[科普中国]-折叠式旋翼

从古至今，人类对飞天梦一直都有着浓厚的兴趣。继莱特兄弟成功实现人类历史上的第一次飞行试验以来，历经百年的发展，航空科技取得了极大的进步与发展，人类开始设计并制造各种类型的飞行器，并将其用于不同的航空领域。随着社会的进步，飞行器的种类和使用范围也大大增加，飞行器先后出现了用于军用的战斗机、轰炸机、侦察机等；用于民用的运输机、林业机等。除了这些常见大型飞行器以外，更多的微小型飞行器也被研制和使用，广泛应用于无人侦察、现代救援、玩具等领域。飞行器也发展出了不同的形式，有固定翼型飞行器、旋翼型飞行器、变形翼型飞行器。其中旋翼型飞行器又分为单旋翼加尾桨型飞行器、共轴式旋翼无尾桨型飞行器、多旋翼型飞行器等。共轴双旋翼型飞行器与其他类型飞行器相比，具有操纵性能好、飞行安全可靠性高、可进行悬停飞行并且飞行效率高、机动性能优越、有效载荷能力强、自身结构紧凑等特点。

因此，共轴式结构在飞行器设计中被广泛采用，国内外对共轴双旋翼飞行器开展过许多研究。桨叶的翼展大小直接决定飞行器的升力大小，为了尽可能在增大旋翼桨叶翼展的同时不增加飞行器的尺寸，特将折叠翼的设计引入，与共轴双旋翼相结合，以满足升力提升和结构尺寸紧凑的设计要求。

桨叶是飞行器的关键部件，它既是飞行器的升力面，同时也是主要的操纵面。随着理论分析方法、加工技术和工艺、材料的进步，桨叶形状已经由简单的矩形桨叶发展为复杂的扭转桨叶。不同的旋翼桨叶形状与不同的飞行器结构，需要不同的操纵机构。桨叶作为飞行器升力提供部件，其操纵机构负责飞行器升力大小的调整与飞行器航向的控制。它被分为全差动操纵方式、半差动操纵方式、磁粉控制器操纵方式、翼尖气动控制操纵方式等类型。桨叶操纵机构设计的优劣对飞行器的飞行性能有着至关重要的影响。1

在飞行状态下，对旋翼桨叶的操纵主要包括改变旋翼桨叶所产生的拉力大小、拉力的作用线或者同时改变二者。改变拉力的作用线，理论上，相对机身通过倾斜旋转轴或者桨毂来实现。由于大多数飞行器的旋转轴是固定的，倾斜桨毂所需要的驱动力较大，因此常采用变距装置。整体性或者周期性地改变桨叶桨距角，就能有效地改变空气动力，从而最终改变旋翼拉力的大小和方向。

图1所示为最常采用的由自动倾斜器改变总距的原理。图2所示为自动倾斜器周期变距的原理。自动倾斜器由上下两个平行的星型盘组成。一个星型盘不随转动轴旋转，但其可以相对旋转轴上下移动或者倾斜；另一个星型盘随着旋转轴旋转，并且通过操纵杆与桨叶铰接。这两个星型盘通过轴承连接，始终保持平行的位置关系。当操纵机构使不旋转的星型盘整体上升或者下降时，所有桨叶同时增大或者减小相同倾角，由此改变旋翼的气动特性最终改变旋翼产生的拉力大小；当操纵机构使不旋转的星型盘相对旋转轴倾斜一定角度时，桨叶周期性变距（前行桨叶与后行桨叶一个增加 B1，一个减少 B1）。1

驱动电机固定于飞行器的外壳体上，驱动左右两个电机反向等速旋转，两个电机分别带动各自连接的电机转动杆转动。电机转动杆带动转动杆运动，使得下支撑盘相对旋转轴整体上升或者下降。上下联轴器分别与内轴、外轴固定连接。下支撑盘通过轴承与下转动盘连接，可相对于旋转轴整体上升或者下降，通过下转动盘上的下固定板、下固定件带动下变距摇杆运动。下变距摇杆与下桨叶转动件铰接。下桨叶固定件固定于下联轴器上。下桨叶转动件连接桨叶，可相对于下桨叶固定件转动。这样，一对下桨叶便完成了对桨距角的改变（同时增大或者同时减小）。同理，上支撑盘在上下盘连接棒的带动下随下支撑盘整体上升或者下降，使上桨叶操纵部件完成相同的动作，一对上桨叶随之实现桨距角的相同变化。因此，旋 翼飞行器的拉力大小可被改变。

驱动左右两个电机同向等速旋转，两个电机分别带动各自连接的转动杆转动，使得下支撑盘相对于旋转轴倾斜，通过下支撑板、下固定件，带动下变距摇杆运动。下桨叶固定件固定于下联轴器上。下桨叶转动件连接桨叶，相对于下桨叶固定件转动。由于下支撑盘发生相对于旋转轴的倾斜，其左右两侧的下变距摇杆发生反向运动，因此一对下桨叶的旋转方向相反。在上下盘连接棒的作用下，上浆叶操纵部件完成与下桨叶操纵部件相同的动作，一对上桨叶也进行方向相反的旋转。旋翼的上、下桨 盘相对于旋转轴完成了向某一方向的倾斜，即拉力作用线发生改变，飞行器的飞行方向也随之发生改变。考虑到共轴双旋翼桨叶扭转和折叠翼安装的角度要求，该桨叶操纵机构应该具有较大的角度变化范围。1