本發明涉及一種用于航空器垂直起降的收放式旋翼，特別是一種垂直起降時打開、水平飛行時收合的收放式旋翼，屬于航空器技術領域。

背景技術：

載人航空器可分為固定翼和旋轉翼兩大類，固定翼常見于水平起降航空器（如噴氣式客機），而旋轉翼常見于垂直起降航空器（如直升機）。就目前已經達到的技術水平來說，固定翼航空器可以高速飛行，操作簡便，但需依托跑道起降。旋轉翼航空器可以垂直起降，不需依托跑道起降，適應性強，但是機理失調，操控復雜，飛行速度慢，燃油效率低。

目前，旋轉翼航空器還存在一些無法克服的固有缺陷，主要表現為：（1）飛行速度有極限。受翼尖絕對速度必須小于音速的限制，旋轉翼航空器的理論速度不能超過420公里/小時。（2）可靠性低。旋翼槳葉的揮舞產生機械振動，增加了鉸鏈的磨損使可靠性總是不如固定翼航空器。（3）橫滾穩定性差。兩側旋翼升力不均勻會導致旋轉翼航空器發生橫滾，在幾秒鐘內就會傾覆失控。（4）操控復雜。直升機的旋翼既提供了飛行的機動性，同時也造成了飛行操控的復雜性。使得操控負荷遠遠大于固定翼飛機，加大了人為失誤的概率。（5）無法做大。旋翼直徑和轉速受到翼尖速度不能超過音速的限制，旋翼直徑一般最大就是十幾米，航空器尺寸受限，無法做得更大。（6）飛行機理失調。直升機雖然發展了近70年，但是飛行機理內在的協調性差，充滿了先天性的矛盾。如：采用尾槳平衡旋翼扭矩，采用揮舞鉸和擺振鉸平衡前飛翻轉力矩，垂直起降時要求旋翼面積大而水平飛行時希望旋翼面積小，垂直起降狀態與水平飛行狀態的飛行機理互相矛盾、無法統一，如此等等，直接導致飛行狀態的控制復雜、穩定性差。

總之，旋轉翼航空器的上述缺陷來源于旋翼既要兼顧垂直起降又要滿足水平飛行兩種飛行模式而產生的矛盾。而收放式旋翼能夠很好兼容垂直起降和水平飛行兩種飛行模式，將成為旋轉翼航空器新的發展方向。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是為克服現有垂直起降航空器的旋翼既要兼顧垂直起降又要滿足水平飛行兩種不同飛行模式而產生的矛盾，提供一種用于航空器垂直起降的收放式旋翼，按照飛行工況需求改變氣動外形而減少飛行阻力，回避旋翼振動，提高自持特性和魯棒性，實現本安防墜、加速跳飛和柔性迫降，協調機理、強化功能、簡化結構、降低成本。

為解決上述技術問題，本發明提供一種用于載人飛行器垂直起降的收放式旋翼，它包括主軸1、槳葉支撐架2、若干槳葉3及槳葉鉸4；所述主軸1與槳葉支撐架2幾何中心垂直相交、固定相連、同步轉動，槳葉鉸4與主軸1基本平行、與槳葉3的翼面基本垂直，槳葉3通過槳葉根部的槳葉鉸4與槳葉支撐架2連接，槳葉鉸4沒有驅動力，槳葉3在離心力和空氣動力的綜合作用下圍繞槳葉鉸4自由轉動并自動呈現出不同的工作狀態；當各片槳葉3需要打開時，即當航空器垂直起降時，主軸1驅動槳葉支撐架2旋轉，槳葉支撐架2、槳葉鉸4均圍繞主軸1同步轉動，各槳葉3在離心力作用下完全打開并平分360°圓周角，相鄰槳葉間的夾角均相同，實現升力最大化；當各片槳葉3需要收合時，即當航空器水平飛行時，主軸1鎖止，槳葉支撐架2與槳葉鉸4亦鎖止，具有負攻角的槳葉3在迎面氣流的偏心力矩作用下圍繞槳葉鉸4自動收合。

所述槳葉3通過槳葉根部的槳葉鉸4收放,直接實現旋翼回轉直徑的擴大和氣動外形的收縮，各槳葉3自動收合后重疊拼合為矩形、圓形或者其它合適形狀，并兼做固定翼具有部分升力，實現升力最大化而阻力最小化的有益效果。

