專利名稱：主動(dòng)螺旋槳旋翼穩(wěn)定系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請(qǐng)大體上涉及一種飛機(jī)的推進(jìn)系統(tǒng)，其可操作用于至少一種直升機(jī)飛行模式。本申請(qǐng)?zhí)貏e適用于傾斜旋翼飛機(jī)領(lǐng)域，其既可以操作用于飛機(jī)飛行模式也可以操作用于直升機(jī)飛行模式。
背景技術(shù)：
直升飛機(jī)和傾斜旋翼飛機(jī)的控制系統(tǒng)為復(fù)雜的電子和/或機(jī)械系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)響應(yīng)于飛行員的輸入，但是還必須提供作用于旋翼組件上的動(dòng)力，這通常不在飛行員的控制范圍之內(nèi)。機(jī)械控制系統(tǒng)典型地包括傾斜盤配置，其由靜止部分和旋轉(zhuǎn)部分組成。典型地，下方的靜止部分固定在某一位置上并且不會(huì)旋轉(zhuǎn)，但是具有上下移動(dòng)和/或以任意給定方向傾斜的能力。這通常被稱為“靜止”或“非旋轉(zhuǎn)”盤。飛行員的輸入通過集中控制改變靜止盤的垂直位置，并且通過循環(huán)控制使靜止盤傾斜。傾斜盤配置的旋轉(zhuǎn)部分可以自由旋轉(zhuǎn)。當(dāng)然，飛行員向非旋轉(zhuǎn)部分發(fā)出的輸入經(jīng)過控制系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)部分。旋轉(zhuǎn)部分典型地機(jī)械地連接到每個(gè)單獨(dú)的旋翼葉片 。例如，在一種類型的控制系統(tǒng)中，俯仰連桿連接到由旋翼葉片承載的俯仰操縱桿，由此允許旋轉(zhuǎn)盤改變每個(gè)旋翼葉片的葉片角度。然而，在控制系統(tǒng)中包含一個(gè)子系統(tǒng)也是必須的，其可以盡可能地減小搖擺角度。在現(xiàn)有技術(shù)中，有兩種基本方法:一種是使用△ 3鉸鏈；另一種是使用偏置的俯仰操縱桿。在傾斜旋翼飛機(jī)中，尤其重要的是消除翻轉(zhuǎn)的不利影響，特別是在飛機(jī)飛行模式中，飛機(jī)以非常高的速度移動(dòng)的情況下。在一些情況下，過度的翻轉(zhuǎn)和/或其它由旋翼葉片施加的力能夠在機(jī)翼上產(chǎn)生不利的力，可能導(dǎo)致飛機(jī)失靈。盡管旋翼系統(tǒng)的控制力領(lǐng)域已經(jīng)有了巨大的進(jìn)步，仍然存在許多缺點(diǎn)。


被認(rèn)為是本申請(qǐng)的特性的新穎特征在所附的權(quán)利要求中進(jìn)行描述。然而，本申請(qǐng)自身，其應(yīng)用的優(yōu)選模式，以及進(jìn)一步的目標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)將參照下面的詳細(xì)描述并結(jié)合附圖獲得最好的理解，其中:圖1，2和3描繪了本申請(qǐng)的具有傾斜旋翼組件的飛機(jī)的一個(gè)實(shí)施例；圖4為本申請(qǐng)的一個(gè)替代的實(shí)施例，其為一種具有改進(jìn)的控制系統(tǒng)的傳統(tǒng)的直升飛機(jī)；圖5為用于旋翼組件的一種機(jī)械控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)化圖示；圖6，7A，7B，7C和7D為現(xiàn)有技術(shù)的用于減小旋翼組件翻轉(zhuǎn)的方法的簡(jiǎn)化控制圖示；圖8A為機(jī)翼/吊掛架/旋翼組件的響應(yīng)的簡(jiǎn)化圖示；圖8B為圖8A的簡(jiǎn)化圖示，描繪出根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例的控制系統(tǒng)；圖9描繪出螺旋槳旋翼的氣動(dòng)彈性不穩(wěn)定性的起因；
圖1OA和IOB為在具有傾斜旋翼組件的小型飛機(jī)上測(cè)量的頻率，阻尼，以及空速的圖示；圖11為控制系統(tǒng)中Λ 3角度效果的簡(jiǎn)化圖示；圖12為Λ 3角度效果在傾斜旋翼飛機(jī)的氣動(dòng)穩(wěn)定性上的圖示；并且圖13為控制由傾斜旋翼飛機(jī)的旋翼系統(tǒng)引起的反向機(jī)翼運(yùn)動(dòng)的方法的流程圖
