结构。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种提升螺旋桨机构，包括： |
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| 说明书全文 | 可变几何形状的提升螺旋桨机构[0001] 有关申请的交叉引用 技术领域背景技术[0004] 飞行器可使用固定翼，例如在常规飞机上，使用旋翼，例如在直升飞机上，或者使用固定翼和旋翼的组合。在某些飞行状态下从旋翼以及在其他状态下从固定翼得到升力的动力提升飞行器是希望的，因为它们能够执行非常短或者竖直的起飞和降落。动力提升飞行器具有提供竖直和水平推力的旋翼或转子。其他类型的动力提升飞行器具有一种或多个竖直推力转子(提升螺旋桨)和一种或多个水平推力转子(推进器)。在某些动力提升飞行器中，提升螺旋桨在向前飞行期间是不起作用的。 [0005] 在具有提升螺旋桨的动力提升飞行器中，螺旋桨具有四个或更多叶片以提供仍旧允许安静操作的转速所需的升力。螺旋桨叶片可具有大弦长并且高度绞紧。当螺旋桨叶片静止时，由于气流分离和距离叶片的大正面迎风面积(frontal area)，这类螺旋桨产生大量的气动阻力。这会降低飞行器的性能。如果各个螺旋桨叶片与飞行器上的空气流动方向对齐，正面迎风面积和气流分离减少，形成低阻力。虽然双叶螺旋桨可利用在流动方向上对准的叶片停止，这对多于两叶的螺旋桨是不可能的。发明内容 [0006] 实施方式在此公开了一种动力提升飞行器的提升螺旋桨的实施方式。飞行器的提升螺旋桨可被配置为从展开结构转变为折叠结构和从折叠结构转变为展开结构。在一种实施方式中，提升螺旋桨的展开结构与用于产生推力的、提升螺旋桨的螺旋桨叶片的最佳方向对应。例如，四叶螺旋桨叶片之间的90度间隔可与提升螺旋桨的展开结构对应。提升螺旋桨的折叠结构表示不再需要推力时提升螺旋桨的螺旋桨叶片的方向。根据一种实施方式，折叠结构通过将提升螺旋桨的螺旋桨叶片定位成彼此之间成一条直线来减少提升螺旋桨的正面迎风面积和向前飞行时提升螺旋桨产生的阻力。另外，折叠结构可减少允许更容易运输和存储的飞行器的总宽度。 [0007] 在一种实施方式中，采用一机构来使用驱动提升螺旋桨的马达在展开结构和折叠结构之间移动提升螺旋桨的叶片，不需要额外的马达和/或作动器。在某些实施方式中，驱动提升螺旋桨的马达是电动马达。可替换地，驱动提升螺旋桨的马达是汽油马达。在这些实施方式中，电动马达的扭矩可精确控制并被用来在展开和折叠结构之间移动提升螺旋桨叶片。机械挡块可结合到提升螺旋桨的叶片上。机械挡块的位置可被用来限定提升螺旋桨的叶片彼此之间旋转的角度，以便将螺旋桨设置为展开结构或者折叠结构。叶片间的摩擦和阻尼可被用来影响展开和折叠动作的动力学和/或阻止叶片从折叠结构或展开结构中旋出。同时包括制动器来机械或者磁性地阻止叶片从折叠结构或展开结构中旋出。 附图说明[0009] 图1图示出根据一种实施方式的、处于展开结构的提升螺旋桨。 [0010] 图2图示出根据一种实施方式的、处于折叠结构的提升螺旋桨。 [0011] 图3A和3B分别图示出处于折叠结构和展开结构的提升螺旋桨展开机构的详图，根据一种实施方式使用磁性制动器。 [0012] 图4图示出根据一种实施方式的提升螺旋桨展开机构的详图。 [0013] 图5图示出连接到根据一种实施方式的提升螺旋桨驱动叶片组的一部分展开机构的详图。 [0014] 图6A和6B图示出结合有根据一种实施方式的展开机构的提升螺旋桨。