專利名稱：消除直升機機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施方法，可以消除直升機在飛行過程中存在的機翼抖震問題，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領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
直升飛機自1907年誕生以來已有100多年的歷史，其基本原理是利用高速轉(zhuǎn)動的帶有仰角的旋翼獲得升力來使飛機升空和飛行的。雖然其各項技術(shù)和材料都已發(fā)生了革命性的改進，但是，由其基本飛行原理所產(chǎn)生的飛行過程中兩翼升力不相等帶來的抖震問題仍無法消除，所以直至今日，直升飛機的飛行速度仍不是很高。據(jù)了解，目前世界各國所使用的飛行速度最快的直升機，最高時速一般在250公里/小時至350公里/小時的范圍內(nèi)， 即使美國最新設(shè)計的X2直升機(其最高時速將為463公里/小時)，其飛行速度也沒有達到直升機的預(yù)期速度(900公里/小時)。所以，如何大大提升直升飛機的飛行速度已成為世界各國研究的熱點。我們的發(fā)明用一種新的自動力平衡原理和獨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的飛行速度。

發(fā)明內(nèi)容
為了消除現(xiàn)在的直升飛機在飛行過程中當(dāng)旋翼轉(zhuǎn)至迎風(fēng)側(cè)時升力大于順風(fēng)側(cè)并發(fā)生周期性的抖震而影響飛行速度的問題，我們利用本發(fā)明專利的自動力平衡原理和帶有俯仰軸的旋翼設(shè)計，可以使這一問題得到解決。本發(fā)明專利涉及的自動力平衡原理是指在直升飛機旋翼轉(zhuǎn)動的過程中，兩側(cè)旋翼的升力由于俯仰軸的連接可以繞該軸轉(zhuǎn)動一定角度，通過一種正弦式周期性同步地改變仰角自動平衡了兩側(cè)升力的大小，使得兩側(cè)升力時時相等，從而保持了直升飛機在飛行過程中的平穩(wěn)。本發(fā)明專利的關(guān)鍵設(shè)計在于兩旋翼之間的俯仰軸的存在。為了說明方便我們確立一個三維旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系設(shè)直升飛機旋翼中心處于該坐標(biāo)系的原點，其前行的方向為Z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，同時假定飛機兩旋翼葉片與X軸重合且X軸與葉片一起轉(zhuǎn)動。此時，兩旋翼通過中間的俯仰軸連接并可繞俯仰軸轉(zhuǎn)動一定角度(因為俯仰軸與X軸重合，故可認(rèn)為兩旋翼葉片可繞X軸轉(zhuǎn)動一定角度)，且設(shè)計時使升力在兩側(cè)旋翼葉片的作用點落在X軸的后方(轉(zhuǎn)動的指向定為前方)，此時飛機以一定速度沿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)動過程中，葉片會繞俯仰軸以正弦波俯仰運動方式與旋翼轉(zhuǎn)動周期同步，俯仰幅度則隨直升機速度增大而增大。本發(fā)明專利的有益效果是，可以消除直升飛機飛行過程中兩旋翼升力不等帶來的限制飛行速度的抖震問題，可以大大提升直升飛機的飛行速度和飛行穩(wěn)定性。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明專利進一步說明附圖針對性簡化地顯示了本發(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)成一個空間三維旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(指 X軸與旋翼葉片一起轉(zhuǎn)動)，其中Z軸方向為直升飛機向前飛行的方向，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， 且與飛機旋翼重合與旋翼一起轉(zhuǎn)動。圖示中，vf表示直升飛機向前飛行的速度，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，d為兩側(cè)升力作用點到俯仰軸(X軸)的距離，G和Oe分別代表飛機重力及其作用點，圖示中旋轉(zhuǎn)箭頭表示旋翼順時針旋轉(zhuǎn)。當(dāng)旋翼(與X軸)轉(zhuǎn)動過程中，如果沒有葉片可以繞其轉(zhuǎn)動一定角度的俯仰軸，直升飛機迎風(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，飛機機身會在周期變化的不等的升力作用下產(chǎn)生抖震問題，飛機飛行速度越大抖震越明顯，這一點影響了直升飛機的飛行速度。