專利名稱：往復(fù)槳的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種以發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)飛機(jī)和船舶的裝置，特別是驅(qū)動(dòng)飛機(jī)和船舶的槳或翼。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的各種螺旋槳飛機(jī)、直升機(jī)和機(jī)動(dòng)船舶，都是采用作圓周運(yùn)動(dòng)的螺旋槳。螺旋槳有許多優(yōu)點(diǎn)，但公認(rèn)它的驅(qū)動(dòng)效率比起鳥和昆蟲的撲翼來還有很大的差距。
撲翼飛行是一種用翼(也可說是一種往復(fù)槳)驅(qū)動(dòng)的飛行，但一般認(rèn)為，采用撲翼方式飛行的載人飛行器，現(xiàn)階段在技術(shù)上難以實(shí)現(xiàn)(《世界飛機(jī)100年》，譚昭武、沈美珍、孟鵲鳴，國防工業(yè)出版社，2003)。目前在載人撲翼飛行器方面做得最好的是加拿大多倫多大學(xué)的一個(gè)研發(fā)小組，1999年他們做的全尺寸樣機(jī)可用撲翼的方式在跑道上加速到每小時(shí)50多英里，并能跳動(dòng)幾下，不過到現(xiàn)在仍未能飛行(The Development and Testing of a Full-Scale Ornithopter，Canadian Aeronautics and Space Journal，june 1999)。

發(fā)明內(nèi)容
為了獲得比現(xiàn)有的螺旋槳更高的驅(qū)動(dòng)效率，以及探索新的飛機(jī)和船舶的驅(qū)動(dòng)方式，本發(fā)明提供一種往復(fù)槳。
往復(fù)槳由槳軸(1)、槳桿(2)、槳肋(3)和槳面(4)組成(如圖1)，這四者處于同一個(gè)平面內(nèi)，其中槳桿、槳肋、槳面的總和稱為“槳葉”；槳軸(1)平行于驅(qū)動(dòng)方向V；槳桿(2)不必是直桿，安裝于槳軸上(如圖2、3、4)，可像搖桿一樣繞槳軸擺動(dòng)或隨槳軸一起繞槳軸的軸線擺動(dòng)；槳桿(2)在擺動(dòng)的方向上有較好的彈性，而在平行于槳軸的方向上具有較好的剛性；槳肋(3)為比槳桿細(xì)得多的桿，在橫向上具有較好的彈性，固定于槳桿(2)上，使槳肋(3)位于槳桿上背向驅(qū)動(dòng)方向的一側(cè)，或使槳肋(3)的大部分位于槳桿上背向驅(qū)動(dòng)方向的一側(cè)(如圖8、9)；槳肋(3)的末梢大體指向驅(qū)動(dòng)方向的反方向；槳肋的數(shù)量不限，以能穩(wěn)固地支撐槳面為宜；槳面(4)為輕而薄、不透氣的彈性材料，緊附槳桿(2)和槳肋(3)上，繃平；槳葉可以是兩個(gè)、三個(gè)或多個(gè)，圍繞槳軸(1)圓周對(duì)稱布置(如圖5、6、7)，它們的形狀應(yīng)是完全相同的，且它們之間的相對(duì)位置是固定的；槳桿(2)作擺動(dòng)時(shí)，由于槳肋(3)和槳面(4)裝于槳桿上背向驅(qū)動(dòng)方向的一側(cè)(如圖8、9)，流體將使槳面產(chǎn)生“后翹式”(以驅(qū)動(dòng)方向?yàn)榍?，以槳桿擺動(dòng)方向的反方向?yàn)樯?扭曲，而這扭曲的槳面又作用于流體，從而使往復(fù)槳獲驅(qū)動(dòng)力(槳面拍擊流體的一面為推力，另一面為拉力)。
往復(fù)槳槳桿的擺角應(yīng)小于或等于180°。
根據(jù)需要，往復(fù)槳的槳肋也可省去，直接在槳桿上安裝槳面。
槳桿、槳肋，或槳桿、槳肋、槳面，也可用同一種材料做成一個(gè)整體的，也可彼此之間沒有明顯的界限，彼此的形狀輪廓之間是平緩過渡的。
槳桿和槳肋宜采用高比強(qiáng)度、低比彈性模量的材料，如玻璃鋼之類的復(fù)合材料；槳面宜采用輕而薄的彈性材料，如不透氣的高強(qiáng)纖維布。
一般情況下，往復(fù)槳槳桿的正向擺動(dòng)和反向擺動(dòng)是對(duì)稱的，或說正向擺動(dòng)和反向擺動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性是完全一樣的；當(dāng)槳桿處于一半擺角的位置時(shí)，該位置稱為平衡位置。對(duì)于只有兩片槳葉的往復(fù)漿，一般將兩片槳葉處于同一高度時(shí)的位置設(shè)置為平衡位置，并將這樣的位置稱為水平位置。從理論上說，槳桿的平衡位置對(duì)獲得驅(qū)動(dòng)力沒有什么影響。
