共转垂直起降膜翼飞机

技术领域

本发明涉及一种提供空中运输服务的交通设备领域，尤其涉及一种共转垂直起降膜翼飞机。

背景技术

现在的飞机按不同的分类方法种类繁多,按起降方式主要分为两类:滑跑起降、垂直起降。现有部分种类飞机存在以下不足：

1)现有的飞机存在一个基本固定的关联：固定翼飞机必须采用滑跑起降方式，而旋桨翼飞机需要采用垂直起降方式，想做到固定翼飞机垂直起降或旋桨翼飞机滑跑起降技术难度都很大；

2)固定翼飞机对起降场地要求很高，通常需要有固定的机场进行起降，机翼受力巨大(特别在起降时)、工况复杂造成机翼结构复杂且自重很难减下来；

3)固定翼飞机一旦失去动力或特情(如起落架失灵、没到机场情况下需要迫降等)很难安全降落；

4)旋桨翼飞机一般旋翼巨大,飞行过程噪音和油耗都很大；

5)旋桨翼飞机一旦失去动力或有特情时一样很难安全降落；

6)现有的载人飞机造价高、安全保障和使用维护困难，难以如轿车一样在寻常百姓家中普及。

7)现有飞机飞行时由于机翼下表面的面积是固定的，飞行达到一定速度后阻力急剧加大，速度难以进一步提高，而且能耗大。

8)旋桨翼飞机在升降与进入飞行状态之间切换的操作难度大。

发明内容

本发明的目的是提供一种共转垂直起降膜翼飞机，在升降状态与进入飞行状态之间切换的操作简单，而且速度范围大，能耗低。

为实现上述目的，本发明提供一种共转垂直起降膜翼飞机，包括机身，所述机身上转动连接有至少两排动力翼梁，各排动力翼梁上安装有螺旋桨；相邻动力翼梁之间设有与机身转动连接的膜翼；膜翼中部设有折叠角度调节机构；机身上设有使膜翼与动力翼梁相对机身同步旋转的联动操作装置。

作为本发明的进一步改进，所述膜翼包括膜翼横梁和若干膜翼板，膜翼横梁包括沿膜翼翼展方向排列的至少两段膜翼横梁模块，膜翼板设置在膜翼横梁模块上；所述折叠角度调节机构连接在相邻膜翼横梁模块之间。

作为本发明的更进一步改进，所述相邻膜翼横梁模块之间通过第一轴承转动连接；所述折叠角度调节机构包括依次联动的驱动机构、直线平移结构和转动连杆；转动连杆一端通过第二轴承与其中一个膜翼横梁模块转动连接，转动连杆另一端通过第三轴承与位于另一个膜翼横梁模块上的直线平移结构转动连接，直线平移结构与该膜翼横梁模块活动配合。

作为本发明的更进一步改进，所述驱动机构与直线平移结构设置在同一个膜翼横梁模块上，驱动机构包括依次联动的电机、减速齿轮组和动力螺旋套管，动力螺旋套管的外侧壁通过齿轮结构与减速齿轮组相联动，动力螺旋套管与膜翼横梁模块转动连接；所述直线平移结构为推拉螺杆，动力螺旋套管套设在推拉螺杆外侧且两者螺纹配合。

作为本发明的更进一步改进，所述膜翼的其中一个膜翼横梁模块为固定膜翼横梁模块，固定膜翼横梁模块与机身转动连接；所述联动操作装置包括相联动的操作部和拉索，还包括与拉索相套设的动力翼梁共转传动盘和膜翼梁共转传动盘；动力翼梁共转传动盘与所述动力翼梁固定连接，膜翼梁共转传动盘与所述固定膜翼横梁模块固定连接。

作为本发明的更进一步改进，所述相邻动力翼梁之间设有至少两排与机身转动连接的膜翼；各排膜翼均通过联动操作装置与动力翼梁相联动。

作为本发明的更进一步改进，所述膜翼的其中一个膜翼横梁模块为固定膜翼横梁模块，膜翼的固定膜翼横梁模块与机身转动连接；所述联动操作装置包括相联动的操作部和拉索，还包括与拉索相套设的动力翼梁共转传动盘和膜翼梁共转传动盘；动力翼梁共转传动盘与所述动力翼梁固定连接；膜翼梁共转传动盘与其中一排膜翼的固定膜翼横梁模块固定连接，该固定膜翼横梁模块与其余排膜翼的固定膜翼横梁模块之间通过连杆机构联动。