/Jn ο雖然本申請(qǐng)的系統(tǒng)和方法可以具有各種變形和替代形式，其具體的實(shí)施方式通過圖中的例子示出并且在這里進(jìn)行詳細(xì)的描述。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是這里對(duì)具體實(shí)施方式
的描述并不是將本申請(qǐng)限定于公開的特定實(shí)施方式，而恰恰相反，其目的是為了覆蓋全部的落入由所附的權(quán)利要求所限定的本申請(qǐng)的工藝的精神和范圍之內(nèi)的變形，等同，以及替代的方案。
具體實(shí)施例方式本申請(qǐng)的系統(tǒng)和方法的說明性實(shí)施方式將在下面進(jìn)行說明。可以意識(shí)到的是在任何實(shí)際實(shí)施方式的發(fā)展中，為了實(shí)現(xiàn)開發(fā)者的具體目標(biāo)，將作出多種具體實(shí)施決定，例如服從組件相關(guān)和商業(yè)相關(guān)的約束條件，其將從一種實(shí)施方式變化到另一種。更多的，可以意識(shí)到這種發(fā)展效果可能是復(fù)雜和耗時(shí)的，但是仍然是享有本公開的益處的本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所必須經(jīng)歷的常規(guī)程序。本申請(qǐng)的系統(tǒng)克服了與傳統(tǒng)旋翼系統(tǒng)相關(guān)的缺點(diǎn)。特別是，包括控制系統(tǒng)的旋翼飛機(jī)具有一個(gè)或多個(gè)配置用于探測(cè)飛機(jī)機(jī)翼的旋轉(zhuǎn)和彎曲運(yùn)動(dòng)的傳感器，并且配置用于調(diào)整旋翼葉片以相應(yīng)地消除任何的機(jī)翼運(yùn)動(dòng)。該系統(tǒng)具有重要的優(yōu)點(diǎn)，也就是，如果沒有消除機(jī)翼運(yùn)動(dòng)，那么至少減少了在飛機(jī)飛行模式中由螺旋槳旋翼氣動(dòng)彈性不穩(wěn)定性引起的飛機(jī)機(jī)翼的失靈。本申請(qǐng)的系統(tǒng)和方法，關(guān)于其結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方法，將通過附圖并結(jié)合所附的描述被理解。這里示出了系統(tǒng)的幾種實(shí)施方式。應(yīng)當(dāng)理解的是不同實(shí)施方式的各種組件，部件，以及特征可以彼此結(jié)合在一起和/或相互交換，即使并沒有在圖中示出全部的變形和具體的實(shí)施方式，其全部位于本申請(qǐng)的范圍之內(nèi)。本申請(qǐng)涉及改進(jìn)的飛機(jī)和飛機(jī)飛行控制系統(tǒng)。更具體地，本申請(qǐng)可以用于固定機(jī)翼飛機(jī)以及旋翼飛機(jī)。旋翼飛機(jī)可以包括傳統(tǒng)的直升機(jī)，還有具有傾斜旋翼組件的飛機(jī)，例如由貝爾直升機(jī)德事隆公司(Bell Helicopter Textron, Inc.)制造并且使用“TILTR0T0R”商標(biāo)的飛機(jī)。現(xiàn)在參照附圖，其中相同的參考標(biāo)記表示在幾種視角中相應(yīng)或類似的元件，圖1，2和3示出采用本申請(qǐng)的控制系統(tǒng)的飛機(jī)。圖1描繪了一種以飛機(jī)飛行模式運(yùn)行的傾斜旋翼飛機(jī)11。機(jī)翼15，17被用于響應(yīng)于推進(jìn)器組件19，21的動(dòng)作而提升飛機(jī)主體13。如在圖1的視角中所示，推進(jìn)器組件19，21由多個(gè)旋翼葉片組成，它們?cè)诨旧蠙M向于飛機(jī)主體13的旋翼盤上旋轉(zhuǎn)。在該模式中，用于飛機(jī)飛行模式的旋翼組件19，21作為雙引擎運(yùn)行。相反地，圖3描繪處于直升機(jī)飛行模式的飛機(jī)11，其具有基本上平行于飛機(jī)主體13設(shè)置的旋翼組件19，21。在該視角，示出了吊掛架23，25。吊掛架23，25在原位旋轉(zhuǎn)以允許飛機(jī)在飛機(jī)飛行模式和直升機(jī)飛行模式之間切換。