以上介紹的往復(fù)槳，不管槳葉有多少，所有的槳葉都是繞同一根軸擺動(dòng)的，因此稱為“單軸往復(fù)槳”。有時(shí)為了某些特殊的需要，也可把往復(fù)槳做成雙軸的，具體有“雙軸蹺蹺板往復(fù)槳”和“雙軸錯(cuò)位蹺蹺板往復(fù)槳”，它們的槳葉部分與單軸往復(fù)槳完全一樣，只是兩片槳葉分別安裝在平行的兩根軸上。雙軸往復(fù)槳的技術(shù)方案參看本“發(fā)明內(nèi)容”的最后部分。
下面簡單介紹往復(fù)槳產(chǎn)生推力和拉力的原理。
單看往復(fù)槳的一片槳葉，它的構(gòu)造和工作過程都很像一只鳥或昆蟲或蝙蝠的翅膀。
為簡明起見，我們以一個(gè)驅(qū)動(dòng)飛機(jī)、其槳葉的平面形狀為矩形的往復(fù)槳為例子。如圖10，在靜止的矩形往復(fù)槳(長為L，寬為B)的一片槳葉上建立一個(gè)三維坐標(biāo)，以槳桿與槳軸的結(jié)合處為原點(diǎn)，使Y軸的正方向與驅(qū)動(dòng)方向相反，并使X-Y平面與槳桿和槳軸構(gòu)成的平面重合(也即X-Y平面與槳葉的平面重合)。我們?cè)O(shè)定，當(dāng)槳桿繞槳軸擺動(dòng)時(shí)，三維坐標(biāo)以同樣的角速度繞Y軸擺動(dòng)?，F(xiàn)在來觀察在槳面上x，y處的一小塊面積ΔxΔy的情況。
圖11，當(dāng)槳桿順時(shí)針擺動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)槳面與空氣產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，空氣對(duì)槳面的作用力使槳肋受到彎矩的作用；槳肋將受到的彎矩傳遞給槳桿，使槳桿發(fā)生彎曲變形和扭曲變形。槳桿的彎曲變形，使得ΔxΔy相對(duì)于靜止時(shí)向Z方向產(chǎn)生了位移z1；而槳桿的扭曲變形，和槳肋因受到彎矩所發(fā)生的彎曲變形，使得ΔxΔy相對(duì)于靜止時(shí)向Z方向產(chǎn)生了位移z2。關(guān)于槳桿的彎曲變形和z1的意義和作用，我們將在后面介紹，這里我們暫時(shí)只關(guān)注z2的意義和作用。
圖12是以一個(gè)平行于Y-Z的平面在圖11中ΔxΔy所在之處截取的圖形。v為ΔxΔy相對(duì)于空氣的運(yùn)動(dòng)速度。z2的出現(xiàn)，使槳面與Y軸之間產(chǎn)生了夾角θ，這就是前面提到的“后翹”；顯然，θ是隨著y的增大而增大的。由于θ的存在，空氣對(duì)ΔxΔy的作用力就產(chǎn)生了沿Y軸反方向的分力FY，這就是往復(fù)槳獲得的驅(qū)動(dòng)力。請(qǐng)注意，F(xiàn)Y是由兩部分組成的一是ΔxΔy拍擊空氣的一面(稱下面)，對(duì)空氣進(jìn)行擠壓，產(chǎn)生的是推力；二是ΔxΔy另一面(稱上面)，對(duì)空氣進(jìn)行抽吸，產(chǎn)生的是拉力。
同理，當(dāng)往復(fù)槳逆時(shí)針擺動(dòng)時(shí)，也同樣要獲得驅(qū)動(dòng)力。
以上的分析，實(shí)際上也解釋了飛行動(dòng)物的翅膀是如何獲得驅(qū)動(dòng)力的。
下面，對(duì)往復(fù)槳槳葉的合理的形狀進(jìn)行分析。
根據(jù)流體力學(xué)原理，ΔxΔy受到的流體的驅(qū)動(dòng)力FY可表示為ΔFY＝CY(1/2)ρv2ΔxΔy(1)其中，CY為無量綱待定系數(shù)，ρ為流體密度。
我們可認(rèn)為，F(xiàn)Y與θ成正比；又由于θ是隨著y的增大而增大的，所以可認(rèn)為ΔFY與y成正比。于是(1)式可寫成ΔFY＝DY(1/2)ρv2yΔxΔy (2)其中DY為待定系數(shù)，單位為米-1。
同樣，ΔxΔy上產(chǎn)生的阻止往復(fù)槳運(yùn)動(dòng)的阻力FZ也可表示為ΔFZ＝CZ(1/2)ρv2ΔxΔy(3)
CZ為無量綱待定系數(shù)。
θ的增大意味著ΔxΔy運(yùn)動(dòng)的幅度有所增加，由于往復(fù)槳擺動(dòng)的頻率和擺角不變，這就意味著ΔxΔy運(yùn)動(dòng)的速度有所增加，所以，阻力FZ也是隨著θ的增大而有所增大的，也即是隨著y的增大而有所增大的?？蓪?3)式改寫為ΔFZ＝DZ(1/2)ρv2(1+dy)ΔxΔy(4)其中，DZ和d為無量綱待定系數(shù)。