所述槳葉鉸4為無動力自由鉸鏈，槳葉3可在離心力和空氣動力的綜合作用下圍繞槳葉鉸4自由轉動并自動呈現出不同的工作狀態，使槳葉3在不同飛行工況下具有自持性。當航空器垂直起降時，主軸1驅動旋轉，各槳葉3在離心力作用下圍繞主軸1自由轉動，完全打開。當航空器水平飛行時，主軸1鎖止，槳葉支撐架2與槳葉鉸4亦鎖止，具有負攻角的槳葉3在迎面氣流的偏心力矩作用下圍繞槳葉鉸4自動收合，槳葉3自動收合到重疊拼合位置時即自動鎖止，實現阻力最小化，同時還兼做固定翼具有部分升力。當航空器出現故障突然墜落時，主軸1自動解鎖、自由轉動，具有負攻角的槳葉3在上行氣流的偏心力矩作用帶動主軸1開始自旋，各槳葉3在離心力作用下圍繞槳葉鉸4完全打開，旋翼轉速迅速提高，旋翼蓄能增加，實現無動力自旋迫降。

所述槳葉3和槳葉鉸4可以通過總距鉸5與槳葉支撐架2連接，總距鉸5可以鎖止以調節槳葉3的總距，也可以釋放以允許槳葉3在總距調節范圍內自由浮動，即在航空器緊急墜落的情況下槳葉3可以在總距調節范圍內自由浮動，以迅速啟動旋翼自旋，加大旋翼蓄能，實現航空器的無動力自旋迫降。所述總距鉸5的總距調節范圍一般為-15°至45°，具體根據實際需要確定。

所述槳葉安裝時可預設用以調節槳葉3總距的負攻角，槳葉安裝時預設的負攻角一般為-5°至-15°，具體根據實際需要確定。

所述主軸1在航空器緊急墜落情況下可自動釋放鎖止而自由轉動，使負攻角安裝的各槳葉3在上行氣流吹動下圍繞主軸1自旋旋轉，并在離心力作用下圍繞槳葉鉸4自動展開，轉速增高，旋翼蓄能，實現航空器的無動力自旋迫降。

所述槳葉支撐架2為盤狀、板狀、梁形或正多邊形桁架結構，如圓盤狀、正三角板狀結構，正三角形、矩形桁架結構，直梁結構等，并根據不同的形式與特定形狀和數量的若干槳葉3搭配，具體根據實際需要選擇搭配使用。一般來說，槳葉3的數目與支撐架邊數相等。如，梁形結構的槳葉支撐架可配合在其兩端連接的矩形槳葉使用，正三角形架的槳葉支撐架可配合在其三個端角連接的矩形槳葉或斧形槳葉使用，正四邊形架的槳葉支撐架可配合在其四個端角連接的扇形槳葉使用，具體根據實際需要選擇配合使用。

所述槳葉3的翼型為普通成熟的機翼翼型，即與普通機翼相同，有一定弧度與厚度，并成流線型變化，一般為寬弦翼型或剛性厚旋翼，具體翼型、弧度和厚度可根據實際需要選擇和確定。槳葉3的外形為等寬結構或外寬內窄的斧狀結構，可以明顯加大旋翼外側區域的旋翼面積、減少旋翼內側區域的旋翼面積，充分利用旋翼外側高速旋轉區域獲得最大的升力，具體的外形結構根據實際需要選擇使用。槳葉3尖部可根據需要配置擴大旋翼蓄能的小部件，以進一步加大旋翼轉動慣量，增加旋翼蓄能，加大跳飛或迫降時的升力。

本發明提出了綜合旋翼固定式和旋翼收藏式優點的收放式旋翼新方案，通過旋翼的收放變形，改變了機翼的氣動特征，以此實現垂直起降和水平飛行兩種工作模式的平穩轉換和有效兼容。垂直起降時，在所述主軸1驅動下，若干槳葉3受離心力作用圍繞槳葉鉸4旋轉打開，當槳葉3旋轉至與主軸1同步時產生最大升力。水平飛行時，主軸1停轉，負攻角安裝的若干槳葉3隨迎面氣流的偏心力矩作用下圍繞槳葉鉸4旋轉收合，在若干槳葉3與槳葉支撐架2完全拼合后固定鎖止。此時旋翼收縮變形為一個風阻較小的固定翼形狀，旋翼的水平飛行阻力為最小，同時具備部分升力，兼做固定翼，實現高速飛行。