本專利中飛機的兩旋翼葉片之間由俯仰軸連接成為一個整體，且兩葉片可以繞俯仰軸在一定范圍角度內(nèi)轉(zhuǎn)動，設(shè)計時使升力在兩側(cè)旋翼葉片的作用點0及 0'落在X軸的后方(轉(zhuǎn)動的指向定為前方)，此時，兩旋翼對于俯仰軸(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)動一個角度， 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)動至與Z軸重合時，兩側(cè)升力相等，此時俯仰軸沒有轉(zhuǎn)動，相當(dāng)于直升飛機垂直起飛時旋翼轉(zhuǎn)動時的狀態(tài)。在旋翼勻速轉(zhuǎn)動過程中，葉片會繞俯仰軸以正弦波俯仰運動方式與旋翼轉(zhuǎn)動周期同步，俯仰幅度則隨直升機速度增大而增大。
具體實施例方式本發(fā)明專利的核心技術(shù)是連接兩旋翼的俯仰軸的設(shè)計。在具體實施過程中，將兩側(cè)旋翼的葉片通過俯仰軸連接成為一個整體，一方面這個整體在直升飛機發(fā)動機軸帶動下旋轉(zhuǎn)，另一方面，在這個整體內(nèi)旋翼葉片可以繞俯仰軸在一定范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，從而改變?nèi)~片仰角。另外，在具體實施過程中，還要使兩旋翼落在轉(zhuǎn)動中產(chǎn)生的升力的作用點落在俯仰軸線的轉(zhuǎn)動后方，這樣才能使升力對于俯仰軸的力學(xué)系統(tǒng)為一個穩(wěn)定系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.消除直升飛機機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的旋翼設(shè)計和結(jié)構(gòu)，其特征是根據(jù)自動力平衡理論，在兩旋翼連接處設(shè)置一俯仰軸，升力對俯仰軸的力矩使旋翼繞俯仰軸在一定范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動以改變旋翼仰角，通過一種正弦式周期性改變仰角的方式自動平衡兩側(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，其特征是在具體實施過程中，將兩側(cè)旋翼的葉片通過水平俯仰軸連接成為一個整體，一方面這個整體在直升飛機發(fā)動機軸帶動下旋轉(zhuǎn)，另一方面，在這個整體內(nèi)旋翼葉片可以繞俯仰軸在一定范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，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)生的升力作用點落在俯仰軸線的轉(zhuǎn)動后方，使升力對于俯仰軸的力學(xué)系統(tǒng)為一個穩(wěn)定系統(tǒng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動力平衡理論，其特征是在直升飛機飛行的過程中，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)葉片的升力對于俯仰軸的力矩大于順風(fēng)側(cè)，兩旋翼葉片將在這對力矩的作用下繞俯仰軸向前轉(zhuǎn)動一個角度，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，力矩轉(zhuǎn)動的作用停止。在旋翼勻速轉(zhuǎn)動過程中，葉片會繞俯仰軸以正弦波俯仰運動方式與旋翼轉(zhuǎn)動周期同步， 俯仰幅度則隨直升機速度增大而增大。
全文摘要
解決直升機水平飛行時旋翼迎風(fēng)和順風(fēng)時葉片升力不等所造成的力平衡問題，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，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。兩側(cè)葉片通過俯仰軸連接成一整體并可繞X軸作俯仰運動，兩葉片的升力作用點O和O’在X軸的后方。這種結(jié)構(gòu)使旋翼旋轉(zhuǎn)時兩側(cè)葉片所產(chǎn)生的升力Fl和Fl’保持相等。直升機垂直起降時，葉片不會做俯仰運動。水平飛行時(vf)，兩側(cè)葉片則通過自動調(diào)整俯仰角來保持其升力平衡。葉片會以正弦波俯仰運動方式與旋翼轉(zhuǎn)動周期同步，俯仰幅度則隨直升機速度而增大。
文檔編號B64C27/51GK102464107SQ20101055407
公開日2012年5月23日 申請日期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 申請人:曹鐵生