ΔFZ所形成的阻力矩ΔNZ為ΔNZ＝ΔFZx＝DZ(1/2)ρv2·x(1+dy)ΔxΔy (5)不難看出，ΔFY/ΔNZ反映了ΔxΔy上產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力的效率付出單位阻力矩所獲得的驅(qū)動(dòng)力。從(2)式和(5)式可得ΔFY/ΔNZ＝(DYy)/[DZx(1+dy)] (6)為使往復(fù)槳既有足夠的驅(qū)動(dòng)力，又有一定的效率，ΔFY/ΔNZ應(yīng)不小于我們所期待的某個(gè)值a，即(ΔFY/ΔNZ)≥a (7)將(7)式代入(6)式，有y≥(aDZx)/(DY-aDZdx) (8)(8)式是一個(gè)非常重要的關(guān)系式，它規(guī)定了往復(fù)槳的前緣(即槳桿)的走向。就一個(gè)具體的往復(fù)槳來說，我們可認(rèn)為DZ、DY和d均為常數(shù)，于是(8)式就可寫成y≥x/(e1-e2x)(9)e1、e2均為常數(shù)。
不難看出，y＝x/(e1-e2x)是一條y隨著x的增大而增大的曲線，如果我們?cè)O(shè)定限制條件當(dāng)x＝L時(shí)，y＝B，就可看到y(tǒng)＝x/(e1-e2x)是一條走向與直線y＝(B/L)x大體相同、但在該直線之下并向下凹的曲線，如圖13。將圖13中槳面的形狀稱為后掠三角形，于是可得出結(jié)論高效的往復(fù)槳的槳葉的平面形狀應(yīng)為后掠三角形。各種飛行動(dòng)物的翅膀的形狀與這一結(jié)論吻合。雖然有的鳥翼的平面形狀如圖14，這也與前面的結(jié)論不矛盾，因?yàn)轼B翼腕關(guān)節(jié)以內(nèi)的部分產(chǎn)生(圖中陰影部分，稱為主部)的驅(qū)動(dòng)力和阻力矩都很小——運(yùn)用前面的(2)、(4)式就可算出，它們的主要作用是傳遞撲翼的動(dòng)力和像固定翼一樣產(chǎn)生升力，提供驅(qū)動(dòng)力的主要是鳥翼腕關(guān)節(jié)以外的部分(稱為梢部)，這部分的平面形狀仍然是后掠三角形的。因此，把往復(fù)槳槳葉梢部的平面形狀做成后掠三角形的，也能提高往復(fù)槳的驅(qū)動(dòng)效率。
一般用“長××，寬××”來描述后掠三角形，分別表示后掠三角形在X方向和Y方向的最大長度。為了方便，在制作、計(jì)算后掠三角形槳面時(shí)，可用直線y＝(B/L)x代替曲線y＝x/(e1-e2x)；在處理梢部為后掠三角形的槳面時(shí)，也可用以直代曲的方法。
由于槳桿、槳肋具有一定的彈性，允許桿梢、肋梢在桿根、肋根改變擺動(dòng)的方向時(shí)在其質(zhì)量慣性的作用下繼續(xù)帶動(dòng)槳面、也帶動(dòng)流體朝原來的方向運(yùn)動(dòng)，桿梢、肋梢到了它們的彈性所允許的極限位置時(shí)，突然迅速地彈向相反的方向，而流體還由于慣性繼續(xù)朝原來的方向運(yùn)動(dòng)，于是槳面與流體產(chǎn)生激烈的碰撞，此時(shí)往復(fù)槳的驅(qū)動(dòng)力達(dá)到最大——這便是所謂的“鞭擊”。
鞭擊是一種能量集中釋放的形式。實(shí)踐證明，在流體中驅(qū)動(dòng)物體前進(jìn)時(shí)，如果在同樣的時(shí)間內(nèi)作同樣多的功，則能量集中釋放比能量均勻釋放有更好的驅(qū)動(dòng)效果。劃龍舟就是一個(gè)很好的例子假如劃一次槳需一秒鐘，所有的槳手不是在這一秒鐘內(nèi)同時(shí)劃一下槳，而是大家輪流地劃一下槳(做得到的話)，顯然速度要慢下來。
鞭擊的妙處還在于，利用了槳葉的質(zhì)量慣性存儲(chǔ)和釋放能量，而不是消極地僅讓槳葉的質(zhì)量徒然地消耗能量。
在圖12中我們還可看到，由于槳桿在沿驅(qū)動(dòng)力FY方向上具有較好的剛性，槳肋在沿驅(qū)動(dòng)力FY的方向(即槳肋的縱向)上顯然也是剛性的，因此槳桿和槳肋可不加緩和地把驅(qū)動(dòng)力FY全部都通過桿根傳給機(jī)身或船身，使往復(fù)槳的鞭擊在前進(jìn)的方向上收到較好的沖擊效果。從這里我們看到了使“槳桿在擺動(dòng)的方向上有較好的彈性，而在平行于槳軸的方向上具有較好的剛性”的目的既緩和對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)身(船身)不利的沖擊力，又有效地傳遞有用的驅(qū)動(dòng)力。當(dāng)然，槳肋、槳面沿?cái)[動(dòng)方向的變形也有緩和槳面載荷對(duì)機(jī)身和發(fā)動(dòng)機(jī)的沖擊的作用。
綜上所述，槳桿、槳肋、槳面的彈性變形是往復(fù)槳工作的關(guān)鍵，可將彈性變形的作用概括為三個(gè)方面1、使流體在槳面上形成驅(qū)動(dòng)力；2、產(chǎn)生鞭擊效果；3、緩和槳面載荷對(duì)機(jī)身和發(fā)動(dòng)機(jī)的沖擊，降低所需的發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率。
