CN101511676B - 用于高速旋翼飞机的转子驱动和控制系统 - Google Patents

Abstract

一种用于高速旋翼飞机的驱动系统，包括啮合于主变速箱的组合式变速箱。组合式变速箱由一个或多个发动机所驱动，使得主转子系统和平移推进系统也因此被驱动。发动机通过超越离合器驱动该组合式变速箱并因此驱动主变速箱。在高速飞行中，该驱动系统通过将功率卸载到平移推进系统上从而允许主转子系统的每分钟转数被控制。

Description

用于高速旋翼飞机的转子驱动和控制系统

技术领域

本发明涉及一种旋翼式飞机，尤其涉及一种用于高速混合式或共轴反转转子飞机的驱动结构，其中当主转子系统在高速飞行中在逆流条件下以减小的空速运作时，平移推进系统提供平移推进力。

背景技术

传统旋翼飞机前行空速受到许多因素限制。其中之一是后退叶片在高前进空速下存在失速的倾向。随着向前空速的增加，穿过后退叶片的气流速度降低，因此叶片可能接近失速条件。相反，穿过前进叶片的气流速度却随着空速的增加而增加。因此直升机前行运动中产生了升力不对称。

如果转子盘的前进和后退区段上的升力不平衡，这种升力不对称可能造成一种不稳定情形。典型地，叶片挥舞和顺桨一般被用来平衡该升力。

但是，当前行空速被增加以致超过对于给定的转每分钟转数的一个给定的点时，叶片挥舞和顺桨作用最终变得不足以维持转子盘上充分平等的升力。在这点上，穿过后退叶片的逆流产生一个负升力，且依赖于前行速度，产生一个失速或负升力状态，且该状态随着前行速度的增加逐渐沿叶片向外发展。传统的转子必须在低于那些会导致逆流穿过后退叶片的大部分的空速下运作，且必须以一个低于那种会导致前进叶片末端处的压缩性马赫数问题的每分钟转数下运作。这已经有效限制了传统直升机前行空速必须在差不多180节。

一种具有共轴反转刚性转子系统的旋翼飞机相比于传统的单转子直升机能够达到较高的前行速度，部分原因是由于上下转子系统的主转子叶片的前进侧之间的升力平衡。并且，转子盘的后退侧也是基本上不会出现传统的单或一前一后转子直升机可能所要遭受的典型的后退叶片失速现象。

为了进一步增加空速，一种混合式或共轴反转刚性转子飞机操作一个处于自旋状态的系统且该系统由涡轮喷气发动机提供额外的水平推力。在高速飞行中，主转子系统停止从主转子驱动发动机(或涡轮轴)汲取动力，且用于控制转子每分钟转数的装置被限制调整总俯仰角。对于任何处于自旋状态的直升机，增加总俯仰角将减小旋转速度，而减小总俯仰角将增加旋转速度。但是对于一个处于高速前行的旋翼飞机来说，转子每分钟转数优选地应该被减小以防止转子盘前进侧上的转子叶片末端随着飞机空速的增加而进入超音速区。从盘旋到高速，典型地，每分钟转数减少30％的量级。一般来讲，自旋是旋翼的一种飞行状态，其中旋转叶片的力来自流向转子下侧的气流。这种气流源基本是来自飞机向下的运动，例如发动机故障时将会发生的，或者来自飞机向前的运动，例如自旋翼飞机水平飞行。

随着空速增加，总俯仰角被增加以防止旋翼每分钟转数增加过高。这就需要前进侧的攻角(AOA)随着空速增加而增加，这随之产生更多的升力，更多引发的阻力以及主转子轴上更大的弯曲力矩。这种增加的升力基本上被转子盘后退侧所平衡掉。由于后退侧的内侧部分处于逆流中，且因为总俯仰角，该AOA变负。这产生了负升力。前进侧增加的升力所产生的力矩增加了后退侧上负升力所产生的力矩。这些力矩基本上通过共轴反转转子系统中另外一个转子所产生的相等的反向力矩消除。但是，上下转子系统的任何相位或大小的变化都会产生振动并传播到机身其他部分。

因此，希望能够为高速旋翼飞机提供一种转子驱动和控制系统，其可以最小化主要的振动源和相应的性能退化。

发明内容

根据本发明的一种用于高速旋翼飞机的驱动系统，可包括双反转共轴转子系统和平移推进系统，该平移推进系统当转子系统在高速向前飞行中处于一种自旋或逆流状态时提供基本平行于飞机纵向轴线的平移推进力。