圖2描繪了處于轉(zhuǎn)換模式的飛機(jī)11，其旋翼組件19，21在飛機(jī)飛行模式的位置和直升機(jī)飛行模式的位置之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。這種類型飛機(jī)的一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)在于其能夠以類似于直升機(jī)的方式起飛和降落，并且能夠以飛機(jī)的方式以相對(duì)很高的速度飛行。本申請(qǐng)改進(jìn)的控制系統(tǒng)被集成到例如在圖1-3中描述的傾斜旋翼飛機(jī)中，以使得飛行運(yùn)行更穩(wěn)定。這將在下面作更進(jìn)一步的詳細(xì)描述。現(xiàn)在參照?qǐng)D4，描繪了根據(jù)本申請(qǐng)的集成有本申請(qǐng)的控制系統(tǒng)的直升機(jī)。如圖所示，直升機(jī)51包括機(jī)身53和旋翼組件55。旋翼組件55限定有旋翼盤57，其基本上平行于機(jī)身53。直升機(jī)51的運(yùn)動(dòng)由旋翼推力矢量59所確定，旋翼推力矢量59由垂直分量61和向前推力分量63組成。歸結(jié)起來，旋翼推力矢量59的垂直分量61必須抵消向下拉動(dòng)機(jī)身53的總重65。直升機(jī)51向前和向后的運(yùn)動(dòng)由總旋翼推力矢量59的向前推力分量63所確定。根據(jù)本申請(qǐng)的優(yōu)選實(shí)施方式，改進(jìn)的控制系統(tǒng)被集成到直升機(jī)51中以在飛機(jī)飛行模式中穩(wěn)定飛機(jī)。本申請(qǐng)的一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)在于其允許使用較多數(shù)量的旋翼葉片，這通常用于商業(yè)飛機(jī)中。例如，在本申請(qǐng)被集成進(jìn)入旋翼飛機(jī)中時(shí)，可以使用四個(gè)，五個(gè)，六個(gè)，或更多的葉片。由于本申請(qǐng)具有最優(yōu)化的反饋系統(tǒng)以消除并不是最優(yōu)化的與△ 3位置或配置相關(guān)的不穩(wěn)定性，因此上述內(nèi)容成為可能。這種不穩(wěn)定性非常有可能在包括多于三個(gè)葉片的飛機(jī)中發(fā)生。本申請(qǐng)的這種穩(wěn)定效果將在下面進(jìn)一步詳細(xì)描述。參照?qǐng)D5，給出了用于直升機(jī)或傾斜旋翼飛機(jī)中的基本機(jī)械控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)化圖示。這種組件已知被稱為“傾斜盤控制系統(tǒng)”并且其包括非旋轉(zhuǎn)部分67和旋轉(zhuǎn)部分68。桅桿81延伸穿過旋轉(zhuǎn)和非旋轉(zhuǎn)元件67，68并且連接到多個(gè)葉片上，例如葉片83。每個(gè)葉片通過俯仰操縱桿，例如俯仰操縱桿85，以及連接件例如俯仰連桿87連接回到非旋轉(zhuǎn)元件67以及飛行員控制系統(tǒng)。槳轂87采用傳遞扭矩和推力同時(shí)允許旋翼推力矢量?jī)A斜的方式將旋翼葉片連接到桅桿81。例如，在機(jī)械系統(tǒng)中，槳轂包括有萬向軛(yoke)，但是在電子機(jī)械系統(tǒng)中其可能包括其它類型的連接。為了簡(jiǎn)化視圖，并沒有在該視圖中描繪出槳轂。圖5中以簡(jiǎn)化形式描繪的控制系統(tǒng)可以是集中控制和循環(huán)控制的組合。集中控制和循環(huán)控制都通過傾斜盤配置實(shí)現(xiàn)，并且傾斜盤的工程細(xì)節(jié)在不同的直升機(jī)設(shè)計(jì)之間發(fā)生變化。如上面所討論的，組件的上部(旋轉(zhuǎn)部分)相對(duì)于下面的靜止部分(非旋轉(zhuǎn)部分)能夠自由旋轉(zhuǎn)。提供飛行員輸入以通過集中控制改變靜止盤的垂直位置以及通過循環(huán)控制改變盤的傾斜。由于旋轉(zhuǎn)盤總是跟隨靜止盤的方向，任何對(duì)于靜止盤的飛行員輸入都被轉(zhuǎn)移到位于其上的旋轉(zhuǎn)盤上。俯仰連桿和俯仰操縱桿被用于允許旋轉(zhuǎn)盤改變每個(gè)葉片的葉片角度。向上拉動(dòng)集中桿使得傾斜盤垂直向上移動(dòng)，以使得所有葉片包含相同的葉片角度增加。類似的，向下推動(dòng)集中桿減小所有葉片的葉片角度。葉片角度的變化改變生成的總旋翼推力的大小。相應(yīng)地，集中控制的改變引起總旋翼推力的大小的變化，但是并不會(huì)改變總旋翼推力的方向?，F(xiàn)在參照?qǐng)D6，7A，7B，7C和7D，描繪了現(xiàn)有的用于降低旋翼的翻轉(zhuǎn)的方法。圖7A-7D為使用俯仰操縱桿控制翻轉(zhuǎn)的簡(jiǎn)化圖示。圖6和7A-7D為使用Λ 3鉸鏈的簡(jiǎn)化圖示。如圖3所示，葉片83可以向上或向下翻動(dòng)。葉片83通過允許向上和/或向下翻動(dòng)的翻動(dòng)鉸鏈91連接到槳轂。