本發明在工作模式轉換時，具有自動適應的特性。自適應設計是指收放式旋翼的工作狀態可以根據飛行狀況自動開合、穩定可靠，無論是在垂直起降工作模式下，或者是高速前飛工作模式下，或者是故障墜落狀態下都無需人工干預，具有自持性。從而有效減少人工操作介入，提高飛控反應的速度和靈敏度，提高飛控魯棒性（容錯能力）。由此減輕操控強度，減少人為失誤，提高了飛行的安全性，同時也大大降低了直升機的駕駛難度，減少了飛行員的操控負荷，提高了適用性。

收放式旋翼采用了寬弦翼型并優化了旋翼翼形，使得一種寬弦翼型和外寬內窄翼形相結合全新旋翼的應用成為可能。

外寬內窄的槳葉形狀，能充分利用旋翼外側高速旋轉區域獲得更大的升力。而寬弦翼型升力大，有富裕，可以將富裕的升力用于提高飛行穩定性，實現超驅動垂直起降。在起飛和著陸時，調整總距，加大負攻角，主動形成上洗氣流或側洗氣流，可以有效抵抗陣風擾動，提高飛行穩定性和安全性。同時，還可以大大減少下洗氣流，從而抑制地面揚塵，改善著陸條件，提高飛行安全性和魯棒性。另外，采用剛性寬弦厚旋翼時，旋翼質量較大，還可以在翼尖配置金屬部件，進一步加大旋翼轉動慣量，有利于加大旋翼蓄能，實現有動力起飛時的地面加速跳飛和無動力自轉迫降時的柔性著陸。

由于收放式旋翼只負責垂直起降時提供升力，不負責轉向和姿態控制，回避了旋翼高速前飛時出現的各種偏轉、振動、扭矩和鉸鏈，因此取消了揮舞鉸和擺振鉸，使得旋翼結構簡化、成本降低、可靠性提高。

另外，為了更好地提高旋翼的工作穩定性和自適應能力，本發明提出了浮動總距的設計方案。總距操縱桿釋放以后，槳葉可以在的一定的正攻角和負攻角范圍內圍繞總距軸自由浮動。在航空器緊急墜落的情況下，槳葉3的總距鉸5可以在總距調節范圍內自由浮動，以迅速啟動旋翼自旋，加大旋翼蓄能，實現航空器的蓄能跳飛起飛或無動力自旋迫降，更好地提高旋翼的工作穩定性和自適應能力。

與現有技術相比，本發明具有可按照飛行工況需求改變氣動外形而減少飛行阻力，實現垂直起降和水平飛行兩種工作模式的平穩轉換和有效兼容，工作模式轉換時具有自動適應特性，可回避旋翼在高速前飛時出現的各種偏轉、振動、扭矩，提高自持特性和魯棒性，實現本安防墜、加速跳飛和柔性迫降，具有機理協調、結構簡單、成本低廉、工作可靠、自動反應、操作簡便、適應性好等優點，可廣泛應用于載人航空器或無人機等領域。