图6A图示出包括处于折叠结构的叶片的螺旋桨，而图6B图示出没有处于折叠结构的叶片的螺旋桨。图6C图示出包括处于展开结构的叶片的螺旋桨，而图6D图示出没有处于展开结构的叶片的螺旋桨。 [0015] 图7A和7B分别图示出处于折叠结构和展开结构的提升螺旋桨展开机构的详图，根据一种实施方式使用机械插销制动器。 [0016] 图8是磁性制动器扭矩和从动叶片组和随动(following)叶片组之间相对角度的曲线图。 [0017] 图9是处于折叠结构的提升螺旋桨展开机构的横截面视图，显示出根据一种实施方式的摩擦环。 [0018] 附图和详细说明仅仅出于图示目的描述各种非限制性实施方式。本领域普通技术人员很容易从接下来的论述中认识到，在此图示的结构和方法的替换实施方式均可使用而不脱离在此描述的原则。 具体实施方式[0019] 图1图示出根据一种实施方式的动力提升飞行器的提升螺旋桨。在图示实施方式中，提升螺旋桨包括大量的两组或更多组单叶螺旋桨叶片或双叶螺旋桨叶片，其中叶片的总数等于基准固定叶片螺旋桨所需的数目。特别是，图1图示出两个一堆的双叶片组，总共有四个螺旋桨叶片。图1中所示结构被认为是展开结构。在一种实施方式中，当提升螺旋桨产生推力时，叶片组转至其理想的推力产生方向，如图1所示。在图1中，叶片组101A代表为连接到例如电动马达的驱动源的从动叶片组，而叶片组101B代表为一个或多个另外的随动叶片组，其通过允许绕旋转轴转动的机构连接到从动叶片组上。叶片组的随动组可包括一组额外叶片或者两组或更多组额外叶片。在展开结构中，90度间隔配置在具有一组随动叶片组101B的四叶螺旋桨系统的每个螺旋桨叶片之间。然而，在备选实施方式中，其中叶片间的角度可为大于与折叠结构有关的堆放角度的任意角度，并且可包括多于一个的随动叶片组。 [0020] 当不再需要推力时，例如在巡航飞行或者飞行器存储期间，随动叶片组101B转动到图2所示的折叠结构的实施方式。因为折叠结构的位置与图2中箭头所示的飞行器行进反向成一直线，折叠结构减少螺旋桨的正面迎风面积和气动阻力。另外，折叠结构可减少允许更容易运输和存储的飞行器总宽度。在折叠位置，从动叶片组101A和随动叶片组设置成从动叶片组101A和随动叶片组101B的螺旋桨叶片彼此成一直线。也就是说，在折叠结构中基本零度间隔(即堆放角度)配置在提升螺旋桨的一对螺旋桨叶片之间。 [0021] 展开结构到折叠结构或者反过来折叠结构到展开结构的变化可由几个机构完成。在一种实施方式中，使用驱动提升螺旋桨的马达，一机构使随动叶片组101B在展开结构和折叠结构之间移动，反之亦然，不需要使用额外的马达和/或作动器。在一种实施方式中，提升螺旋桨的随动叶片组101B在由机械挡块限定的相对运动范围内绕从动叶片组101A的转动轴线旋转，这些挡块接合在折叠和展开结构中。在一种实施方式中，机械挡块结合到从动叶片组101A和随动叶片组101B。可施加保持扭矩以将随动叶片组101B固定在这些机械挡块上，因此空气动力学或者其他干扰不会造成随动叶片组101B在挡块上的反弹或者从要求结构，例如展开结构或折叠结构，中移出。保持扭矩可由多种装置产生。 [0022] 在一种实施方式中，增加摩擦来阻止从动叶片组101A和随动叶片组101B之间的相对运动产生保持扭矩。摩擦可以是要求用来从提升螺旋桨产生完全推力的扭矩的一部分或者更大的量。除了提供使随动叶片组101B保持在展开或折叠结构的保持扭矩之外，摩擦扭矩在减少机械挡块接合时的冲击方面是有利的。 [0023] 图9图示出产生保持摩擦扭矩的摩擦环900或垫。摩擦环900位于从动叶片组101A和随动叶片组101B之间。