如圖6所示，偏置俯仰操縱桿85連接到葉片83的一個(gè)部分上。連桿87連接到俯仰操縱桿85并且通過傾斜盤(在該圖中未示出)向引航控制提供翻轉(zhuǎn)輸入。實(shí)際上，當(dāng)葉片83向上翻轉(zhuǎn)，俯仰操縱桿87與葉片的前緣的連接阻止葉片的該部分并且減小葉片角度。當(dāng)葉片83向下翻轉(zhuǎn)時(shí)反向也是如此。圖7A-7D描述了偏置俯仰操縱桿的一種替代形式，也就是使用Λ 3鉸鏈。Λ 3鉸鏈設(shè)置成相對(duì)于順槳軸呈90度之外的角度。當(dāng)葉片向上翻轉(zhuǎn)時(shí)，俯仰角自動(dòng)地減小。相反地，與順槳軸呈90度角的鉸鏈在葉片翻轉(zhuǎn)時(shí)并不會(huì)引起任何的俯仰角的差別。在圖7Α和7Β中，葉片連接到具有直角翻轉(zhuǎn)鉸鏈的旋翼槳轂上。圖7Β示出向上和向下翻轉(zhuǎn)并不會(huì)對(duì)葉片的俯仰角產(chǎn)生影響。因此，用于消除上升不對(duì)稱的升力系數(shù)的任何改變僅僅通過向上和向下翻轉(zhuǎn)而發(fā)生作用。在圖7C和7D中描繪了一種替代的方式，其中翻轉(zhuǎn)鉸鏈處于不是90度角的位置。葉片向上翻轉(zhuǎn)出頁面，并且由于鉸鏈的幾何結(jié)構(gòu)使得后緣上升到高于前緣的位置。這在圖7D中清晰地示出，圖7D描繪了與俯仰角的減小相關(guān)聯(lián)的向上翻轉(zhuǎn)。這種減小有助于減小升力系數(shù)，使得葉片以較少的翻轉(zhuǎn)獲取相同的效果。當(dāng)傾斜旋翼飛機(jī)以飛機(jī)模式配置運(yùn)行時(shí)，其能夠達(dá)到非常高的空速和高度?，F(xiàn)有的傾斜旋翼飛機(jī)顯示出其可以具有高達(dá)385哩每小時(shí)(knots)的空速和高達(dá)20，000英尺的飛行高度，新出現(xiàn)的傾斜旋翼飛機(jī)設(shè)計(jì)能夠達(dá)到更高的空速。這些性能提供了超越于傳統(tǒng)的直升機(jī)的重要的益處，但是在同時(shí)，也引起了新型氣動(dòng)彈性不穩(wěn)定性的出現(xiàn)的可能性，其在傳統(tǒng)的直升機(jī)中并沒有出現(xiàn)。兩個(gè)要求最嚴(yán)格的穩(wěn)定性問題為螺旋槳旋翼氣動(dòng)彈性不穩(wěn)定性和旋翼翻轉(zhuǎn)-擺振不穩(wěn)定性。這些穩(wěn)定性問題的每一個(gè)的簡(jiǎn)要描述將在下面給出。傾斜旋翼飛機(jī)在飛機(jī)飛行模式中經(jīng)歷一種被稱為螺旋槳旋翼氣動(dòng)彈性不穩(wěn)定性的現(xiàn)象。這種不穩(wěn)定為一種不利的氣動(dòng)彈性的后果，其由于旋翼系統(tǒng)與機(jī)翼及吊掛架系統(tǒng)之間的連接而產(chǎn)生。這種不穩(wěn)定性為一種重要的設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)力，其意味著對(duì)機(jī)翼結(jié)構(gòu)剛性和吊掛架質(zhì)量特性的需求，典型地基于螺旋槳旋翼氣動(dòng)彈性穩(wěn)定性的需求。如果旋翼和機(jī)翼的設(shè)計(jì)參數(shù)沒有被正確地選取，那么螺旋槳旋翼氣動(dòng)彈性不穩(wěn)定性將限制高速傾斜旋翼的可用速度范圍。為此，需要尋求在最小化重量影響的同時(shí)最大化氣動(dòng)彈性穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)方案和控制系統(tǒng)。螺旋槳旋翼氣動(dòng)彈性不穩(wěn)定性類似于經(jīng)典的螺旋槳螺旋顫振，但是它更復(fù)雜，因?yàn)閮A斜旋翼飛機(jī)具有在螺旋槳中并沒有出現(xiàn)的翻轉(zhuǎn)自由度。旋翼的翻轉(zhuǎn)自由度引起另外的不穩(wěn)定力，可能導(dǎo)致在傳統(tǒng)螺旋槳上不可能出現(xiàn)的不穩(wěn)定性。這種不穩(wěn)定性的物理機(jī)制為在高速飛機(jī)飛行條件下傳遞給機(jī)翼/吊掛架系統(tǒng)的不穩(wěn)定旋翼剪切力。這些不穩(wěn)定旋翼剪切力作為旋翼翻轉(zhuǎn)結(jié)果而產(chǎn)生，旋翼翻轉(zhuǎn)響應(yīng)于例如強(qiáng)風(fēng)或者飛行員的操作等擾動(dòng)?，F(xiàn)在參照?qǐng)D8A，示出引起機(jī)翼111以一個(gè)或多個(gè)其自身的基本固有頻率震動(dòng)的擾動(dòng)。