附圖說明

圖1為本發明實施例1槳葉未展開側視示意圖。

圖2為本發明實施例1槳葉未展開俯視示意圖。

圖3為本發明實施例1槳葉展開過程俯視示意圖。

圖4為本發明實施例1槳葉完全展開側視示意圖。

圖5為本發明實施例1槳葉完全展開俯視示意圖。

圖6為本發明實施例2槳葉完全展開俯視示意圖。

圖7為本發明實施例3槳葉完全收合俯視示意圖。

圖8為本發明實施例3槳葉展開俯視示意圖。

圖中：1-主軸，2-槳葉支撐架，3-槳葉，4-槳葉鉸，5-總距鉸。

具體實施方式

下面結合附圖，對本發明的具體實施方式作進一步詳盡描述。實施例中未注明的技術或產品，均為現有技術或可以通過購買獲得的常規產品。

實施例1：如圖1-5所示：本用于載人飛行器垂直起降的收放式旋翼包括主軸1、直梁形結構槳葉支撐架2、兩片槳葉3和兩個槳葉鉸4、以及兩個安裝在槳葉支撐架2上以連接槳葉3和槳葉鉸4的總距鉸5；主軸1與槳葉支撐架2的幾何中心垂直相交、固定相連、同步轉動，槳葉鉸4與主軸1基本平行、與槳葉3的翼面基本垂直，槳葉支撐架2的兩個末端安裝兩個總距鉸5，槳葉鉸4安裝在總距鉸5的軸上，槳葉3的根部與槳葉鉸4連接，槳葉3可以圍繞槳葉鉸4自由轉動；當兩片槳葉3完全打開時，槳葉支撐架2、槳葉3、槳葉鉸4與總距鉸5均圍繞主軸1同步轉動；當兩片槳葉3完全收合時，槳葉支撐架2與兩片槳葉3重疊拼合。槳葉3為外寬內窄的結構，其外端頭為弧形，充分利用旋翼外側高速旋轉區域獲得更大的升力。槳葉3通過其根部的槳葉鉸4收放，直接實現旋翼回轉直徑的擴大和氣動外形的收縮，各槳葉3自動收合后重疊拼合為矩形，并兼做固定翼具有部分升力，實現升力最大化而阻力最小化。整個收放式旋翼為寬弦翼型剛性厚旋翼，槳葉3成流線型變化，其尖部配置有普通可增加旋翼蓄能的小金屬部件，加大旋翼轉動慣量和旋翼蓄能。槳葉3和槳葉鉸4通過總距鉸5與槳葉支撐架2連接，并在槳葉安裝時預設-15°的負攻角，用以調節槳葉3總距。總距鉸5可以鎖止以調節槳葉3的總距，也可以釋放以允許槳葉3自由浮動。槳葉3的總距調節范圍為-15°至45°。主軸1可自動釋放鎖止而自由轉動，使負攻角安裝的各槳葉3在上行氣流吹動下圍繞主軸1自旋旋轉，并在離心力作用下圍繞槳葉鉸4自動展開，在航空器緊急墜落情況下，實現航空器的無動力自旋迫降。

實施例2：參見圖1-5，如圖6-7所示，本用于載人飛行器垂直起降的收放式旋翼包括主軸1、正三角形桁架結構槳葉支撐架2、三片斧狀槳葉3及三個槳葉鉸4；主軸1與槳葉支撐架2的幾何中心垂直相交、固定相連、同步轉動，槳葉鉸4與主軸1平行、與槳葉3的翼面垂直，槳葉支撐架2末端與三片槳葉3連接端通過槳葉鉸4連接，三片槳葉3可以圍繞各自的槳葉鉸4為軸心自由轉動；當三片槳葉3完全打開時，槳葉鉸4與各槳葉3均圍繞主軸1同步轉動；當三片槳葉3完全收合時，槳葉支撐架2與三片槳葉3重疊拼合為圓形。槳葉3為外寬內窄的斧狀結構，可以充分利用旋翼外側高速旋轉區域獲得更大的升力。整個收放式旋翼為寬弦剛性厚旋翼，槳葉3成流線型變化，其尖部配置有普通可增加旋翼蓄能的小金屬部件以加大蓄能。主軸1可自動釋放鎖止而自由轉動，使各槳葉3在上行氣流吹動下圍繞主軸1自旋旋轉，并在離心力作用下圍繞槳葉鉸4自動展開，在航空器緊急墜落情況下，實現航空器的無動力自旋迫降。

實施例3：參見圖1-5，如圖8所示，本用于載人飛行器垂直起降的收放式旋翼包括主軸1、正四邊形桁架結構槳葉支撐架2、四片槳葉3及四個槳葉鉸4；主軸1與槳葉支撐架2的幾何中心垂直相交、固定相連、同步轉動，槳葉鉸4與主軸1基本平行、與槳葉3的翼面基本垂直，槳葉支撐架2末端與四片槳葉3連接端通過槳葉鉸4連接，四片槳葉3可以槳葉鉸4為軸心自由轉動；當四片槳葉3完全打開時，槳葉支撐架2、槳葉鉸4與各槳葉3均圍繞主軸1同步轉動；當四片槳葉3完全收合時，槳葉支撐架2與四片槳葉3重疊拼合為圓形。槳葉3為90o扇形結構，可以充分利用旋翼外側高速旋轉區域獲得更大的升力。整個收放式旋翼為寬弦剛性厚旋翼，槳葉3斷面呈流線型變化，其尖部配置有普通可增加旋翼蓄能的小金屬部件以加大蓄能。主軸1可自動釋放鎖止而自由轉動，使各槳葉3在上行氣流吹動下圍繞主軸1自旋旋轉，并在離心力作用下圍繞槳葉鉸4自動展開，在航空器緊急墜落情況下，實現航空器的無動力自旋迫降。

