[发明专利]一种用于驱动直升机主旋翼旋转的电动螺旋桨扭矩臂及其直升机

说明书

本发明公开了一种用于驱动直升机主旋翼旋转的电动螺旋桨扭矩臂及其直升机，扭矩臂设置于主旋翼的上方，且主旋翼和扭矩臂设置于同一旋转主轴上，扭矩臂上设有驱动电机，驱动电机的线路贯穿旋转主轴，驱动电机靠近旋转主轴的轴线设置，扭矩臂的尖端设有螺旋桨，驱动电机的输出轴与螺旋桨形成驱动连接，用于驱动螺旋桨高速旋转，螺旋桨旋转产生拉或推力，驱动主旋翼绕旋转主轴旋转。本发明将驱动电机的输出轴设计成与直升机主旋翼同轴，或最接近主旋翼的旋转主轴，使驱动电机的离心力为零或者最小化，使驱动效率提高了36％；直升机的机身上不设置尾桨和传动系统，使直升机机械结构简化了近40％，通过带有电动螺旋桨的扭矩臂直接驱动主旋翼的直升机成为现实。

技术领域

本发明属于直升机技术领域，具体涉及一种用于驱动直升机主旋翼旋转的电动螺旋桨扭矩臂及其直升机。

背景技术

随着高能电机和高能电池的发展，使理想的飞行(Desirable Flight)的电动直升机成为可能。传统的直升机是依靠发动机旋转轴的输出来驱动主旋翼旋转，旋翼产生升力而升空飞行。常规的动力驱动方式是：内燃发动机、涡轮轴发动机或电动机的动力要经过齿轮箱的减速，增加扭矩来驱动巨大的主旋翼。在主旋翼被驱动的同时，整个机身也产生了相等的反作用力，因此，安装发动机的机身，将出现与主旋翼方向相反的同等扭矩，为了平衡这个扭矩，设计制造了尾桨和长长的尾管来平衡住机身，使其保持机头的方向，不致因旋翼的扭矩而转动。可以想见的是：传动系统、长长的平衡扭矩的尾桨不但消耗了接近30％的功率，而且增加了制造上和操控上的麻烦，也产生了许多事故。另一种驱动主旋翼的动力方式是安装在主旋翼尖端的喷气发动机产生推力，来驱动主旋翼直接旋转。他使机身没有了扭矩，不再需要尾桨和发动机传动系统。但新的问题是：安装在旋翼尖端的发动机重量在转动时，将产生巨大的离心力，同时喷气发动机的喷射方向时刻在跟随旋翼的桨叶角度在不停的变动，燃料和控制也要通过中心旋转轴输出到高速转动的旋翼尖部。到目前，试验机型很多，但进入商业市场的实用机型却寥寥无几。

直升机的主旋翼需要动力来驱动使其旋转，旋转的旋翼桨叶使正常压力(NormalPressure)的空气快速向旋翼下方运动，称为(Downwash Velocity)下洗流。(Is oftencalled the downwash of the rotor)旋翼下方的压力增加(Increased Pressure)，产生了向上的升力。

旋翼运转的功率消耗由两个部件组成：

(1)用于增加垂直方向空气动量的动力提升功率H.P1

H.P.＝L.U./550Calculation from equation

(2)主旋翼旋转时的阻力，克服形阻功率H.P2驱动直升机旋翼旋转的动力，目前有两种形式：①内燃发动机或涡轮轴发动机及近年出现的高能电动机的旋转输出的动能，通过离合器、减速齿轮箱、超越离合器从主轴传输到旋翼桨毂，使旋翼旋转；②安装在旋翼外端的冲压喷气发动机、涡轮喷气发动机、过氧化氢喷气发动机等从旋翼尖端喷射，产生推力来驱动主旋翼旋转。直升机为了能在发动机出现故障时，安全进入自旋着陆的必备功能，要设计最好的自旋旋翼系统。

高能旋翼系统为飞行员提供了当今最好的自动旋转降落的直升机。当今只有法国DJINN直升机可以自豪地说获得了最好的自旋降落性能。而另外的共轴式动力驱动的直升机，虽然因双层旋翼左右相对旋转，也同样没有扭矩作用于机身，也不需要尾桨和尾传动系统，但发动机传动系统和桨盘操控系统的复杂，以及上下旋翼气动干扰所带来的自旋降落效率的降低，共轴式上下对转旋翼，在爬升和悬停时效率是增加的，但在自旋降落时是相反的。这就使其不具备与单桨传统直升机自旋安全着陆的性能相比美。

发明人已经有四十余年研究开发轻型直升机和无人驾驶直升机的经验，并研制出几个型号的实验直升机样品。2016年申请的专利号US.10,076,763B2半飞、半行走的高效悬浮喷洒桁架，在实验时，发现了这种本方案驱动方式，进而发明这个使用电动螺旋桨扭矩臂驱动主旋翼的直升机。