当马达901加速提升螺旋桨时，由随动叶片组101B产生的轴向推力施加到摩擦环900上，这增加了由摩擦环900产生的摩擦并倾向于阻止从动叶片组101A和随动叶片组101B之间的相对运动。该机构被设计成要求用来克服由摩擦环900产生的摩擦的扭矩大于提升螺旋桨在其正常工作范围内旋转时马达能够施加的最大扭矩。 在这种情况下，当摩擦扭矩足够低以允许相对运动时，机构的展开和收缩必须以低速发生。 [0024] 另一种实施方式与上述机构类似，但是包括位于从动叶片组101A和随动叶片组101B之间的缓冲。缓冲可来自粘性流体缓冲器或者任何其他缓冲方法(磁性涡流缓冲等等)。缓冲被选择用来加速或者减速展开过程并且减小随动叶片组撞击机械挡块的速度以及减弱挡块上的反冲。 [0025] 在一种实施方式中，保持扭矩是使用处于展开和/或折叠结构的制动器产生的。在一种实施方式中，制动器是用来机械阻止随动叶片组101B相对于从动叶片组101A转动的装置。一种制动器是磁性制动器，其使用了结合到从动叶片组101A和随动叶片组101B内的两个磁体的吸力。图3A图示了根据一种实施方式的处于折叠结构的从动叶片组101A和随动叶片组101B的磁体位置的细节图。请注意，从动叶片组101A和随动叶片组101B可具有比图3A中示出的更多或更少的磁体。也就是说，磁体301A、301B和303各自可由分布在机构附近的多个磁体组成的。 [0026] 在一种实施方式中，从动叶片组101A包括磁体301A和301B。随动叶片组101B包括磁体303。在一种实施方式中，磁体301A、301B和303包括钕(NdFeB)磁体。在图3A和3B中磁体301A、301B和303上画出的箭头是从磁体的南极画到磁体的北极。一个磁体的北极倾向于被吸到另一个磁体的南极。如图3A所示，当处于折叠结构时，随动叶片组101B上的磁体303与从动叶片组101A上的磁体301A稍稍偏离。磁体303和磁体301A之间的磁力处于将它们吸引至对齐结构的方向。该力可被用来产生如图8所示的磁性制动扭矩 800(例如，大约4N*m)，该扭矩倾向于使其保持在折叠结构。 [0027] 类似地，如图3B所示，当处于展开结构时，随动叶片组101B上的磁体303与从动叶片组101A上的磁体301A稍稍偏离。磁体303和磁体301A之间的磁力处于将它们吸引至对齐结构的方向上。该力可被用来产生如图8所示的磁性制动扭矩801(例如，大约-4N*m)，该扭矩倾向于使其保持在展开结构。克服磁性制动扭矩800和801所要求的扭矩可以是用来由提升螺旋桨产生完全推力所要求扭矩的一部分，或者是更大的量。 [0028] 另一种制动器是图7A和7B所示的机械销制动器。在一种实施方式中，机械销制动器使用弹簧或者弯曲件703来对棘爪702预加载，因此当棘爪702接合槽701A或701B时，在相对运动发生之前要求超出某些临界扭矩。图7A描述了处于折叠结构的机械销，其中棘爪702与槽701A接合，该槽定位成使制动扭矩倾向于使随动叶片组101B保持在折叠结构。 [0029] 图7B描述了处于展开结构的机械销，其中棘爪702与槽701B接合，该槽定位成使得根据一种实施方式制动扭矩趋向于使随动叶片组101B保持在展开结构。槽701A和701B、棘爪702和弯曲件703可各自由分布在机构附近的多个部件组成。在另一种实施方式中，槽701A和701B设在随动叶片组101B上，而棘爪702和弯曲件703设在从动叶片组101A上。 [0030] 当提升螺旋桨未使用且相对于动力提升飞行器静止时，提升螺旋桨通常处于折叠结构。