發(fā)明人曾制作了一臺(tái)用往復(fù)槳驅(qū)動(dòng)的載人小車，以測試往復(fù)槳在空氣中的驅(qū)動(dòng)力。采用的是一臺(tái)二沖程的125摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)，最大功率8.8千瓦。該載人小車的自重依所使用的往復(fù)槳的不同而在160～213公斤之間。從2005年5月2日至2005年7月22日之間，在湖南湘潭某學(xué)校進(jìn)行了多次的往復(fù)槳空氣驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)。試驗(yàn)的情況如下1、采用4對(duì)槳葉往復(fù)槳，雙軸錯(cuò)位蹺蹺板式布置。槳桿為25mm×38mm×1.5mm的鋁方管，長3米；槳肋采用直徑8mm的圓竹條；槳面為長3.0米、寬0.5米的矩形，材料為防雨綢。擺角91.2°，頻率0.8Hz。只獲得了很小的驅(qū)動(dòng)力。
2、采用2對(duì)槳葉往復(fù)槳，雙軸錯(cuò)位蹺蹺板式布置。槳桿為25mm×38mm×1.5mm的鋁方管，長3米；槳肋采用直徑8mm的圓竹條；槳面為長3.0米、寬0.5米的矩形，材料為防雨綢。擺角91.2°，頻率1.1Hz。只獲得了很小的驅(qū)動(dòng)力。
3、采用1對(duì)槳葉雙軸蹺蹺板往復(fù)槳。槳桿為杉木，長2.75米，根部的截面為40mm×60mm，尾部的截面為15mm×30mm；槳肋采用截面為直徑5mm的圓竹條；槳面為長2.75米、寬0.5米的矩形；槳面材料為防雨綢；擺動(dòng)角91.2°，頻率1.2Hz。測得產(chǎn)生了大約7公斤的驅(qū)動(dòng)力。
4、采用1對(duì)槳葉單軸往復(fù)槳。槳桿為杉木，長3.0米，根部的截面為90mm×50mm，尾部的截面為30mm×30mm；槳肋采用截面為10mm×10mm的竹條；槳面為長3.0米、寬1.10米的矩形，槳面的材料為防雨綢；擺角75.0°，頻率0.9Hz。測得產(chǎn)生了大約14公斤的驅(qū)動(dòng)力。
5、采用1對(duì)槳葉單軸往復(fù)槳。槳桿為杉木，長2.0米，根部的截面為90mm×50mm，尾部的截面為30mm×30mm；槳肋采用截面為10mm×10mm的竹條；槳面為長2.0米、寬0.80米的矩形，槳面的材料為防雨綢；擺角64.0°，頻率2.1Hz。測得產(chǎn)生了大約11公斤的驅(qū)動(dòng)力。
6、采用1對(duì)槳葉單軸往復(fù)槳。槳桿為杉木，長3.0米，根部的截面為100mm×60mm，尾部的截面為30mm×30mm；槳肋采用截面為10mm×10mm的竹條；葉面為長3.0米、寬1.40米的后掠三角形，槳面采用防雨綢；擺角64°，頻率2.1Hz。測得產(chǎn)生了大約47公斤的驅(qū)動(dòng)力。
以上試驗(yàn)均采用125摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)，最大功率8.8千瓦。
試驗(yàn)1和試驗(yàn)2只獲得很小的驅(qū)動(dòng)力的原因，是相對(duì)于槳桿較低的擺動(dòng)頻率、較短的槳肋的長度(較小的槳面寬度)來說，槳肋過于硬挺，變形太小。
根據(jù)(2)式，可推出如下的關(guān)系式FT＝CTρα2f2L3B2(10)其中FT為往復(fù)槳的一個(gè)槳葉的平均驅(qū)動(dòng)力，單位為牛頓；CT為往復(fù)槳驅(qū)動(dòng)力系數(shù)，單位為米-1，可通過試驗(yàn)確定；ρ為空氣密度，單位為公斤/米3；α為往復(fù)槳的擺角，單位為弧度；f為往復(fù)槳往復(fù)擺動(dòng)的頻率，單位為赫茲(次/秒)；L為往復(fù)槳槳桿的長度，單位為米；B為往復(fù)槳葉面的最大寬度，單位為米。
設(shè)ρ＝1.25，從上面的試驗(yàn)3、4、5中可得出，當(dāng)槳葉平面形狀為矩形時(shí)，CT≈1.21～1.53；從試驗(yàn)6中可得出，當(dāng)槳葉平面形狀為后掠三角形時(shí)，CT≈0.63。
有理由相信，在設(shè)計(jì)較佳情況下，可獲得更大的CT值。