作为本发明的更进一步改进，所述连杆机构包括摆臂和联动杆，摆臂固定安装在各固定膜翼横梁模块上，联动杆与各摆臂转动连接。

作为本发明的更进一步改进，所述联动操作装置的操作部包括通过固定轴转动连接的控制箱壳和控制手柄，控制箱壳上设有滑槽，滑槽上滑动连接有滑动齿条；所述拉索与滑动齿条连接；控制手柄上设有与滑动齿条相啮合的圆弧传动齿轮；控制手柄与控制箱壳之间设有手柄到位卡位结构。

作为本发明的更进一步改进，所述动力翼梁中部设有折叠结构；机身底部设有轮子；所述机身的背部设有尾桨，尾桨安装在尾桨旋转臂上，尾桨旋转臂与机身旋转连接，机身上设有与尾桨旋转臂联动的第二操作部；各排动力翼梁上均安装有多个螺旋桨。

有益效果

与现有技术相比，本发明的共转垂直起降膜翼飞机的优点为：

1、膜翼中部设有折叠角度调节机构。在飞机爬升和滑翔等低速状态时需要较大的升力以确保飞机的稳定性，此时膜翼展开面积最大；当飞机在一定高度进入巡航飞行状态时，让膜翼进行一定角度的折叠，即使进一步提高飞行速度飞机也能保持在同一高度飞行而不会因速度提高升力变大而继续爬升，有利于提高巡航状态的飞行速度，而且能耗低。此外，部分折叠的膜翼也能给飞机提供高速飞行下的横向稳定性。

2、飞机在升降、爬升、滑翔和巡航飞行等状态之间进行切换时，只需通过联动操作装置即可让膜翼与动力翼梁相对机身同步旋转，得到相应方向的推力从而进行飞行，操作简单，无需驾驶人员进行复杂的操作，既利于该共转垂直起降膜翼飞机在民用领域的普及，也有助于缩短驾驶人员的培训时间。

3、相邻膜翼横梁模块之间通过依次设有的驱动机构、直线平移结构和转动连杆实现角度调节，结构简单，工作稳定，不容易损坏。其中，直线平移结构为推拉螺杆，动力螺旋套管套设在推拉螺杆外侧且两者螺纹配合，调节时精度更高。由于空气对膜翼的作用力大，通过设置减速齿轮组可降低对电机扭力的需求，减少对电机的冲击力，延长电机的使用寿命。

4、膜翼横梁和动力翼梁通过操作部、拉索、动力翼梁共转传动盘和膜翼梁共转传动盘相联动，结构简单，工作稳定。

5、相邻动力翼梁之间设有至少两排与机身转动连接的膜翼，各膜翼均可折叠，增加了可选择的巡航速度，以获得最经济的能耗。

6、动力翼梁中部设有折叠结构，配合膜翼的折叠，可缩小占地面积，方便入库。

7、各排动力翼梁上均安装有多个螺旋桨，各螺旋桨的功率小，噪音小，而且即使其中一个螺旋桨损坏，也不会严重影响飞机的平衡，飞机仍保留一定的稳定性，有充足时间安全降落。

