CN104527975A - 一种共轴式无人直升机双余度桨距分控操纵系统 - Google Patents
一种共轴式无人直升机双余度桨距分控操纵系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种共轴式无人直升机双余度桨距分控操纵系统，涉及航空技术领域。所述操纵系统包括上旋翼操纵系统和下旋翼操纵系统。所述上旋翼操纵系统，包括上旋翼变距拉杆、上旋翼自动倾斜器、上旋翼头部支撑、上旋翼操纵长拉杆和上旋翼伺服舵机；所述下旋翼操纵系统，包括下旋翼变距拉杆、下旋翼自动倾斜器、下旋翼自动倾斜器内环扭力臂和下旋翼自动倾斜器外环扭力臂，还有下旋翼伺服舵机。本发明解决了常规共轴式无人直升机机械结构较复杂，旋转阻力大，以及操纵执行机构失效后直升机坠毁风险大，而采用双余度舵机形式又增加了舵机的复杂性和重量等缺点。
Description
技术领域
本发明涉及航空技术领域，特别是涉及一种共轴式无人直升机双余度桨距分控操纵系统。
背景技术
目前，常规形式共轴式直升机的操纵系统结构为：上下旋翼桨距分别通过上旋翼自动倾斜器和下旋翼自动倾斜器进行控制，受操纵通道限制，上旋翼和下旋翼的总距和周期变距运动一般采用操纵联动的形式，即通过平行四边形将两个自动倾斜器连接在一起，使得两个自动倾斜器同时进行总距运动和周期变距运动。
与单旋翼直升机靠尾桨进行航向操纵不同，共轴式直升机通过上下旋翼桨距差动来进行航向操纵，即一副旋翼总距增加，另一副旋翼总距减小，两副旋翼产生反扭矩差以提供航向操纵的扭矩。上下旋翼总距的变化同时会带来各自升力的变化，为保证航向操纵时升力旋翼总升力不变，两副旋翼的升力增加和减小的量需保持相等。根据航向操纵的不同结构形式，常规形式共轴式直升机操纵系统可分为半差动操纵系统和全差动操纵系统，如图1和图2所示。
如图1，共轴直升机半差动操纵系统航向操纵原理为，通过操纵上旋翼(或下旋翼)总距改变其反扭矩以产生航向操纵力，同时由于上旋翼(或下旋翼)总距改变，旋翼系统总升力也随之改变，这种现象称之为航向-总距耦合效应，需要通过旋翼总距以补偿升力的改变，称之为航向-总距解耦。
如图2，共轴直升机全差动操纵系统航向操纵原理为，通过差动操纵上旋翼和下旋翼总距(即一副旋翼总距增加的同时另一幅旋翼总距以相等的操纵量减小)改变其反扭矩以产生航向操纵力，此时旋翼系统总升力不会随之发生改变，因而没有航向-总距耦合效应。
如图3，常规形式的无人直升机的操纵执行机构大多采用三个舵机的形式对自动倾斜器进行操纵。这种形式的缺点为，当一个舵机失效时，剩下的两个舵机不能维持旋翼自动倾斜器做上下滑动和纵横向倾斜运动，直升机即进入失控状态。部分无人直升机直接采用双余度舵机，即每一个舵机均包含两套舵机控制器和电机，以及一套失效切换装置，这种方式的缺点为增加了舵机的复杂性和重量。
常规共轴无人直升机操纵系统的缺点为：机械连杆较多，机械系统较为复杂，不美观；暴露在外的机械连杆增加了旋翼的旋转阻力；操纵执行机构大多采用三个舵机的形式，失效后直升机坠毁风险大；采用双余度舵机形式增加了舵机的复杂性和重量。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种共轴式无人直升机双余度桨距分控操纵系统，以解决常规共轴式无人直升机机械结构较复杂，旋转阻力大，以及操纵执行机构失效后直升机坠毁风险大，而采用双余度舵机形式又增加了舵机的复杂性和重量等缺点。
本发明所采用的技术方案是：一种共轴式无人直升机双余度桨距分控操纵系统，主要包括上旋翼操纵系统和下旋翼操纵系统。