因?yàn)樾?13和其控制系統(tǒng)連接到機(jī)翼111和吊掛架115，機(jī)翼/吊掛架111，115的運(yùn)動(dòng)改變旋翼系統(tǒng)113的攻角并且使得旋翼系統(tǒng)113翻轉(zhuǎn)。如圖9所示，對(duì)于一種具體的旋翼設(shè)計(jì)配置，存在著一個(gè)機(jī)翼震動(dòng)頻率范圍，在該范圍內(nèi)旋翼系統(tǒng)翻轉(zhuǎn)將產(chǎn)生不穩(wěn)定的槳轂剪切力，這是負(fù)阻尼和負(fù)剛性的根源。圖8A為具有與機(jī)翼111和旋翼系統(tǒng)113可操作關(guān)聯(lián)的控制系統(tǒng)801的旋翼飛機(jī)的斜視圖?？刂葡到y(tǒng)801配置用于克服通常與由旋翼系統(tǒng)113和機(jī)翼111產(chǎn)生的擾動(dòng)相關(guān)聯(lián)的問題。尤其，控制系統(tǒng)801包括承載在機(jī)翼111上用于感測(cè)由旋翼系統(tǒng)113引起的擾動(dòng)的傳感器805，以及配置用于消除擾動(dòng)的子系統(tǒng)807，子系統(tǒng)807通過傳遞信息給與旋翼系統(tǒng)可操作關(guān)聯(lián)的一個(gè)或多個(gè)致動(dòng)器809以消除干擾，其中所述旋翼系統(tǒng)用于改變旋翼葉片的俯仰角和/或其它控制動(dòng)作。該特征大大地減少了、尤其是在某些情況下消除了由旋翼系統(tǒng)作用在機(jī)翼上的不利作用力。根據(jù)優(yōu)選的實(shí)施方式，傳感器805感測(cè)機(jī)翼的彎曲時(shí)刻并且優(yōu)選地同時(shí)布置在機(jī)翼的吸力面和壓力面上。在運(yùn)行過程中，傳感器805感測(cè)機(jī)翼在飛行過程中的彎曲動(dòng)作并且將感測(cè)到的動(dòng)作傳遞給控制子系統(tǒng)807。子系統(tǒng)807包括用于確定感測(cè)到的數(shù)據(jù)是否會(huì)對(duì)機(jī)翼111產(chǎn)生潛在的危害所必須的軟件和硬件。如果該動(dòng)作有潛在危害，那么子系統(tǒng)傳遞一個(gè)信號(hào)給一個(gè)或多個(gè)與旋翼系統(tǒng)113可操作關(guān)聯(lián)的致動(dòng)器809。致動(dòng)器809接著調(diào)整旋翼系統(tǒng)113以使得施加在機(jī)翼111上的不利作用力被減少和/或消除。可以意識(shí)到如果施加在機(jī)翼上的力會(huì)對(duì)機(jī)翼的結(jié)構(gòu)整體性造成潛在的危害，那么控制系統(tǒng)801可以配置成分別地調(diào)整每個(gè)葉片。進(jìn)而，傳感器805也可以適用于通過作用在機(jī)翼上的外部氣動(dòng)負(fù)荷和/或作用在飛機(jī)的其它部分上的外部氣動(dòng)負(fù)荷感測(cè)施加在機(jī)翼上的力?，F(xiàn)在參照?qǐng)D9，如果機(jī)翼/吊掛架以低于A點(diǎn)的頻率振動(dòng)，旋翼系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)剛性和負(fù)阻尼。來自旋翼槳轂剪切作用的負(fù)阻尼可以克服機(jī)翼/吊掛架系統(tǒng)中的固有的結(jié)構(gòu)性阻尼并且最終引起在高速向前飛行中的氣動(dòng)彈性不穩(wěn)定?，F(xiàn)在參照?qǐng)D1OA和10B，示出了小比例的傾斜旋翼氣動(dòng)彈性模型的測(cè)量曲線圖。在圖1OA中，示出頻率與空速的關(guān)系的曲線圖。在圖1OB中，示出阻尼比與風(fēng)洞空速的關(guān)系的曲線圖。如圖所示，在低空速時(shí)，旋翼系統(tǒng)可以產(chǎn)生正阻尼并且穩(wěn)定飛機(jī)，但是在高空速時(shí)，旋翼產(chǎn)生負(fù)阻尼，其最終導(dǎo)致在速度超過146哩每小時(shí)(模型比例)時(shí)產(chǎn)生不穩(wěn)定性。有幾種方案可以用于改善傾斜旋翼的氣動(dòng)彈性穩(wěn)定性。機(jī)翼/吊掛架剛性和質(zhì)量特性可被設(shè)計(jì)成最大化系統(tǒng)的穩(wěn)定性。旋翼系統(tǒng)還可以通過結(jié)合有益的旋翼調(diào)諧頻率，氣動(dòng)彈性耦合，以及通過調(diào)整旋翼控制的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行改善。