通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为共转垂直起降膜翼飞机处于升降状态的俯视图；

图2为共转垂直起降膜翼飞机处于升降状态的左视图；

图3为共转垂直起降膜翼飞机处于升降状态的主视图；

图4为共转垂直起降膜翼飞机处于飞行状态的俯视图之一；

图5为共转垂直起降膜翼飞机处于飞行状态的主视图之一；

图6为共转垂直起降膜翼飞机处于飞行状态的俯视图之二；

图7为共转垂直起降膜翼飞机处于飞行状态的主视图之二；

图8为共转垂直起降膜翼飞机处于飞行状态的左视图之二；

图9为共转垂直起降膜翼飞机入库时的左视图；

图10为膜翼横梁局部俯视图；

图11为膜翼横梁上的折叠角度调节机构剖视图；

图12为膜翼横梁的局部横截面示意图；

图13为膜翼横梁的折叠状态；

图14为膜翼横梁的展开状态；

图15为联动操作装置主视剖视图；

图16为联动操作装置的俯视图；

图17为膜翼上的折叠角度调节机构和联动操作装置布置图；

图18为连杆机构的主视图；

图19为连杆机构的摆臂示意图；

图20为模拟飞行过程姿态变化图。

具体实施方式

现在参考附图描述本发明的实施例。

实施例

本发明的具体实施方式如图1至图20所示，一种共转垂直起降膜翼飞机，包括采用铝合金外壳的机身1，机身1上转动连接有至少两排动力翼梁2，各排动力翼梁2上安装有螺旋桨3。相邻动力翼梁2之间设有与机身1转动连接的膜翼4。膜翼4中部设有折叠角度调节机构6。机身1上设有使膜翼4与动力翼梁2相对机身1同步旋转的联动操作装置7。机身1上设有前档玻璃11、后档玻璃12和有机玻璃门13。机身1包括机翼支架14，各膜翼4与机翼支架14转动连接。机身1内装有提供动力的高能电池。

膜翼4包括膜翼横梁和若干膜翼板46，膜翼横梁包括沿膜翼4翼展方向排列的至少两段膜翼横梁模块，膜翼板46设置在膜翼横梁模块上。折叠角度调节机构6连接在相邻膜翼横梁模块之间。本实施例中，每排膜翼4位于机身1其中一侧的部分包括两段膜翼横梁模块，分别为固定膜翼横梁模块43和折叠膜翼横梁模块44。膜翼板46为轻骨架外蒙碳纤膜翼板。固定膜翼横梁模块43贯穿机翼支架14上部且两者之间通过轴承转动连接。固定膜翼横梁模块43外侧固定有膜翼板46，构成位于机身1上方的中部膜翼40和位于机身1两侧的第一外膜翼41，折叠膜翼横梁模块44外侧固定有膜翼板46并构成第二外膜翼42，第一外膜翼41和第二外膜翼42的长度基本相同。

固定膜翼横梁模块43与折叠膜翼横梁模块44之间通过第一轴承45转动连接。折叠角度调节机构6包括依次联动的驱动机构、直线平移结构和转动连杆66。转动连杆66一端通过第二轴承661与折叠膜翼横梁模块44转动连接，转动连杆66另一端通过第三轴承662与位于固定膜翼横梁模块43上的直线平移结构转动连接，直线平移结构与固定膜翼横梁模块43活动配合。

本实施例中，驱动机构与直线平移结构设置在固定膜翼横梁模块43上，驱动机构包括依次联动的电机61、减速齿轮组62和动力螺旋套管63，动力螺旋套管63的外侧壁通过齿轮结构与减速齿轮组62相联动，动力螺旋套管63与固定膜翼横梁模块43转动连接。其中，减速齿轮组62和动力螺旋套管63均通过配型结构壳65安装在固定膜翼横梁模块43内，固定膜翼横梁模块43上设有检修盖板46。直线平移结构为推拉螺杆64，动力螺旋套管63套设在推拉螺杆64外侧且两者螺纹配合。此外，驱动机构与直线平移结构也可以由气缸或直线电机代替。

联动操作装置7包括相联动的操作部和拉索73，还包括与拉索73相套设的动力翼梁共转传动盘71和膜翼梁共转传动盘72。拉索73通过第一螺钉711与动力翼梁共转传动盘71固定连接，拉索73通过第二螺钉721与膜翼梁共转传动盘72固定连接。拉索73绕过动力翼梁共转传动盘71或膜翼梁共转传动盘72后，经导向滑轮74再可滑动地穿过固定支座78。导向滑轮74和固定支座78均安装在机身1内。

动力翼梁共转传动盘71与动力翼梁2同旋转轴线固定连接。当膜翼4为一排时，膜翼梁共转传动盘72与固定膜翼横梁模块43同旋转轴线固定连接。而本实施例中，相邻动力翼梁2之间设有至少两排与机身1转动连接的膜翼4，具体为三排。各排膜翼4均通过联动操作装置7与动力翼梁2相联动。其中，膜翼梁共转传动盘72与其中一排(本实施例为第一排)膜翼4的固定膜翼横梁模块43固定连接，该固定膜翼横梁模块43与其余两排膜翼4的固定膜翼横梁模块43之间通过连杆机构79联动。