当要求提升螺旋桨产生推力时，其处于展开结构，并且根据所需的推力和其他条件在某些公称速度范围内旋转。公称工作速度范围的实例是从2500RPM到3500RPM。马达将扭矩施加到提升螺旋桨上以便使其从静止结构加速至要求的工作速度。当提升螺旋桨加速时，提升螺旋桨在其到达工作速度范围的下限之前从折叠结构移动到展开结构。随动叶片组101B的空气动力扭矩和惯量沿展开随动叶片组101B的方向将扭矩施加到展开机构上。当该扭矩超出阻止从动和随动叶片组之间的相对运动的扭矩(例如摩擦和/或制动扭矩)时，随动叶片组101B将相对于从动叶片组移动。在某些实施方式中，展开扭矩分布图设计成使得在提升螺旋桨到达公称工作速度范围下限之前，随动叶片组101B从折叠结构移动到展开结构。在某些实施方式中，展开扭矩是由提供动力以使提升螺旋桨旋转的电动马达产生的。在某些实施方式中，电动马达的扭矩可被精确控制以形成要求的展开扭矩分布图。 [0031] 作为展开扭矩分布图如何设计的例子，假设随动叶片组101B需要相对于其转速二次方量的扭矩，并且当其以2000RPM旋转时需要10N*m的扭矩，不考虑其相对于从动叶片组101A的相对位置。机构可被设计为包括10N*m的摩擦，不考虑随动叶片组101B的速度。如果提升螺旋桨缓慢旋转加速并且保持在2100rpm，随动叶片组101B上的空气动力扭矩将克服机构的摩擦并且随动叶片组101B可加速直至其接触限定展开结构的机械挡块。根据一种实施方式，该方法被称为“空气方法”。 [0032] 作为另一种实施例，展开扭矩分布图可被设计成使得大量扭矩被使用，使随动叶片组101B的转动惯性载荷超出机构的摩擦。根据一种实施方式，该方法被称为“惯性方法”。该扭矩需要足够长时间地施加到随动叶片组101B以全程地从折叠结构移动到展开结构。 [0033] 折叠扭矩分布图可以同样方式进行设计，使用空气或者惯性方法，只是如果空气方法用于折叠，提升螺旋桨将需要以与正常操作相反的方向旋转。如果这不合乎需要，可以使用惯性方法，并且需要惯性载荷以使其克服机构保持扭矩和空气扭矩。在展开和折叠扭矩分布图上有很多变化，这些分布图可结合空气或惯性方法的各方面。 [0034] 图4图示了根据一种实施方式的机械环的细节图，其连接到将叶片组置于展开和折叠结构的从动叶片组101A和随动叶片组101B。机械环包括磁性制动器，其与用于折叠和展开结构的、图3A和3B中所述的磁性制动器类似，正如接下来进一步描述的。 [0035] 特别是，第一环401使用诸如螺钉的紧固件或者其它紧固装置连接到从动叶片组101A上，而第二环402使用紧固件连接到随动叶片组101B上。第一环401例如包括多个磁体403A、403B、403C、403D和403E，而第二环402包括多个磁体405A、405B、405C、405D、405E和405F。应当指出，在其它实施方式中，不同数目的磁体可用于第一环401和第二环402中。 使用的磁体数目是由要求的保持扭矩量和将机构装配到特别要求的容积(volume)内的包装因素(packing considerations)确定的。当处于折叠结构和展开结构时，第一环401的多个磁体403中的每一个都被吸到第二环402的多个磁体405的相应一个上。也就是说，当处于展开结构和折叠结构时，第一环401和第二环402中的每个磁性被吸到相对的环上的不同磁体上。每一对磁体之间的磁吸力向第一环401施加逆时针扭矩并向第二环402施加顺时针扭矩以保持折叠结构或展开结构。