發(fā)明人試驗(yàn)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，以及上面所運(yùn)用和所推導(dǎo)的有關(guān)公式，可幫助確定往復(fù)槳的驅(qū)動(dòng)力和所需發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，并幫助確定往復(fù)槳的其它參數(shù)。但作為具體的往復(fù)槳技術(shù)的運(yùn)用，仍需要通過有針對(duì)性的試驗(yàn)來最后確定往復(fù)槳的各項(xiàng)參數(shù)、形狀、對(duì)材料的要求、所需的功率等。
往復(fù)槳的有益效果1、在同樣的發(fā)動(dòng)機(jī)功率下，獲得的驅(qū)動(dòng)力要大于螺旋槳。在前面的試驗(yàn)6中，采用1對(duì)槳葉的空氣往復(fù)槳，獲得了大約460牛頓的驅(qū)動(dòng)力，所用的發(fā)動(dòng)機(jī)為一臺(tái)最大功率為8.8千瓦的二沖程摩托車汽油機(jī)。而用同樣的發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)普通輕型飛機(jī)的螺旋槳時(shí)，大約只能產(chǎn)生400牛頓的空氣驅(qū)動(dòng)力。
其實(shí)，加大往復(fù)槳槳桿的長度和槳面的寬度，降低往復(fù)的頻率，減小擺角，同樣的發(fā)動(dòng)機(jī)還可獲得更大的驅(qū)動(dòng)力。
往復(fù)槳的高驅(qū)動(dòng)力源于它的類似脈沖的驅(qū)動(dòng)方式和它的槳梢對(duì)流體激烈的鞭擊。
2、飛機(jī)和船舶的運(yùn)動(dòng)速度越大，驅(qū)動(dòng)的效率越高。普通螺旋槳的工作原理，是通過螺旋槳“切割流體”、在螺旋槳的前面形成低壓區(qū)，后面形成高壓區(qū)，以推動(dòng)飛機(jī)或船舶前進(jìn)，而飛機(jī)和船舶的前進(jìn)則要在螺旋槳的前面形成高壓區(qū)、后面形成低壓區(qū)，這使得螺旋槳的效率隨著飛機(jī)和船舶的速度的增大而降低。往復(fù)槳的工作原理則是通過槳面拍擊流體、在槳面的上表面和下表面(以拍擊流體的一面為下，背面為上)分別形成高壓區(qū)和低壓區(qū)來獲得驅(qū)動(dòng)力的，但由于槳面是大體平行于飛機(jī)或船舶的前進(jìn)方向的，飛機(jī)和船的速度越大，越有利于槳面拍擊時(shí)在槳面的下表面形成更高的高壓區(qū)和在槳面的上表面形成更低的低壓區(qū)，獲得更大的反作用力，驅(qū)動(dòng)效率越高。如同拿石片在水面上打水漂時(shí)，石片在水面上飛行的速度越大，石片落在(拍擊)水面時(shí)下表面受到的壓力越大、上表面受到的吸力也越大，因而反彈得越高一樣。
3、提供了探索新的載人飛行方式的可能，比如說，可探索一種“槳翼飛機(jī)”。如圖15，采用一對(duì)槳葉的往復(fù)槳，把槳葉做得機(jī)翼般大，既用來取代飛機(jī)的螺旋槳，又用來取代飛機(jī)的固定翼，所以叫“槳翼飛機(jī)”。
由公式(10)FT＝CTρα2f2L3B2可知，在槳長為L/2以內(nèi)的部分，產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力只有全部驅(qū)動(dòng)力的1/8，實(shí)際上還不到1/8，因?yàn)長/2以內(nèi)部分槳葉的變形很小，幾乎沒有鞭擊效果，所以可以把槳長的L/2左右以內(nèi)的部分當(dāng)作固定翼來對(duì)待，這一部分除了能隨整個(gè)槳擺動(dòng)外，應(yīng)按照固定翼的要求來設(shè)計(jì)如使槳面在起飛和平行飛行時(shí)有一定的正迎角，以使往復(fù)槳獲得一定的迎角升力；使這一部分內(nèi)的槳桿和槳肋有較好的剛度，以承受飛機(jī)的重量；等。槳葉的梢部平面形狀為后掠三角形。
飛機(jī)的其它部分，均采用現(xiàn)有輕型飛機(jī)的技術(shù)。
槳翼飛機(jī)的飛行方式已很接近鳥的撲翼飛行了。但必須指出，槳翼飛機(jī)與普通意義上的撲翼飛機(jī)是有重大區(qū)別的對(duì)撲翼飛機(jī)來說，承受著飛機(jī)重量的雙翼同時(shí)向下?lián)鋭?dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)承受的載荷非常大，雙翼同時(shí)向上撲動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的載荷就較小，這樣的上下?lián)鋭?dòng)會(huì)造成飛機(jī)的不穩(wěn)定，飛機(jī)控制的難度較大，發(fā)動(dòng)機(jī)需要的功率也大；而“槳翼飛機(jī)”的雙翼是“蹺蹺板”式的關(guān)系，一個(gè)機(jī)翼在向下?lián)鋭?dòng)時(shí)，另一個(gè)機(jī)翼向上撲動(dòng)；雙翼所承受的飛機(jī)的重量，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)來說相互抵消了，不會(huì)給發(fā)動(dòng)機(jī)增加額外的負(fù)荷；飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)比較平穩(wěn)。