连杆机构79包括摆臂791和联动杆792，摆臂791固定安装在各固定膜翼横梁模块43上，联动杆792为两条且分别与各摆臂791的两端转动连接。

联动操作装置7的操作部包括通过固定轴751转动连接的控制箱壳76和控制手柄75，控制箱壳76底部设有滑槽761，滑槽761上滑动连接有滑动齿条77。拉索73两端通过螺栓与滑动齿条77两端连接。控制手柄75上设有与滑动齿条77相啮合的圆弧传动齿轮753。控制手柄75与控制箱壳76之间设有手柄到位卡位结构，具体为设置在控制手柄75上的弹性卡位器752和设置在控制箱壳76上的多个与不同档位对应的卡点762，弹性卡位器752与卡点762凹凸配合。不同卡点762对应膜翼4与动力翼梁2不同的旋转角度。本实施例中，从-15°到105°，每隔15°为一档。通过摆动控制手柄75即可操作膜翼4与动力翼梁2相对机身1同步旋转。

动力翼梁2中部设有折叠结构，折叠后方便入库。机身1底部设有轮子9，飞机起飞后，轮子9可隐藏在机身1内。机身1的背部设有尾桨5，尾桨5安装在尾桨旋转臂8上，尾桨旋转臂8与机身1旋转连接，机身1上设有与尾桨旋转臂8联动的第二操作部。通过让尾桨旋转臂8旋转，即可让尾桨5朝向左侧或右侧，从而让飞机实现转向。各排动力翼梁2上均安装有多个螺旋桨3，本实施例中，两排动力翼梁2共采用24个螺旋桨3，螺旋桨3布置在动力翼梁2的上下两侧。

该共转垂直起降膜翼飞机综合考虑了现有各类飞行器的优缺点，在现有科技技术能力可行的前提下设计出来：

1、打破固定的关联(固定翼——滑跑起降、旋桨翼——垂直起降)魔咒：做到像直升机样起降、象固定翼飞机一样爬升和巡航、像动力滑翔机一样滑降。

2、突破现有固定机翼、旋桨翼复杂巨大不可兼容的难点：采用创新的膜翼(可折叠、转动)和多个电驱旋桨发动机(可旋转)，这给飞机外形布局和功能拓展提供了很大的空间；同时使飞机更灵活、安全度更高并大幅降低噪音。

3、合理的机身布置有效保障飞行的稳定性和特殊情况的安全性，同时彻底根除旋桨发动机与膜翼的相互干扰。

4、动力翼梁和膜翼的共转系统、尾桨控制系统、膜翼的折叠系统、动力翼梁的手动折叠和轮脚的自动伸缩等独特设计赋予了飞机优越的操控性能。

5、现有的高能电池、高强铝合金航材、电驱旋桨发动机、高强膜材等所涉及的材料、部件性能完全能满足本设计要求。

综上所述，共转垂直起降膜翼飞机能做到低空(1000m以下)性能优越、造价适中，安全保障有力和使用维护方便。可以作为有人机或无人机使用，在寻常百姓家中普及。

由于膜翼4的位置高于动力翼梁2，即使在发生空中特情甚至完全失去动力之时，依靠重心靠下的稳定作用，膜翼4可完全展开如同一个巨大的降落伞，在尽可能抛弃电池包的情况下，如果落点是水面或平地依然可以保障人机安全。

共转垂直起降膜翼飞机原理如下:

1、机翼功能单一化——仅用于提供升力。机翼受力工况简单，使机翼可以采用轻骨架+膜的超轻结构，同时膜翼的折叠、转动功能也能很好实现。

2、发动机安装在动力翼梁上，动力翼梁受力工况简单，使动力翼梁轻易实现转动、折叠功能。

3、动力翼梁与机翼错开设置，避免发动机和机翼在发挥各自功能时相互影响。

4、采用多个发动机以降低噪音和提高安全度。

5、采用大翼展以实现低空经济性能和提高安全度。

6、采用主动尾桨系统，使飞机更易于操纵。

7、动力翼梁和膜翼的实现单一控制、同步共转，使发动机与膜翼永远处在最佳协同状态、操控简单。

8、共转垂直起降膜翼飞机应做到像直升机一样起降、象固定翼飞机一样爬升和巡航、像动力滑翔机一样滑降，并具有在紧急情况下在水面起降的能力。

下面对方案的细节进行说明：

1、膜翼:由主梁和轻质骨架外蒙高抗拉膜材共同构成,主要提供空中飞行时需要的升力。

主梁和轻质骨架选用轻质且各项性能(抗弯、抗剪，抗扭等)都不错的金属材料，一般采用高强铝合金航材。

膜材首选炭纤膜，炭纤有非常优异的抗拉特性，其抗拉强度平均5000MPa左右，是钢材(抗拉强度平均400MPa左右)的10倍。其抗拉强度用作翼膜是卓卓有余，而且炭纤很轻，因此炭纤膜作为首选当之无愧；超薄的高强铝合金板和其它轻质高抗拉膜材在考虑特殊需要时可以作为次选。

2、电驱旋桨发动机：提供垂直起降时需要的升力和前进的牵引力，采用多组小功率发动机组成,每组两个背靠设置。

目的是在飞机外形布局时有利于发动机与膜翼之间相互配合，减少相互之间的不利影响；有利于安全度的提升，在个别发动机突发停车情况下依然能保证安全飞行；降低飞机的噪音和更绿色环保；每组两个背靠设置可以相互抵消自转扭矩让飞机更稳定。

3、高能电池包：以现在约8kg/kw.h的储能密度，高能电池包的重量约占飞机自重(无人时)的50％。是影响飞机性能的主要因素，必须进行合理配载。高能电池包分为主动力电池部分(约占80％)和备用电池(约占20％)，以提高飞机电源安全保障。

4、动力翼梁、膜翼的联动操作装置7：控制主动力方向，使发动机与膜翼永远处在最佳协同状态、操控简单。是实现飞机能做到像直升机一样起降、象固定翼飞机一样爬升和巡航、像动力滑翔机一样滑翔的动力转换之关键所在。

5、动力尾桨5:实现飞机上下左右全方位的主动转向功能。采用两个相互背靠的小型电驱旋桨发动机，可使飞机操纵更灵活简便。

6、折叠角度调节机构：停放及起降时处于90度折叠状态，在飞行过程根据需要调整折叠角度。该系统可最大幅提高飞机的适航范围和飞行稳定性，将飞机一定高度(如500m高度时)的最优巡航速度由一个点(如132km/h)拓展为一个范围(如132—206km/h)；是共转垂直起降膜翼飞机实现节能稳定飞行、入库停放的的关键所在。

7、电控轮脚伸缩机构：控制脚轮的收放，以减少飞行阻力。

8、动力翼梁的手动折叠机构：利于飞机的停放。

9、机身类船体设计使其拥有很小的飞阻系数和在平静水面起降的能力：机身结构和外蒙皮采用高强铝合金航材,内蒙皮采用炭纤维布。其中地板内外蒙皮均采用强铝合金薄板，内外蒙皮间空隙填充硬泡沫塑料。

10、航电系统：依据实际需求进行配备，包括强电系统(螺旋桨、电动机、空调供配电)、弱电系统(电池电量感应、轮脚伸缩感应与控制、膜翼角度感应与控制)、通信与信息显示系统(中控电脑、天地通信、显示屏、导航线路、高度、速度、航程、温度、电量、飞机姿态角度、载重、时间等)

11、主要计算公式：

飞行阻力:fw＝A*Cw*V

其中:A-风阻面积(m

Cw-风阻系数(0.3-0.6)

V-速度(m/s)

升力：Y＝P*C*S*V

其中：P-大气密度(按地区大气密度曲线，500m以下取1.2，以上逐渐减小)

C-升力系数约为1

S-机翼面积(m

V-速度(m/s)

下面以设计一个双座的共转垂直起降膜翼飞机为例，简单说明如下：

1、双座的共转垂直起降膜翼飞机性能需求：

2、通过计算配备相应的组件：

3、外形布局：见说明书附图。

4、按上述外形布局和配置计算出双座的垂直起降膜翼飞机主要参数和性能表现：

以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。