所述上旋翼操纵系统，包括上旋翼变距拉杆、上旋翼自动倾斜器、上旋翼头部支撑和上旋翼操纵长拉杆，还有带动上旋翼自动倾斜器做上下滑动和纵横向倾斜运动的上旋翼伺服舵机。所述的上旋翼变距拉杆固定在上旋翼头部支撑上，另一端连接上旋翼；所述的上旋翼自动倾斜器的内环内部连接固定上旋翼倾斜器十字节，所述的上旋翼操纵长拉杆底端与所述上旋翼十字节轴承连接，顶端连接上旋翼头部支撑；所述上旋翼操纵长拉杆外套有内轴，内轴通过上旋翼十字节上的上旋翼滑块带动上旋翼旋转。
所述上旋翼头部支撑、上旋翼自动倾斜器和两个上旋翼操纵长拉杆共同组成了平行四边形机构，将上旋翼自动倾斜器的上下滑动和纵横向倾斜运动传递给上旋翼，转化为上旋翼总距操纵和周期变距操纵。
所述上旋翼自动倾斜器，包含和内轴一起旋转的上旋翼自动倾斜器内环以及不随内轴旋转的上旋翼自动倾斜器外环。通过滑块传递内轴的扭矩，内轴带动上旋翼自动倾斜器内环一起旋转；通过上旋翼自动倾斜器外环扭力臂机构，上旋翼自动倾斜器外环与机身相连，使其不随内轴一起旋转。
所述带动上旋翼自动倾斜器做上下滑动和纵横向倾斜运动的上旋翼伺服舵机，包含四个舵机，舵机的布置形式为绕内轴斜45°布置，任意一个舵机失效后，其他三个舵机仍能维持整个上旋翼自动倾斜器做上下滑动和纵横向倾斜运动，即增加了执行机构的余度。
所述下旋翼操纵系统，包括下旋翼变距拉杆，还有带动下旋翼自动倾斜器做上下滑动和纵横向倾斜运动的下旋翼伺服舵机。
所述下旋翼自动倾斜器，包含和外轴一起旋转的下旋翼自动倾斜器内环以及不随外轴旋转的下旋翼自动倾斜器外环。通过下旋翼自动倾斜器内环扭力臂机构传递的扭矩，带动下旋翼自动倾斜器内环与外轴一起旋转；通过下旋翼自动倾斜器外环扭力臂机构，下旋翼自动倾斜器外环与机身相连，使其不随外轴一起旋转。
所述带动下旋翼自动倾斜器做上下滑动和纵横向倾斜运动的下旋翼伺服舵机，包含四个舵机，舵机的布置形式为绕外轴斜45°布置，任意一个舵机失效后，其他三个舵机仍能维持整个上旋翼自动倾斜器做上下滑动和纵横向倾斜运动，即增加了执行机构的余度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明解决了常规共轴式无人直升机机械结构较复杂，旋转阻力大，以及操纵执行机构失效后直升机坠毁风险大，而采用双余度舵机形式又增加了舵机的复杂性和重量等缺点。
附图说明
图1为现有技术中共轴式直升机半差动操纵系统示意图；
图2为现有技术中共轴式直升机全差动操纵系统示意图；
图3为现有技术中采用三个舵机的操纵执行机构形式示意图；
图4为共轴式无人直升机旋翼和旋翼轴示意图；
图5A为本发明提供的共轴式无人直升机双余度桨距分控操纵系统示意图的正视图；
图5B为本发明提供的共轴式无人直升机双余度桨距分控操纵系统示意图的侧视图。
图6为上旋翼自动倾斜器示意图。
图中：
1-上旋翼； 2-内轴； 3-下旋翼； 4-外轴；
5-上旋翼变距拉杆； 6-上旋翼头部支撑；
7-上旋翼操纵长拉杆； 8-上旋翼自动倾斜器内环；
9-上旋翼自动倾斜器外环； 10-上旋翼滑块；
11-上旋翼倾斜器十字节； 12-上旋翼自动倾斜器外环扭力臂；
13-上旋翼伺服舵机 14-上旋翼伺服舵机操纵拉杆；
15-下旋翼变距拉杆； 16-下旋翼自动倾斜器内环；
17-下旋翼自动倾斜器外环； 18-下旋翼自动倾斜器内环扭力臂；
19-下旋翼自动倾斜器外环扭力臂； 20-下旋翼伺服舵机；
21-下旋翼伺服舵机操纵拉杆。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种共轴式无人直升机双余度桨距分控操纵系统，以解决常规共轴式无人直升机机械结构较复杂、旋转阻力大，以及操纵执行机构失效后直升机坠毁风险大，而采用双余度舵机形式又增加了舵机的复杂性和重量等缺点。
参见图4、图5A和图5B，本发明提供的共轴式无人直升机双余度桨距分控操纵系统，包括上旋翼操纵系统和下旋翼操纵系统。所述的上旋翼操纵系统，包括连接上旋翼1的上旋翼变距拉杆5、上旋翼自动倾斜器、上旋翼头部支撑6、上旋翼操纵长拉杆7，还有带动上旋翼自动倾斜器做上下滑动和纵横向倾斜运动的上旋翼伺服舵机13。在所述上旋翼头部支撑6的两端分别连接一个上旋翼变距拉杆5，每一个上旋翼变距拉杆5的一端固定在上旋翼头部支撑6上，另一端连接上旋翼1。