另一個(gè)需要避免的不穩(wěn)定性為旋翼翻轉(zhuǎn)/擺振不穩(wěn)定性。與螺旋槳旋翼氣動(dòng)彈性不穩(wěn)定性不同，翻轉(zhuǎn)/擺振不穩(wěn)定性被限制于單獨(dú)的旋翼并且不會(huì)與機(jī)翼和吊掛架的動(dòng)力性發(fā)生明顯的相互作用。這種不穩(wěn)定性是旋翼翻轉(zhuǎn)模式頻率和旋翼面內(nèi)彎曲模式頻率結(jié)合的結(jié)果。在高速飛機(jī)飛行模式中，作用在旋翼上的氣動(dòng)力非常大并且能夠顯著地改變這兩種旋翼模式的頻率和阻尼。對(duì)于設(shè)計(jì)不正確的旋翼系統(tǒng)，這兩種旋翼模式的頻率隨著空速的提高而彼此接近。如果這種問題發(fā)生，這兩種模式將強(qiáng)烈地相互作用，并且將它們的特征混合形成兩種高度耦合模式。這兩種耦合模式中的每一種都會(huì)受到強(qiáng)烈的氣動(dòng)力的影響，然而，一種模式是穩(wěn)定而另一種模式是不穩(wěn)定的。旋翼設(shè)計(jì)參數(shù)必須被正確地選擇以避免旋翼模式的結(jié)合，防止翻轉(zhuǎn)/擺振不穩(wěn)定性的產(chǎn)生。影響氣動(dòng)彈性穩(wěn)定性的最重要的旋翼參數(shù)之一為旋翼的仰角-擺振耦合，或者Λ3角。圖11為旋翼槳轂的示意圖，其示出用在旋翼系統(tǒng)上的Λ3角。由于俯仰操縱桿的一端被傾角控制連桿所約束，并且另一端連接到翻轉(zhuǎn)葉片上，俯仰角將隨著葉片的翻轉(zhuǎn)而變化。因此，Λ 3角在旋翼翻轉(zhuǎn)和旋翼葉片俯仰之間產(chǎn)生耦合。隨著旋翼葉片向上翻轉(zhuǎn)，具有正Λ 3角的旋翼系統(tǒng)將經(jīng)歷一個(gè)俯沖的俯仰，同時(shí)具有負(fù)Λ 3角的旋翼系統(tǒng)將經(jīng)歷一個(gè)升起的俯仰。限定由Λ 3角引起俯仰角改變的公式被定義為:Λ Θ =-tan(A3) Δ β。由Λ3角引起的俯仰/翻轉(zhuǎn)耦合改變了作用在旋翼上的氣動(dòng)力，氣動(dòng)力改變了翻轉(zhuǎn)頻率。旋翼Λ3角用于在強(qiáng)風(fēng)擾動(dòng)或飛行員操作時(shí)減小旋翼翻轉(zhuǎn)振幅。這防止了過度翻轉(zhuǎn)的發(fā)生，過度翻轉(zhuǎn)可以引起高旋翼負(fù)荷和機(jī)械干擾。在一種傾斜旋翼上，△ 3角可以如圖11中所示通過相對(duì)于翻轉(zhuǎn)軸移動(dòng)俯仰操縱桿而被調(diào)整。在具有三個(gè)葉片的傾斜旋翼飛機(jī)上，Λ 3角通常設(shè)定成接近-15度的值，其提供足夠的強(qiáng)度用于翻轉(zhuǎn)衰減。Λ 3角較大的值能夠更大程度減少翻轉(zhuǎn)，但是這會(huì)使得上面描述的氣動(dòng)彈性穩(wěn)定性問題變得嚴(yán)重。Λ3角對(duì)氣動(dòng)彈性穩(wěn)定性的影響將在下面進(jìn)行描述。由于Λ3角的耦合改變了旋翼的翻轉(zhuǎn)頻率，因此其對(duì)基本的旋翼翻轉(zhuǎn)響應(yīng)特征，還有不穩(wěn)定旋翼剪切力產(chǎn)生影響。這既影響了螺旋槳旋翼氣動(dòng)彈性不穩(wěn)定性又影響了旋翼翻轉(zhuǎn)-擺振不穩(wěn)定性。關(guān)于螺旋槳旋翼氣動(dòng)彈性不穩(wěn)定問題，△ 3角很大的負(fù)值將提高圖9中所示的不穩(wěn)定旋翼槳轂剪切力的大小。負(fù)旋翼阻尼的增長(zhǎng)將減小飛機(jī)的穩(wěn)定邊界。同樣，大的正Λ3角值有益于螺旋槳旋翼穩(wěn)定性。然而，大的正Λ 3角值會(huì)引起翻轉(zhuǎn)頻率增加并且接近旋翼面內(nèi)模式頻率。這會(huì)導(dǎo)致在高速時(shí)的旋翼翻轉(zhuǎn)/擺振的不穩(wěn)定性。同樣，大的負(fù)△ 3角值能夠通過阻止這兩種旋翼模式的合并而改善旋翼的翻轉(zhuǎn)/擺振穩(wěn)定性。所選的△ 3的設(shè)計(jì)值為可接受的翻轉(zhuǎn)減少的需求，良好的螺旋槳旋翼氣動(dòng)彈性穩(wěn)定性，以及可接受的翻轉(zhuǎn)/擺振穩(wěn)定·性之間的折中值。現(xiàn)在參照?qǐng)D12，示出旋翼Λ3角與穩(wěn)定邊界的關(guān)系的曲線圖。圖12表示計(jì)算出的用于典型的高速傾斜旋翼的穩(wěn)定邊界如何隨著旋翼Λ3角的改變而變化。如圖所示，如果Λ 3角被設(shè)定成零度，穩(wěn)定性是最好的，但是由于強(qiáng)風(fēng)和操作而產(chǎn)生的旋翼翻轉(zhuǎn)響應(yīng)則不存在有益的減少。