当处于展开结构时，每一对磁体之间的磁吸力向第一环401施加逆时针扭矩并向第二环402施加顺时针扭矩以将机构保持在展开结构。 [0036] 在一种实施方式中，机械环各自包括多个机械凸起(tabs)和多个机械挡块。如图4所示，第一环401包括机械凸起404A和404B以及机械挡块407A、407B、407C和407D。类似地，第二环402包括机械凸起409A和409B以及机械挡块411A、411B、411C和411D。当机械凸起404和409分别接触机械挡块407和411时，机械凸起409和机械挡块407防止第二环402相对于第一环401在顺时针或逆时针方向上进一步移动(即，转动)。每个机械凸起包括相应的磁性制动器。在一种实施方式中，机械挡块407由高冲击塑料(例如，超高分子量(UHMW)聚乙烯塑料)或者其它耐高冲击的材料制成，而机械环由铝、钢、钛、碳纤维或其它材料制成。机械挡块407可使用例如螺钉的紧固件固定在机械环上。 [0037] 图5图示出连接到从动叶片组101A上的第一环401的细节图。如图5所示，第一环401包括如前所述的多个磁体403、多个机械凸起404和多个机械挡块407。如图5所示，每个机械凸起404从第一环401伸出。机械挡块403在机械凸起404的每一侧连接到第一环401上。例如，机械挡块407A在机械凸起404A的一侧连接到第一环401上，而机械挡块407D在机械凸起404A的另一侧连接到第一环401上。机械挡块407可使用诸如螺钉的紧固件连接到第一环401上。机械挡块407防止第二环407在第二环402的每个机械凸起409接触第一环401的相应机械挡块407时过度转动。 [0038] 在一种实施方式中，每个机械凸起404包括多个弹簧加载的球头柱塞(例如，4个弹簧加载的球头柱塞)501。尤其是，在图示实施方式中，机械凸起404A包括弹簧加载的球头柱塞501A和501B。弹簧加载的球头柱塞501A位于机械凸起404A的一端而弹簧加载的球头柱塞501B位于机械凸起404A的另一端。在一种实施方式中，磁体403A位于弹簧加载的球头柱塞501A和501B之间。类似地，机械凸起404B包括弹簧加载的球头柱塞501C和501D。弹簧加载的球头柱塞501C位于机械凸起404B的一端，而弹簧加载的球头柱塞501D位于机械凸起404B的另一端。在一种实施方式中，磁体403D位于弹簧加载的球头柱塞501C和501D之间。 [0039] 第一环401的弹簧加载柱塞501在与图5所示的第一环401的表面503相对应的第二环402的表面上滚动。尤其是，第一环401的弹簧加载柱塞501在随动叶片组101B展开和折叠期间在第二环402的表面上滚动。第一环的表面503位于第一环的一对机械挡块407A和407B之间。类似地，第二环的表面位于第二环的一对机械挡块之间。 [0040] 在一种实施方式中，球头柱塞501同样施加轴向预加载，其推动第一环401和第二环402分开并将载荷施加到高摩擦止推垫900上。止推垫产生的摩擦提供缓冲，其在折叠和展开动作期间放缓第一环401和第二环402的动力学。放缓折叠和展开动作会降低第一环401或第二环401的机械凸起接触相对的环的机械挡块的速度。这会降低提升螺旋桨经受的冲击载荷并且减少机械挡块上由于不稳定的空气动力学载荷出现的任何摆动或者反冲。 应当指出，第二环402包括与图5中所述的第一环401类似的特征。 [0041] 总的来说，图6A图示出包括根据一种实施方式的展开机构的提升螺旋桨。尤其是，图6A图示出包括根据一种实施方式处于折叠结构的叶片的提升螺旋桨。