如图4所示，内轴2顶端连接上旋翼1，带动上旋翼1进行顶视逆时针旋转运动；外轴4顶端连接下旋翼3，带动下旋翼3进行顶视顺时针旋转运动；内轴2和外轴4之间通过齿轮机构进行同轴反向等速旋转；共轴式无人直升机双余度桨距分控操纵系统附着于内轴2和外轴4上，分别对上旋翼桨距和下旋翼桨距进行控制，以操控整个直升机的运动。
每个上旋翼变距拉杆5的两端分别连接上旋翼1和上旋翼头部支撑6；上旋翼头部支撑6通过上旋翼操纵长拉杆7与上旋翼自动倾斜器相连；如图6，所述的上旋翼自动倾斜器包含上旋翼自动倾斜器内环8、上旋翼自动倾斜器外环9、上旋翼滑块10和上旋翼倾斜器十字节11，各部分之间通过轴承连接，可相互独立自由旋转；所述的上旋翼倾斜器十字节11位于上旋翼自动倾斜器内环8内部，并与上旋翼自动倾斜器内环8轴承连接，上旋翼倾斜器十字节11的中间位置轴承连接两个上旋翼操纵长拉杆7，所述的上旋翼滑块10固定在所述的上旋翼倾斜器十字节11侧面，用于与内轴2配合，内轴2通过上旋翼滑块10拨动上旋翼自动倾斜器内环8做旋转运动；上旋翼自动倾斜器外环9通过上旋翼自动倾斜器外环扭力臂12连接于机身上，如图5B；所述的两个上旋翼操纵长拉杆7的底端通过关节轴承连接上旋翼倾斜器十字节11，顶端与上旋翼头部支撑6之间轴承连接，并对称固定在所述上旋翼头部支撑6的转轴的两侧，两个上旋翼操纵长拉杆7平行，上旋翼倾斜器十字节11、两个上旋翼操纵长拉杆7和上旋翼头部支撑6共同组成平行四边形机构；上旋翼伺服舵机13通过上旋翼伺服舵机操纵拉杆14操纵上旋翼自动倾斜器外环9和上旋翼自动倾斜器内环8做上下滑动和纵横向倾斜运动，通过平行四边形机构，该运动通过内轴2内部的上旋翼操纵长拉杆7，以及通过上旋翼变距拉杆5传递给上旋翼1产生上旋翼1的变距运动。
所述下旋翼操纵系统，包括连接下旋翼3的下旋翼变距拉杆15、下旋翼自动倾斜器、下旋翼自动倾斜器内环扭力臂18、下旋翼自动倾斜器外环扭力臂19，还有带动下旋翼自动倾斜器做上下滑动和纵横向倾斜运动的下旋翼伺服舵机20。
下旋翼变距拉杆15分别连接下旋翼3和下旋翼自动倾斜器内环16；下旋翼自动倾斜器包含下旋翼自动倾斜器内环16、下旋翼自动倾斜器外环17；外轴4通过下旋翼自动倾斜器内环扭力臂18拨动下旋翼自动倾斜器内环16做旋转运动；下旋翼自动倾斜器外环17被下旋翼自动倾斜器外环扭力臂19连接于机身上；下旋翼伺服舵机20通过下旋翼伺服舵机操纵拉杆21操纵下旋翼自动倾斜器外环17和下旋翼自动倾斜器内环16做上下滑动和纵横向倾斜运动，通过下旋翼变距拉杆15传递给下旋翼3产生下旋翼的变距运动。
所述的内轴2套在上旋翼操纵长拉杆7外面，底端与上旋翼滑块10配合。所述的下旋翼自动倾斜器内环16套在内轴2外侧，外轴4与下旋翼自动倾斜器内环扭力臂18固定连接，下旋翼自动倾斜器内环16与下旋翼自动倾斜器外环17之间轴承连接。上旋翼自动倾斜器内环8和上旋翼自动倾斜器外环9之间轴承连接。
上下旋翼的变距运动均可分别独立控制，通过上下旋翼操纵控制的配合，可形成共轴式无人直升机纵向、横向、总距和偏航的四个控制。
当上下旋翼同时进行横向操纵形成共轴式无人直升机的横向操纵。
上下旋翼同时进行纵向操纵形成共轴式无人直升机的纵向操纵。
上下旋翼同时进行总距的增加或减小操纵形成共轴式无人直升机总距的增加或较小操纵，为避免共轴式无人直升机总距操纵引起偏航运动的耦合，上下旋翼的总距改变值应相等。
上旋翼进行总距操纵，下旋翼进行反方向的总距时，则会形成偏航操纵，为避免共轴式无人直升机偏航操纵引起总距运动的耦合，上下旋翼的总距改变值应绝对值相等，正负符号相反。
