[科普中國]-折疊式旋翼

從古至今，人類對(duì)飛天夢(mèng)一直都有著濃厚的興趣。繼萊特兄弟成功實(shí)現(xiàn)人類歷史上的第一次飛行試驗(yàn)以來，歷經(jīng)百年的發(fā)展，航空科技取得了極大的進(jìn)步與發(fā)展，人類開始設(shè)計(jì)并制造各種類型的飛行器，并將其用于不同的航空領(lǐng)域。隨著社會(huì)的進(jìn)步，飛行器的種類和使用范圍也大大增加，飛行器先后出現(xiàn)了用于軍用的戰(zhàn)斗機(jī)、轟炸機(jī)、偵察機(jī)等；用于民用的運(yùn)輸機(jī)、林業(yè)機(jī)等。除了這些常見大型飛行器以外，更多的微小型飛行器也被研制和使用，廣泛應(yīng)用于無人偵察、現(xiàn)代救援、玩具等領(lǐng)域。飛行器也發(fā)展出了不同的形式，有固定翼型飛行器、旋翼型飛行器、變形翼型飛行器。其中旋翼型飛行器又分為單旋翼加尾槳型飛行器、共軸式旋翼無尾槳型飛行器、多旋翼型飛行器等。共軸雙旋翼型飛行器與其他類型飛行器相比，具有操縱性能好、飛行安全可靠性高、可進(jìn)行懸停飛行并且飛行效率高、機(jī)動(dòng)性能優(yōu)越、有效載荷能力強(qiáng)、自身結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)。

因此，共軸式結(jié)構(gòu)在飛行器設(shè)計(jì)中被廣泛采用，國內(nèi)外對(duì)共軸雙旋翼飛行器開展過許多研究。槳葉的翼展大小直接決定飛行器的升力大小，為了盡可能在增大旋翼槳葉翼展的同時(shí)不增加飛行器的尺寸，特將折疊翼的設(shè)計(jì)引入，與共軸雙旋翼相結(jié)合，以滿足升力提升和結(jié)構(gòu)尺寸緊湊的設(shè)計(jì)要求。

槳葉是飛行器的關(guān)鍵部件，它既是飛行器的升力面，同時(shí)也是主要的操縱面。隨著理論分析方法、加工技術(shù)和工藝、材料的進(jìn)步，槳葉形狀已經(jīng)由簡單的矩形槳葉發(fā)展為復(fù)雜的扭轉(zhuǎn)槳葉。不同的旋翼槳葉形狀與不同的飛行器結(jié)構(gòu)，需要不同的操縱機(jī)構(gòu)。槳葉作為飛行器升力提供部件，其操縱機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)飛行器升力大小的調(diào)整與飛行器航向的控制。它被分為全差動(dòng)操縱方式、半差動(dòng)操縱方式、磁粉控制器操縱方式、翼尖氣動(dòng)控制操縱方式等類型。槳葉操縱機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣對(duì)飛行器的飛行性能有著至關(guān)重要的影響。1

在飛行狀態(tài)下，對(duì)旋翼槳葉的操縱主要包括改變旋翼槳葉所產(chǎn)生的拉力大小、拉力的作用線或者同時(shí)改變二者。改變拉力的作用線，理論上，相對(duì)機(jī)身通過傾斜旋轉(zhuǎn)軸或者槳轂來實(shí)現(xiàn)。由于大多數(shù)飛行器的旋轉(zhuǎn)軸是固定的，傾斜槳轂所需要的驅(qū)動(dòng)力較大，因此常采用變距裝置。整體性或者周期性地改變槳葉槳距角，就能有效地改變空氣動(dòng)力，從而最終改變旋翼拉力的大小和方向。

圖1所示為最常采用的由自動(dòng)傾斜器改變總距的原理。圖2所示為自動(dòng)傾斜器周期變距的原理。自動(dòng)傾斜器由上下兩個(gè)平行的星型盤組成。一個(gè)星型盤不隨轉(zhuǎn)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)，但其可以相對(duì)旋轉(zhuǎn)軸上下移動(dòng)或者傾斜；另一個(gè)星型盤隨著旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，并且通過操縱桿與槳葉鉸接。這兩個(gè)星型盤通過軸承連接，始終保持平行的位置關(guān)系。當(dāng)操縱機(jī)構(gòu)使不旋轉(zhuǎn)的星型盤整體上升或者下降時(shí)，所有槳葉同時(shí)增大或者減小相同傾角，由此改變旋翼的氣動(dòng)特性最終改變旋翼產(chǎn)生的拉力大小；當(dāng)操縱機(jī)構(gòu)使不旋轉(zhuǎn)的星型盤相對(duì)旋轉(zhuǎn)軸傾斜一定角度時(shí)，槳葉周期性變距（前行槳葉與后行槳葉一個(gè)增加 B1，一個(gè)減少 B1）。1

驅(qū)動(dòng)電機(jī)固定于飛行器的外殼體上，驅(qū)動(dòng)左右兩個(gè)電機(jī)反向等速旋轉(zhuǎn)，兩個(gè)電機(jī)分別帶動(dòng)各自連接的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)桿轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)桿帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)桿運(yùn)動(dòng)，使得下支撐盤相對(duì)旋轉(zhuǎn)軸整體上升或者下降。上下聯(lián)軸器分別與內(nèi)軸、外軸固定連接。下支撐盤通過軸承與下轉(zhuǎn)動(dòng)盤連接，可相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸整體上升或者下降，通過下轉(zhuǎn)動(dòng)盤上的下固定板、下固定件帶動(dòng)下變距搖桿運(yùn)動(dòng)。下變距搖桿與下槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)件鉸接。下槳葉固定件固定于下聯(lián)軸器上。下槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)件連接槳葉，可相對(duì)于下槳葉固定件轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣，一對(duì)下槳葉便完成了對(duì)槳距角的改變（同時(shí)增大或者同時(shí)減?。Ｍ?，上支撐盤在上下盤連接棒的帶動(dòng)下隨下支撐盤整體上升或者下降，使上槳葉操縱部件完成相同的動(dòng)作，一對(duì)上槳葉隨之實(shí)現(xiàn)槳距角的相同變化。因此，旋 翼飛行器的拉力大小可被改變。

驅(qū)動(dòng)左右兩個(gè)電機(jī)同向等速旋轉(zhuǎn)，兩個(gè)電機(jī)分別帶動(dòng)各自連接的轉(zhuǎn)動(dòng)桿轉(zhuǎn)動(dòng)，使得下支撐盤相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸傾斜，通過下支撐板、下固定件，帶動(dòng)下變距搖桿運(yùn)動(dòng)。下槳葉固定件固定于下聯(lián)軸器上。下槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)件連接槳葉，相對(duì)于下槳葉固定件轉(zhuǎn)動(dòng)。由于下支撐盤發(fā)生相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸的傾斜，其左右兩側(cè)的下變距搖桿發(fā)生反向運(yùn)動(dòng)，因此一對(duì)下槳葉的旋轉(zhuǎn)方向相反。在上下盤連接棒的作用下，上漿葉操縱部件完成與下槳葉操縱部件相同的動(dòng)作，一對(duì)上槳葉也進(jìn)行方向相反的旋轉(zhuǎn)。旋翼的上、下槳 盤相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸完成了向某一方向的傾斜，即拉力作用線發(fā)生改變，飛行器的飛行方向也隨之發(fā)生改變?？紤]到共軸雙旋翼槳葉扭轉(zhuǎn)和折疊翼安裝的角度要求，該槳葉操縱機(jī)構(gòu)應(yīng)該具有較大的角度變化范圍。1