4、還可探索一種類似于蜻蜓飛行的“雙撲翼飛機(jī)”，這是槳翼飛機(jī)的另一種形式。如圖16，可考慮的一種雙撲翼飛機(jī)是，采用單發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，先通過一對(duì)嚙合齒輪將發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力分成兩組轉(zhuǎn)速相同但方向相反的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；另一方面，通過平行四邊形機(jī)構(gòu)時(shí)分別使槳桿1和槳桿4、槳桿2和槳桿3構(gòu)成“錯(cuò)位蹺蹺板”式的關(guān)系(如圖17、18)；再分別用鏈傳動(dòng)和鏈減速，用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)將前述的兩組旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為兩組“錯(cuò)位蹺蹺板”的對(duì)稱的往復(fù)擺動(dòng)，并使這兩組擺動(dòng)具有相同的擺角和頻率，但擺動(dòng)方向相反，槳桿的平衡位置為水平位置；這樣，槳桿1和槳桿4、槳桿2和槳桿3就分別構(gòu)成了兩組往復(fù)槳。調(diào)整兩組“蹺蹺板”，使槳桿1和槳桿2、槳桿3和槳桿4作相對(duì)的運(yùn)動(dòng)，于是兩組往復(fù)槳的工作，看起來就像一前一后兩對(duì)撲動(dòng)方向正好相反的撲翼。由于4片槳葉的長度和面積大體相當(dāng)；所以槳葉所承受的飛機(jī)的重量幾乎不會(huì)給發(fā)動(dòng)機(jī)增加額外的負(fù)荷，飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)也比較平穩(wěn)。
圖17是關(guān)于如何使槳桿1和槳桿4、槳桿2和槳桿3構(gòu)成“錯(cuò)位蹺蹺板”關(guān)系的。先看槳桿1和槳桿4槳桿1和搖桿9都固接于槳軸5上；槳桿4和搖桿10都固接于空心槳軸14上，而空心槳軸14套于槳軸6上，可繞槳軸6轉(zhuǎn)動(dòng)；槳軸5與槳軸6相互平行；連桿12連接搖桿9和搖桿10；槳軸5和槳軸6的軸心的連線的長度與連桿12的長度相等，搖桿9的長度與搖桿10的長度相等，這四者構(gòu)成平行四邊形(參見圖18)，使得槳1桿與槳桿4構(gòu)成“蹺蹺板”關(guān)系一槳向下運(yùn)動(dòng)時(shí)另一槳就向上運(yùn)動(dòng)。由于槳桿1與槳桿4的位置是錯(cuò)開的，所以稱為“錯(cuò)位蹺蹺板”。槳桿2和槳桿3也是這樣。
槳面的梢部為后掠三角形。
與槳翼飛機(jī)一樣，槳的L/2以內(nèi)的部分的主要作用相當(dāng)于固定翼，這一部分除了能隨整個(gè)槳擺動(dòng)外，應(yīng)按照固定翼的要求來設(shè)計(jì)如在起飛和平行飛行時(shí)使槳面有一定的正迎角，以使往復(fù)槳獲得一定的迎角升力；使這部分內(nèi)的槳桿和槳肋有較好的剛度，以承受飛機(jī)的重量；等。
飛機(jī)的其它部分，均采用現(xiàn)有輕型飛機(jī)的技術(shù)。
說到“雙軸錯(cuò)位蹺蹺板往復(fù)槳”，還有一種類似的“雙軸蹺蹺板往復(fù)槳”雙軸上構(gòu)成蹺蹺板關(guān)系的兩片槳葉的位置不是錯(cuò)開的，而是正相對(duì)的。在圖19中，1、2為槳桿，3、4為軸，5、6為空心槳軸，7、8為搖桿，9、10為銷子，11為連桿；槳桿1和搖桿7固定在空心槳軸5上，槳桿2和搖桿8固定在空心槳軸6上，空心槳軸5和6分別套在軸3和軸4上，并可分別繞軸3和軸4轉(zhuǎn)動(dòng)；空心槳軸5和空心槳軸6的軸心的連線的長度與連桿11的長度相等，搖桿7的長度與搖桿8的長度相等，這四者構(gòu)成平行四邊形(可參考圖18)，使得槳桿1與槳桿2構(gòu)成“蹺蹺板”關(guān)系，一槳向下運(yùn)動(dòng)另一槳就向上運(yùn)動(dòng)。