實施例4：參見圖1-5：本用于載人飛行器垂直起降的收放式旋翼包括主軸1、十字梁形桁架結構槳葉支撐架2、四片槳葉3和四個槳葉鉸4、以及四個安裝在槳葉支撐架2上以連接槳葉3和槳葉鉸4的總距鉸5；主軸1與槳葉支撐架2的幾何中心垂直相交、固定相連、同步轉動，槳葉鉸4與主軸1基本平行、與槳葉3的翼面基本垂直，槳葉支撐架2的四個末端分別安裝四個總距鉸5，槳葉鉸4安裝在總距鉸5的軸上，槳葉3的根部與槳葉鉸4連接，槳葉3可以圍繞槳葉鉸4自由轉動；當四片槳葉3完全打開時，槳葉支撐架2、槳葉3、槳葉鉸4與總距鉸5均圍繞主軸1同步轉動；當四片槳葉3完全收合時，槳葉支撐架2與四片槳葉3重疊拼合。槳葉3為等寬結構，充分利用旋翼外側高速旋轉區域獲得更大的升力。槳葉3通過其根部的槳葉鉸4收放，直接實現旋翼回轉直徑的擴大和氣動外形的收縮，各槳葉3自動收合后重疊拼合為正四邊形，并兼做固定翼具有部分升力，實現升力最大化而阻力最小化。整個收放式旋翼為寬弦翼型剛性厚旋翼，槳葉3成流線型變化，其尖部配置有普通可增加旋翼蓄能的小金屬部件加大旋翼轉動慣量，增加旋翼蓄能。槳葉3和槳葉鉸4通過總距鉸5與槳葉支撐架2連接，并在槳葉安裝時預設-5°的負攻角，用以調節槳葉3總距。總距鉸5可以鎖止以調節槳葉3的總距，也可以釋放以允許槳葉3自由浮動。槳葉3的總距調節范圍為-15°至45°。主軸1可自動釋放鎖止而自由轉動，使負攻角安裝的各槳葉3在上行氣流吹動下圍繞主軸1自旋旋轉，并在離心力作用下圍繞槳葉鉸4自動展開，在航空器緊急墜落情況下，實現航空器的無動力自旋迫降。

實施例5：參見圖1-7：本用于載人飛行器垂直起降的收放式旋翼包括主軸1、正三叉梁形結構槳葉支撐架2、三片槳葉3和三個槳葉鉸4、以及三個安裝在槳葉支撐架2上以連接槳葉3和槳葉鉸4的總距鉸5；主軸1與槳葉支撐架2的幾何中心垂直相交、固定相連、同步轉動，槳葉鉸4與主軸1基本平行、與槳葉3的翼面基本垂直，槳葉支撐架2的三個末端分別安裝三個總距鉸5，槳葉鉸4安裝在總距鉸5的軸上，槳葉3的根部與槳葉鉸4連接，槳葉3可以圍繞槳葉鉸4自由轉動；當三片槳葉3完全打開時，槳葉支撐架2、槳葉3、槳葉鉸4與總距鉸5均圍繞主軸1同步轉動；當三片槳葉3完全收合時，槳葉支撐架2與三片槳葉3重疊拼合。槳葉3為等寬結構，充分利用旋翼外側高速旋轉區域獲得更大的升力。槳葉3通過其根部的槳葉鉸4收放，直接實現旋翼回轉直徑的擴大和氣動外形的收縮，各槳葉3自動收合后重疊拼合為正三邊形，并兼做固定翼具有部分升力，實現升力最大化而阻力最小化。整個收放式旋翼為寬弦翼型剛性厚旋翼，槳葉3成流線型變化，其尖部配置小金屬部件加大旋翼轉動慣量，增加旋翼蓄能。槳葉3和槳葉鉸4通過總距鉸5與槳葉支撐架2連接，并在槳葉安裝時預設-10°的負攻角，用以調節槳葉3總距。總距鉸5可以鎖止以調節槳葉3的總距，總距鉸5也可以釋放以允許槳葉3自由浮動。槳葉3的總距調節范圍為

-15°至45°。主軸1可自動釋放鎖止而自由轉動，使負攻角安裝的各槳葉3在上行氣流吹動下圍繞主軸1自旋旋轉，并在離心力作用下圍繞槳葉鉸4自動展開，在航空器緊急墜落情況下，實現航空器的無動力自旋迫降。

上面結合附圖對本發明的技術內容作了說明，但本發明的保護范圍并不限于所述內容，在本領域的普通技術人員所具備的知識范圍內，還可以在不脫離本發明宗旨的前提下對本發明的技術內容做出各種變化，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。