上旋翼伺服舵机13包含四个舵机，围绕内轴2或者外轴4呈斜45°布置，任意一个舵机失效后，其他三个舵机仍能维持整个上旋翼自动倾斜器做上下滑动和纵横向倾斜运动，即增加了执行机构的余度。
下旋翼伺服舵机20与上旋翼伺服舵机13布置相同。
本发明提供的共轴式无人直升机双余度桨距分控操纵系统，简化了常规共轴式无人直升机机械结构，减小了操纵系统的旋转阻力大，通过双余度布置方式增加了操纵执行机构的余度，增加了系统的可靠性，且避免了因采用双余度舵机所增加舵机的复杂性和重量等缺点。
Claims (6)
1.一种共轴式无人直升机双余度桨距分控操纵系统，其特征在于：所述操纵系统包括上旋翼操纵系统和下旋翼操纵系统；
所述上旋翼操纵系统，包括上旋翼变距拉杆、上旋翼自动倾斜器、上旋翼头部支撑和上旋翼操纵长拉杆，还有上旋翼伺服舵机；所述的上旋翼变距拉杆固定在上旋翼头部支撑上，另一端连接上旋翼；所述的上旋翼自动倾斜器内环的内部连接固定上旋翼倾斜器十字节，所述的上旋翼操纵长拉杆底端与所述上旋翼十字节轴承连接，顶端连接上旋翼头部支撑；所述上旋翼操纵长拉杆外套有内轴，内轴通过上旋翼十字节上的上旋翼滑块带动上旋翼旋转；所述上旋翼头部支撑、上旋翼自动倾斜器和两个上旋翼操纵长拉杆共同组成了平行四边形机构，将上旋翼自动倾斜器的上下滑动和纵横向倾斜运动传递给上旋翼，转化为上旋翼总距操纵和周期变距操纵；上旋翼自动倾斜器外环通过上旋翼自动倾斜器外环扭力臂与机身相连；
所述上旋翼伺服舵机通过上旋翼伺服舵机操纵拉杆操纵上旋翼自动倾斜器外环和上旋翼自动倾斜器内环做上下滑动和纵横向倾斜运动；
所述下旋翼操纵系统，包括下旋翼变距拉杆、下旋翼自动倾斜器、下旋翼自动倾斜器内环扭力臂和下旋翼自动倾斜器外环扭力臂，还有下旋翼伺服舵机；所述下旋翼自动倾斜器，包含和外轴一起旋转的下旋翼自动倾斜器内环以及不随外轴旋转的下旋翼自动倾斜器外环，通过下旋翼自动倾斜器内环扭力臂机构传递的扭矩，带动下旋翼自动倾斜器内环与外轴一起旋转；通过下旋翼自动倾斜器外环扭力臂机构，下旋翼自动倾斜器外环与机身相连，使其不随外轴一起旋转；所述的下旋翼伺服舵机通过下旋翼伺服舵机操纵拉杆操纵下旋翼自动倾斜器外环和下旋翼自动倾斜器内环做上下滑动和纵横向倾斜运动。
2.根据权利要求1所述的一种共轴式无人直升机双余度桨距分控操纵系统，其特征在于：内轴和外轴之间通过齿轮机构进行同轴反向等速旋转。
3.根据权利要求1所述的一种共轴式无人直升机双余度桨距分控操纵系统，其特征在于：所述的上旋翼倾斜器十字节与上旋翼自动倾斜器内环轴承连接，所述的上旋翼滑块固定在所述的上旋翼倾斜器十字节侧面，用于与内轴配合。
4.根据权利要求1所述的一种共轴式无人直升机双余度桨距分控操纵系统，其特征在于：所述上旋翼伺服舵机和下旋翼伺服舵机分别都包含四个舵机，舵机的布置形式为绕外轴斜45°。
5.根据权利要求1所述的一种共轴式无人直升机双余度桨距分控操纵系统，其特征在于：上旋翼和下旋翼的变距运动分别独立控制，通过上下旋翼操纵控制的配合，形成共轴式无人直升机纵向、横向、总距和偏航的四个控制；当上旋翼和下旋翼同时进行横向操纵形成共轴式无人直升机的横向操纵；当上旋翼和下旋翼同时进行纵向操纵形成共轴式无人直升机的纵向操纵。
6.根据权利要求1所述的一种共轴式无人直升机双余度桨距分控操纵系统，其特征在于：上旋翼和下旋翼同时进行总距的增加或减小操纵形成共轴式无人直升机总距的增加或较小操纵，为避免共轴式无人直升机总距操纵引起偏航运动的耦合，上旋翼和下旋翼的总距改变值应相等；
上旋翼进行总距操纵，下旋翼进行反方向的总距时，则会形成偏航操纵，为避免共轴式无人直升机偏航操纵引起总距运动的耦合，上旋翼和下旋翼的总距改变值应绝对值相等，正负符号相反。
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