啮合于主变速箱的组合式变速箱由一个或多个发动机所驱动，这样主变速箱和平移推进系统也都因此被驱动。发动机通过超越离合器驱动组合式变速箱和主变速箱。

这种驱动系统通过将扭矩卸载到平移推进系统上从而允许转子系统的每分钟转数被控制。也就是说，主转子系统在高速飞行中从自旋所产生的扭矩被平移推进系统所吸收，因此主转子叶片的前进侧不会达到超音速，且主转子叶片的后退侧通过使用较低总体和差动横向周期可以被置于平的俯仰角中，这样后退侧上的负升力被消除，且前进侧上的向上升力被减小。从而减小对于机身的振动。

优选地，驱动系统被配置成在发动机故障时，平移推进系统的推进式螺旋桨被设定在平的俯仰角，否则施加在驱动系统上的载荷将会减慢转子系统并阻碍自旋着陆。

本发明因此提供一种用于高速旋翼飞机的转子驱动和控制系统，其最小化了主要的振动源和性能退化。

附图说明

本发明的各种特征和优点通过下面对优选实施例的详细的描述，对于本领域技术人员来说将会变得很显然。伴随详细描述的附图可以被如下简要地说明：

图1A-1B是使用本发明的旋翼飞机实施例的总体视图；

图2是本发明驱动系统的方块图；

图3是共轴反转转子系统的主转子动力学示意图；和

图4是飞行控制系统的方块图。

具体实施方式

图1A-1B显示了一个垂直起降(VTOL)、高速、复合或共轴反转刚性转子飞机10(总称旋翼式飞机)，其具有围绕转子旋转轴线A旋转的双共轴反转主转子系统12。飞机10包括用于支撑所述双共轴反转主转子系统12和平移推进系统30的机身14，该平移推进系统30在飞机高速向前飞行期间当主转子系统12处于自旋或逆流状态时提供基本平行于飞机纵向轴线L的平移推进力。应当被理解的是，其他飞机构造也将能够从本发明中受益。

主转子系统12包括第一转子系统16和第二转子系统18，每一个转子系统16、18都包括安装在转子毂22、24上的多个转子叶片20。主转子系统12由一个主变速箱26所驱动。平移推进系统30可以是任何本领域所公知的系统，包括但不限于牵引式螺旋桨、侧安装式螺旋桨等等。优选地，平移推进系统30包括具有大致水平定向并平行于飞机纵向轴线L的螺旋桨旋转轴线P的推进式螺旋桨32，以提供高速飞行时的推进力。推进式螺旋桨32可安装在空气动力整流罩34内，整流罩34安装在机身14的后部。平移推进系统30优选地由驱动转子系统16、18的相同主变速箱26所驱动。

参照图2，飞机10的驱动系统34被示意性地说明。如图所示的，主变速箱26机械连接于主转子系统12和平移推进系统30，因此主转子系统12和平移推进系统30均由主变速箱26所驱动。驱动系统34可进一步包括与主变速箱26啮合的组合式变速箱36。如图所示的，组合式变速箱36可由一个或多个发动E所驱动。发动机E通过分离机构，优选地通过超越离合器38驱动组合式变速箱36并且因此驱动主变速箱26。平移推进系统30优选地包括由组合式变速箱36所驱动的驱动轴40。应当被理解的是，尽管组合式变速箱36被示意性的描述为一个单独部件，但是组合式变速箱36可选择性地被直接整合在主变速箱26内部。

这种驱动布置允许转子系统12的每分钟转数被控制，使得通过将转矩卸载到平移推进系统30上，主转子叶片的前进侧不会达到超音速。也就是说，主转子系统12在高速飞行中处于自旋期间所产生的转矩被平移推进系统30所吸收。这种布置是可行的，因为，平移推进系统30在高速飞行中需要相比于主转子系统12所产生的多得多的功率，而主转子系统12被设计用来吸收比平移推进系统30少的马力功率。在本申请人所发展的一个想法中，在高速飞行时，主转子系统12吸收大约400马力，平移推进系统30吸收大约1200马力。关于功率需求，飞机10与传统直升机相反，在传统直升机上，在双发动机故障的情况下，主转子是主要的马力接受者，反扭矩尾部转子在自旋状态中继续以与主转子成比例的速度旋转，来维持偏航控制。这里，平移推进系统30的大功需求提供了通过两者间的机械连接减速主转子系统12的能力。

从主转子上卸载能量到螺旋桨上减小了主转子每分钟的转数，且因此允许(参照图3)后退叶片被放置在具有低总体和差动横向周期的平坦俯仰角上，因此后退侧上的负升力被消除，且前进侧上的向上升力被减小。换句话说，在高速飞行中，前进盘区段产生减小了的正升力，而后退盘区段产生很少到没有正升力，因此上下转子系统16、18之间升力的相位或大小的变化被最小化，其也最小化了传播到机身上的振动。振动的最小化则允许了比传统的共轴反转系统在更高的空速下以延长的时间周期运转。