提升螺旋桨组件包括连接到提升螺旋桨的从动叶片组101A和随动叶片组101B的机械环。应当指出，机械环未图示于图6A中，因为其在该图中由于从动叶片组101A和随动叶片组101B的螺旋桨叶片而变得模糊。提升螺旋桨组件进一步包括将提升螺旋桨组件连接到飞机上的马达600。马达600可以是电动马达、内燃机、液压作动器或者可将扭矩施加到提升螺旋桨上的任意其它类型的作动器。 [0042] 总的来说，图6B图示出螺旋桨，没有处于折叠结构的叶片。尤其是，图6B图示出图6A中所示的折叠螺旋桨组件，去除螺旋桨叶片以图示出处于折叠结构的机械环401和402的位置。在折叠结构中，第一环401的机械挡块407D与第二环402的机械凸起409B接触。 类似地，第二环402的机械挡块407B在折叠结构中与第一环401的机械凸起404B接触。第一环401的磁体403D和第二环402的磁体403B之间的磁吸力以及第一环401的磁体403C和第二环402的磁体405E之间的磁吸力保持提升螺旋桨的折叠结构。应当指出，未在图6B中示出的、位于提升螺旋桨组件相对侧的另一对磁体的磁吸力有助于保持提升螺旋桨的折叠结构。 [0043] 总的来说，图6C图示出包括处于展开结构的叶片的螺旋桨。尤其是，在图6C中，随动叶片组101B转动直至达到展开结构，正如图6D所示的机械环的位置所限定的。与图6A类似，机械环未图示于图6C中，因为其由于从动叶片组101A和随动叶片组101B的螺旋桨叶片而变得模糊。 [0044] 总的来说，图6D图示出螺旋桨，没有处于折叠结构的叶片。尤其是，图6D图示出图6C所示的展开的螺旋桨组件，去除螺旋桨叶片以图示出展开结构中机械环401和402的位置。在展开结构中，第一环401的机械挡块407C与第二环401的机械凸起409A接触。类似地，第二环402的机械挡块411A在展开结构中与第一环401的机械凸起404B接触。第一环401的磁体403D和第二环402的磁体405B之间的磁吸力以及第一环401的磁体403A和第二环402的磁体405B之间的磁吸力保持提升螺旋桨的展开结构。应当指出，未在图6D中示出的、位于提升螺旋桨组件相对侧的另一对磁体的磁吸力有助于保持提升螺旋桨的展开结构。 [0045] 尽管本说明书是在具体实施方式的范围内给出的，所属领域的普通技术人员应当知晓，许多替代实施例可由所提供的教导推出。此外，在该书面描述中，部件的特定名称、术语的大小写、属性、数据结构或者任何一种其它结构或编程形式都不是强制的或者标志性的，除非另作说明，并且实现所述发明的机构或其特征具有不同的名称、形式或者方案。进一步地，系统的某些形式可通过硬件和软件的组合或者全部以硬件元件来实现。此外，这里所述的各个系统部件之间功能性的特定分割不是强制的；由系统元件的一个模块执行的功能反之可由多个部件执行，而由多个部件执行的功能反之也可由一个部件执行。同样地，方法步骤执行的顺序也不是强制的，除非另作说明或者逻辑上要求。 [0046] 除非另有陈述，利用例如“选择”或者“计算”或者“确定”等等术语的记述指出计算机系统或者类似电子计算装置的动作和过程，该系统或者装置控制并且转换计算机系统存储器或者寄存器或者其它的这种信息存储器、传动装置或者显示设备内、表示为物理(电子)量的数据。 [0047] 最后，应当指出的是，本说明书中使用的语言已是大体上出于可读性和指导性目的选择的，而不是选择为划定或者限制发明主题。因此，公开内容确定为发明范围的示例，而非限制。 |
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