對(duì)于大的負(fù)Λ 3角值，螺旋槳旋翼氣動(dòng)彈性穩(wěn)定性會(huì)顯著地降低。在大的正Λ 3角值時(shí)，旋翼翻轉(zhuǎn)/擺振不穩(wěn)定性發(fā)生并且嚴(yán)格地限制可用的空速范圍。由此，接近于-15度的小的△ 3角值提供對(duì)于傾斜旋翼來說是翻轉(zhuǎn)控制和氣動(dòng)彈性穩(wěn)定性之間的良好的折中選擇。接下來參照?qǐng)D13，流程圖1301描繪了控制施加在飛機(jī)機(jī)翼上的不利的力的優(yōu)選的方法。尤其，該方法包括控制由旋翼系統(tǒng)施加在飛機(jī)機(jī)翼上的不利的彎曲，俯仰，和/或其它動(dòng)作的過程。方框1303示出第一過程步驟，其包括使用傳感器感測(cè)機(jī)翼運(yùn)動(dòng)。接著，傳感器將感測(cè)到的運(yùn)動(dòng)傳遞給控制子系統(tǒng)。方框1305中描述的為子系統(tǒng)確定力是否對(duì)機(jī)翼是潛在有害的。如果力是潛在有害的，那么旋翼系統(tǒng)被調(diào)整以抵消這樣的力，如方框1307所示。該特征通過對(duì)旋翼葉片和/或吊掛架進(jìn)行的俯仰，傾斜，和/或調(diào)整來實(shí)現(xiàn)。顯而易見的是上面描述和示出了具有顯著優(yōu)點(diǎn)的組件和方法。上面公開的具體實(shí)施方式
僅是示意性的，這些實(shí)施方式可以修改并且可以以對(duì)享有這里公開的教導(dǎo)的益處的本領(lǐng)域技術(shù)人員來說不同但是等效的方式實(shí)行。因此顯而易見的是上面公開的具體實(shí)施方式
可以被改變或修改，并且所有的變形都被認(rèn)為位于本申請(qǐng)的范圍和精神之內(nèi)。因此，這里尋求的保護(hù)如在描述中所提出的一樣。盡管現(xiàn)有的實(shí)施方式在上面示出，它們并不僅僅限定于這些實(shí)施方式，而是可以具有各種變化和修改而不會(huì)脫離本申請(qǐng)的精神。
權(quán)利要求
1.一種旋翼飛機(jī)，包括: 機(jī)身； 牢固地連接到機(jī)身的機(jī)翼； 樞轉(zhuǎn)地連接到機(jī)翼的旋翼系統(tǒng)，旋翼系統(tǒng)具有: 多個(gè)旋翼葉片；以及 與旋翼組件可操作關(guān)聯(lián)的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)具有: 傳感器，配置用于感測(cè)由旋翼系統(tǒng)施加在機(jī)翼上的力； 子系統(tǒng)，配置用于接收感測(cè)到的力并且確定感測(cè)到的力是否會(huì)對(duì)機(jī)翼產(chǎn)生潛在危害； 其中如果力會(huì)對(duì)機(jī)翼產(chǎn)生潛在的危害，那么控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)多個(gè)葉片的動(dòng)作。
2.按權(quán)利要求1所述的旋翼飛機(jī)，旋翼系統(tǒng)進(jìn)一步包括: 與多個(gè)旋翼葉片可操作關(guān)聯(lián)的傾斜盤，傾斜盤配置成調(diào)整多個(gè)旋翼葉片的動(dòng)作。
3.按權(quán)利要求2所述的旋翼飛機(jī)，旋翼系統(tǒng)進(jìn)一步包括: 與傾斜盤可操作關(guān)聯(lián)的致動(dòng)器，致動(dòng)器配置成調(diào)節(jié)傾斜盤的動(dòng)作。
4.按權(quán)利要求1所述的旋翼飛機(jī)，其中控制系統(tǒng)根據(jù)探測(cè)到的潛在危害力分別調(diào)節(jié)多個(gè)葉片的動(dòng)作。
5.按權(quán)利要求1所述的旋翼飛機(jī)，其中傳感器配置成測(cè)量施加在機(jī)翼上的外部氣動(dòng)力。
6.按權(quán)利要求1所述的旋翼飛機(jī)，其中傳感器配置成測(cè)量施加在飛機(jī)的機(jī)身上的外部氣動(dòng)力。
7.按權(quán)利要求1所述的旋翼飛機(jī)，旋翼系統(tǒng)進(jìn)一步包括: 桅桿；以及 連接到桅桿的軛，該軛連接到多個(gè)旋翼葉片。
8.按權(quán)利要求7所述的旋翼飛機(jī)，其中多個(gè)旋翼葉片中的每一個(gè)旋翼葉片均采用具有大約負(fù)45度的Λ 3角的Λ 3鉸鏈連接到軛上。