圖20是另一種“雙軸蹺蹺板往復(fù)槳”1、2為槳桿，3、4為槳軸，5、6為支承軸承，7、8為搖桿，9、10為銷子，11為連桿；槳桿1和搖桿7固定在槳軸3上，槳桿2和搖桿8固定在槳軸4上；槳軸3和槳軸4的軸心的連線的長度與連桿11的長度相等，搖桿7的長度與搖桿8的長度相等，這四者構(gòu)成平行四邊形(可參考圖18)，使得槳桿1與槳桿2構(gòu)成“蹺蹺板”關(guān)系，一槳向下運(yùn)動(dòng)另一槳就向上運(yùn)動(dòng)。


圖1是往復(fù)槳的構(gòu)造圖，其中1為槳軸，2為槳桿，3為槳肋，4為槳面，V為飛機(jī)或船舶的前進(jìn)方向；圖2是槳桿以90°安裝于槳軸的示意圖；圖3是槳桿以大于90°安裝于槳軸的示意圖；圖4是槳桿以小于90°安裝于槳軸的示意圖；圖5是兩片槳葉在槳軸上的安裝示意圖；圖6是3片槳葉在槳軸上的安裝示意圖；圖7是4片槳葉在槳軸上的安裝示意圖；圖8是槳肋安裝于槳桿上背向前進(jìn)方的一側(cè)示意圖，V為驅(qū)動(dòng)方向；圖9是槳肋的大部分位于槳桿上背向前進(jìn)方向的一側(cè)示意圖，V為驅(qū)動(dòng)方向；圖10是在往復(fù)槳上建立三維坐標(biāo)的示意圖；圖11是往復(fù)槳運(yùn)動(dòng)時(shí)，槳桿、槳肋、槳面變形的示意圖；圖12是圖11的截面圖，解釋驅(qū)動(dòng)力的產(chǎn)生；圖13是后掠三角形的往復(fù)槳槳葉示意；圖14是梢部為后掠三角形的往復(fù)槳槳葉示意圖；圖15是槳翼飛機(jī)示意圖；圖16是雙撲翼飛機(jī)的機(jī)翼示意圖，其中1、2、3、4為槳桿，也代表槳；圖17是關(guān)于圖16中，槳1和槳4、槳2和槳3構(gòu)成“錯(cuò)位蹺蹺板”關(guān)系的示意圖，其中1、2、3、4為槳桿，5、6為槳軸，7、8、9、10為搖桿，11、12為連桿，13、14為空心槳軸，15、16、17、18為銷子；圖18是從圖17的下方觀察時(shí)的情形，使兩槳構(gòu)成“錯(cuò)位蹺蹺板”式的關(guān)系的平行四邊形機(jī)構(gòu)；
圖19是一種“雙軸蹺蹺板”往復(fù)槳示意圖，1、2為槳桿，3、4為軸，5、6為空心槳軸，7、8為搖桿，9、10為銷子，11為連桿；圖20是另一種“雙軸蹺蹺板”往復(fù)槳示意圖，1、2為槳桿，3、4為槳軸，5、6為支承軸承，7、8為搖桿，9、10為銷子，11為連桿。
圖21是實(shí)施例中關(guān)于槳桿和槳肋的尺寸及形狀的示意圖。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例用往復(fù)槳代替普通的螺旋槳來驅(qū)動(dòng)固定翼輕型飛機(jī)，即“往復(fù)槳飛機(jī)”。
采用一個(gè)單軸兩葉的往復(fù)槳，將其像普通螺旋槳一樣置于飛機(jī)的頭部或飛機(jī)的頂部，當(dāng)置于飛機(jī)的頂部時(shí)，應(yīng)注意不要與固定翼發(fā)生沖突。
由于往復(fù)槳的驅(qū)動(dòng)方向與往復(fù)槳的槳軸重合，所以要認(rèn)真確定槳軸的軸線與飛機(jī)固定翼的平面之間的夾角。
用鏈傳動(dòng)和鏈減速，通過曲柄搖桿機(jī)構(gòu)將發(fā)動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為槳軸的對(duì)稱的往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)(即往和復(fù)的轉(zhuǎn)動(dòng)完全對(duì)稱)；槳桿固定于槳軸上，隨槳軸的往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)而作往復(fù)擺動(dòng)，擺角為66°，擺動(dòng)頻率為2.2Hz，槳桿的平衡位置為水平線。
往復(fù)槳要產(chǎn)生顯著的升力，這是它與螺旋槳又一個(gè)重大不同之處，在飛機(jī)設(shè)計(jì)中要將這一因素考慮進(jìn)去。在沒有關(guān)于往復(fù)槳的升力的試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，可假定往復(fù)槳單位面積上的升力與固定翼單位面積上的升力相等。
往復(fù)槳的葉面為長3米、寬1.4米的后掠三角形。
槳桿和槳肋用玻璃鋼來制作，最好是把槳桿和槳肋做成一個(gè)整體，具體的尺寸見圖21。圖21中1為槳軸，2為槳桿，3為槳肋；A為槳桿根部的截面，40mm×20mm的橢圓；B為槳桿梢部的截面，20mm×10mm的橢圓；C為最靠近槳桿根部的那根槳肋的根部的截面，直徑為20mm的圓；D為最靠近槳桿末梢的那根槳肋的根部的截面，直徑為10mm的圓；其它槳肋根部的直徑按比例處于20mm與10mm之間；E為槳肋末梢的截面，直徑為8mm的圓。