当飞机空速增加或由于瞬时机动飞行条件下主转子系统12超速旋转，额外的转子速度将通过平移推进系统30被吸收。也就是说，平移推进系统运作以制动该超速旋转的主转子系统12。

如前面所述的，超越离合器38被定位在一个或多个发动机E和组合式变速箱36之间。这是很重要的，因为在发动机故障时，平移推进系统30的推进式螺旋桨32必须被设置在平的俯仰角上，否则加在驱动系统34上的载荷将减速转子系统12进而阻碍自旋着陆。

推进式螺旋桨32优选地是被飞行控制系统(在图4中被示意性地示出)所控制的可变俯仰角螺旋桨，该系统响应于预先确定的情形例如发动机故障和瞬时主转子系统12过速旋转，操作来调整推进式螺旋桨32的俯仰角。也就是说，可变俯仰角推进式螺旋桨32为从转子系统12上卸载扭矩和精确的转子系统12的速度控制提供额外的精度。

应当被理解的是，相对位置术语如“前”、“后”、“高”、“低”、“上”、“下”及其类似用语都是关于飞行器通常的飞行姿态，其不应被认为是任何限制。

应当被理解的是，尽管在所述实施例中公开了特别的组件布置，事实上其他布置也会受益于本发明。

尽管附图、说明书和权利要求中说明了特定的步骤顺序，事实上应当被理解的是，这些步骤可以以任何一种顺序执行，分离的或组合的，除非另有说明，且仍然会受益于本发明。

前面的描述仅是示例性的，而不是通过其中的限制进行限定。根据上面的教导，对于本发明多种修改和变化都是可能的。本发明的优选实施例被公开，但是，本领域技术人员应该能够意识到对本发明的某些修改也将落入到本发明的保护范围之内。因此，应当被理解的是，在所附权利要求范围之内，本发明可以被实施，而不限于特定的描述。因此，应对下面的权利要求进行审查以确定本发明真正要保护的范围和内容。

Claims (13)

1.一种用于旋翼飞机的驱动系统，包括：

主转子系统；

驱动所述主转子系统的主变速箱；

由所述主变速箱驱动的平移推进系统；和

选择性地与所述主变速箱接合的超越离合器，使得在所述主转子系统处于逆流状态时的高速飞行期间，所述主转子系统所产生的扭矩被卸载到平移推进系统上以制动所述主转子系统，从而使得所述主转子系统的前进侧不超过超音速。

2.如权利要求1所述的驱动系统，其中所述主转子系统包括共轴反转转子系统。

3.如权利要求1所述的驱动系统，其中所述平移推进系统包括推进式螺旋桨。

4.如权利要求1所述的驱动系统，进一步包括与所述主变速箱和所述平移推进系统啮合的组合式变速箱，所述组合式变速箱通过所述超越离合器被驱动。

5.如权利要求1所述的驱动系统，其中当所述主转子处于所述逆流状态中时所述主转子系统比所述平移推进系统吸收较少的功率。

6.一种用于旋翼飞机的驱动系统，包括：

主变速箱；

由所述主变速箱驱动的主转子系统；

与所述主变速箱啮合的组合式变速箱；和

选择性地与所述主变速箱接合的超越离合器，使得在所述主转子系统处于逆流状态时的高速飞行期间，所述主转子系统所产生的扭矩被卸载到平移推进系统上以制动所述主转子系统，从而使得所述主转子系统的前进侧不超过超音速。

7.如权利要求6所述的驱动系统，其中所述主转子系统包括共轴反转转子系统。

8.如权利要求6所述的驱动系统，其中所述超越离合器在所述主转子系统超速预定值时进行超越，使得由所述主转子系统产生的扭矩被所述平移推进系统通过所述组合式变速箱吸收。

9.一种用于在旋翼飞机主转子处于逆流状态时控制该主转子系统的方法，包括下列步骤：

(1)在所述主转子系统处于逆流状态时的高速飞行期间，将所述主转子系统所产生的扭矩卸载到平移推进系统上以通过主变速箱制动所述主转子系统，从而使得所述主转子系统的前进侧不超过超音速。

10.如权利要求9所述的方法，进一步包括步骤：

(a)驱动主变速箱，主变速箱通过超越离合器驱动主转子。

11.如权利要求9所述的方法，进一步包括步骤：

(b)通过组合式变速箱驱动主变速箱，该组合式变速箱由超越离合器驱动；和

(c)通过组合式变速箱驱动平移推进系统。

12.如权利要求10所述的方法，进一步包括步骤：

将超越离合器直接定位在发动机的下游。

13.如权利要求9所述的方法，进一步包括步骤：

(a)识别发动机故障；

(b)设定平移推进系统的推进式螺旋桨到平的俯仰角。

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