9.按權(quán)利要求7所述的旋翼飛機(jī)，其中多個(gè)旋翼葉片中的每一個(gè)旋翼葉片采用具有大于負(fù)15度的Λ 3角的Λ 3鉸鏈連接到軛上。
10.按權(quán)利要求1所述的旋翼飛機(jī)，其中多個(gè)旋翼葉片為至少四個(gè)旋翼葉片。
11.一種用于旋翼飛機(jī)的控制系統(tǒng)，所述旋翼飛機(jī)具有多個(gè)旋翼葉片和飛機(jī)機(jī)翼，控制系統(tǒng)包括: 連接到飛機(jī)機(jī)翼的傳感器，傳感器配置成感測(cè)由多個(gè)旋翼葉片的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作施加在飛機(jī)機(jī)翼上的力；以及 與傳感器可操作關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)，子系統(tǒng)配置成接收來自傳感器的感測(cè)到的力，并且配置成確定該感測(cè)到的力是否會(huì)對(duì)機(jī)翼產(chǎn)生潛在的危害； 其中控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)多個(gè)葉片的俯仰以抵消施加在飛機(jī)機(jī)翼上的力。
12.按權(quán)利要求11所述的控制系統(tǒng)，進(jìn)一步包括: 與多個(gè)旋翼葉片可操作關(guān)聯(lián)的傾斜盤，傾斜盤配置成調(diào)節(jié)多個(gè)旋翼葉片的動(dòng)作。
13.按權(quán)利要求12所述的控制系統(tǒng)，進(jìn)一步包括: 與傾斜盤操作關(guān)聯(lián)的致動(dòng)器，致動(dòng)器配置成調(diào)節(jié)傾斜盤的動(dòng)作。
14.按權(quán)利要求13所述的控制系統(tǒng)，其中致動(dòng)器為電子控制的致動(dòng)器。
15.按權(quán)利要求13所述的控制系統(tǒng)，其中致動(dòng)器為液壓致動(dòng)器。
16.按權(quán)利要求11所述的控制系統(tǒng)，其中傳感器為彎曲傳感器。
17.一種抵消由旋翼系統(tǒng)施加在飛機(jī)機(jī)翼上的力的方法，所述旋翼系統(tǒng)樞轉(zhuǎn)地連接到飛機(jī)機(jī)翼上，該方法包括: 在飛機(jī)機(jī)翼上安裝傳感器； 利用傳感器感測(cè)施加在飛機(jī)機(jī)翼上的力； 將感測(cè)到的力傳遞給子系統(tǒng)； 確定該感測(cè)到的力是否會(huì)對(duì)機(jī)翼產(chǎn)生潛在的危害；并且 調(diào)節(jié)旋翼系統(tǒng)以抵消施加在飛機(jī)機(jī)翼上的有咅的力。
18.按權(quán)利要求17所述的方法，進(jìn)一步包括: 調(diào)節(jié)旋翼系統(tǒng)的旋翼葉片的俯仰，以抵消施加在飛機(jī)機(jī)翼上的有害的力。
19.按權(quán)利要求17所述的方法，進(jìn)一步包括: 相對(duì)于飛機(jī)機(jī)翼轉(zhuǎn)動(dòng)旋翼系統(tǒng)，以抵消施加在飛機(jī)機(jī)翼上的有害的力。
20.按權(quán)利要求 17所述的方法，進(jìn)一步包括: 調(diào)節(jié)旋翼系統(tǒng)的傾斜盤的傾斜度，以抵消施加在機(jī)翼上的有害的力。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于根據(jù)探測(cè)到的施加在飛機(jī)機(jī)翼上的有害的力調(diào)節(jié)旋翼葉片的系統(tǒng)和方法，所述系統(tǒng)包括安裝到機(jī)翼上的傳感器和與傳感器可操作關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)。該方法包括利用傳感器感測(cè)施加在機(jī)翼上的力，并且確定感測(cè)到的力是否會(huì)對(duì)機(jī)翼的結(jié)構(gòu)整體性產(chǎn)生危害。該方法進(jìn)一步包括通過調(diào)節(jié)旋翼葉片的動(dòng)作而抵消有害的力。
文檔編號(hào)B64C27/02GK103085970SQ20121037129
公開日2013年5月8日 申請(qǐng)日期2012年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月1日
發(fā)明者弗蘭克·B·斯坦普斯, 大衛(wèi)·A·波佩爾卡, 查爾斯·E·科文頓, 托馬斯·C·帕勒姆 申請(qǐng)人:貝爾直升機(jī)泰克斯特龍公司