靠近槳桿根部一帶的槳肋之所以粗一些，是為了抵抗往復(fù)槳承受的升力對(duì)槳肋形成的彎矩。
槳面應(yīng)緊繃在槳肋和槳桿上，材料可用高強(qiáng)防雨綢。
此往復(fù)槳大約可產(chǎn)生500牛頓的驅(qū)動(dòng)力。
采用10千瓦左右的輕型汽油機(jī)。
飛機(jī)的其它部分，均采用現(xiàn)有輕型飛機(jī)的技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種以發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的、用于驅(qū)動(dòng)載人或不載人的飛機(jī)或船舶的槳，其特征是不是作整周的轉(zhuǎn)動(dòng)，而是在小于或等于半周的范圍內(nèi)作往復(fù)擺動(dòng)；這種槳由槳軸(1)、槳桿(2)、槳肋(3)和槳面(4)組成，這四者處于同一個(gè)平面內(nèi)；槳軸(1)與驅(qū)動(dòng)方向平行；槳桿(2)不必是直桿，安裝于槳軸上，可像搖桿一樣繞槳軸擺動(dòng)或隨槳軸一起繞槳軸的軸線擺動(dòng)；槳桿(2)在擺動(dòng)的方向上有較好的彈性，而在平行于槳軸的方向上具有較好的剛性；槳肋(3)在橫向上具有較好的彈性，安裝于槳桿(2)上，使槳肋(3)位于槳桿上背向驅(qū)動(dòng)方向的一側(cè)，或使槳肋(3)的大部分位于槳桿上背向驅(qū)動(dòng)方向的一側(cè)；槳肋(3)的末梢大體指向驅(qū)動(dòng)方向的反方向；槳面(4)為輕而薄、不透氣的彈性材料，緊附槳桿(2)和槳肋(3)上，繃平；槳桿(2)作擺動(dòng)時(shí)，流體使槳面產(chǎn)生“后翹式”扭曲，而這扭曲的槳面又作用于流體，從而使往復(fù)槳獲得驅(qū)動(dòng)力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的往復(fù)擺動(dòng)的槳，其特征是只有一根槳軸，由槳桿、槳肋、槳面組成的槳葉可以是兩個(gè)、三個(gè)或多個(gè)，圍繞槳軸圓周對(duì)稱布置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的往復(fù)擺動(dòng)的槳，其特征是往復(fù)槳的兩片槳葉安裝在平行的兩根槳軸上，此兩片槳葉的位置是正相對(duì)的、并構(gòu)成“蹺蹺板”式的關(guān)系。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的往復(fù)擺動(dòng)的槳，其特征是往復(fù)槳的兩片槳葉安裝在平行的兩根槳軸上，此兩片槳葉的位置是錯(cuò)開的、并構(gòu)成“蹺蹺板”式的關(guān)系。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的往復(fù)擺動(dòng)的槳，其特征是沒有槳肋，漿面直接安裝在槳桿上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的往復(fù)擺動(dòng)的槳，其特征是槳桿、槳肋，或槳桿、槳肋、槳面，都用同一種材料制造。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的往復(fù)擺動(dòng)的槳，其特征是槳桿、槳肋，或槳桿、槳肋、槳面，溶為一體，彼此的形狀輪廓之間平緩過渡，沒有明顯的分界。
8.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的往復(fù)擺動(dòng)的槳，其特征是槳葉的平面形狀為后掠三角形，或槳葉的梢部的平面形狀為后掠三角形。
全文摘要
往復(fù)槳，驅(qū)動(dòng)效率高于普通螺旋槳，其特點(diǎn)是使用彈性材料制作槳桿、槳肋和槳面，并使這三者構(gòu)成的槳葉在小于或等于180°的范圍內(nèi)作往復(fù)擺動(dòng)，依靠槳面的“后翹式”扭曲和槳面梢部的鞭擊作用，為飛機(jī)或船舶提供驅(qū)動(dòng)力。
文檔編號(hào)B64C27/32GK1904391SQ200510088349
公開日2007年1月31日 申請(qǐng)日期2005年7月25日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月25日
發(fā)明者邵躍波 申請(qǐng)人:邵躍波, 張彥