CN106915457B - 一种上下旋翼倾斜器平行度可变的共轴式直升机操纵系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种上下旋翼倾斜器平行度可变的共轴式直升机操纵系统，在减速箱下方安装上旋翼倾斜器，通过位于内轴里的操纵长拉杆操纵上旋翼；在减速箱上方安装下旋翼倾斜器操纵下旋翼。同时由5个舵机进行纵横向操作以及航向操作。其中纵向操纵通过两个纵向舵机实现，操纵连杆使两个倾斜器纵向同步变化；上下旋翼倾斜器横向操纵分别通过相互独立的上下旋翼横向舵机实现，改变上下旋翼倾斜器的横向不平行度，同时进行横向的操纵。航向操纵通过航向舵机操纵航向操纵滑环上下移动，由航向操纵撑杆以及航向协调杠杆传递到下旋翼变距拉杆上实现。本发明可实现上下旋翼倾斜器的横向不平行度的改变，改善横向上下旋翼桨盘倾斜靠近甚至打桨现象。

Description

一种上下旋翼倾斜器平行度可变的共轴式直升机操纵系统

技术领域

本发明属于航空器设计制造技术领域，特别是涉及一种上下旋翼倾斜器平行度可变的共轴式直升机操纵系统。

背景技术

20世纪50年代开始，世界各国对于共轴双旋翼布局、气动特性等问题进行了大量实验及研究，其中俄罗斯卡莫夫设计局一直是世界范围内共轴式直升机研究的领跑者。共轴式直升机依靠上下共轴反转的两副旋翼平衡反扭矩，并提供升力及各种操纵，不需尾桨。具有结构紧凑、悬停中低速气动效率高的优点。

然而，传统共轴式直升机的操纵系统中，上下旋翼各有一个自动倾斜器，通过连杆保持彼此平行。共轴双旋翼的吹风挥舞的特征为，由于上下旋翼的共轴反转，当有前方来流时，由于气流的左右不对称，上下旋翼都在各自的前行桨叶处得到最大速度，后滞90度后达到最大挥舞响应。呈现前高后低的纵向挥舞。因此，由于气流左右不对称引起的上下旋翼的纵向挥舞倾斜是一致的。然而，上下旋翼由于桨盘的前后迎角不对称导致的横向挥舞却是不一致的，由于上下旋翼锥度角的存在，前方来流在上下旋翼的前后位置(机头、机尾)均存在迎角不对称，由此产生的气动输入在滞后90度处达到最大挥舞响应，会呈现一副旋翼左高右低；而另一副旋翼右高左低的不平行挥舞，即一侧的桨盘间距小，另一侧的桨盘间距大。在大风、盘旋或大角度转弯情况下，这种上下旋翼的横向不平行度加大，会出现打桨(上下旋翼桨叶相碰)现象，传统共轴式直升机的上下旋翼自动倾斜器的平行机构不能改变这种横向挥舞的不平行度，从而大大限制了共轴式直升机的前飞速度以及抗风能力。

目前轻型共轴式无人直升机的一般操纵方式如图1所示，在主减速器的壳体上固联有航向、总距舵机，纵横向舵机与总距套筒相连，随总距套筒上下运动。舵机输出量通过拉杆摇臂、两个自动倾斜器和过渡摇臂变距拉杆转变为旋翼桨距角的变化，进而实现操纵的目的。内外轴通过扭力臂带动上下自动倾斜器外环旋转，以保证自动倾斜器与桨叶同步转动，并将它们用等长撑杆相联以实现上下桨叶桨距角同步地变化。其实现直升机三种操纵的方式为：1、纵横向操纵，通过纵、横向舵机操纵下倾斜器倾斜，并通过连杆带动上倾斜器同步倾斜，各倾斜器的倾斜动作传递到桨叶上实现纵横向操纵；2、总距操纵，通过总距舵机上下移动自动倾斜器来实现；3、航向操纵，此操纵形式为半差动航向操纵，航向舵机通过航向杠杆带动航向操纵滑环沿着总距套筒做上下滑动，滑环经两撑杆带动过渡摇臂支座，铰接在支座上的过渡摇臂借助两组推拉杆分别带动与之连接的下自动倾斜器和下旋翼桨叶的变距摇臂，单独改变下旋翼的总距，使得下旋翼反扭矩变化，产生航向操纵力矩。

大型共轴式直升机一般采用全差动航向操纵方案，该操纵机构的分别在上旋翼轴内和下旋翼轴内设有可上下移动的套筒，该套筒随旋翼轴同步转动且可沿旋翼轴做上下相对运动。上下旋翼套筒在上下旋翼桨毂附近，套筒连接上下旋翼变距摇臂，变距摇臂在不同距离处与旋翼变距拉杆和自动倾斜器外环支杆铰接形成杠杆摇臂，通过上下移动套筒实现变距运动。两套筒的内部设有变距装置，该装置与设在主减速器底部的总距手柄和航向手柄相连，总距手柄通过垂直拉动变距装置实现上下旋翼总距的同步增减，达到改变直升机升力的目的。航向手柄通过正反转动变距装置实现上下旋翼总距一增一减的运动，实现航向操纵。上下自动倾斜器在轴向没有运动，只提供纵横向的周期变距操纵。

上述共轴双旋翼操纵方式的特点是上下旋翼倾斜器通过三根(或更多)的连杆连接，使上下倾斜器始终保持平行，上下旋翼的纵横向周期变距始终相同。并且上旋翼倾斜器外环随下旋翼倾斜器内环旋转，二者的连杆也同样旋转，无法通过调整某一连杆长度来实现两倾斜器在横向的不平行度。这种上下旋翼倾斜器平行操纵的方式是导致上下旋翼的桨盘平面不平行，特别是横向挥舞不一致的根本原因。也是造成上下旋翼打桨(上下旋翼桨叶相碰)现象的重要原因。

发明内容

为了克服上述共轴式直升机存在的打桨问题，本发明提出了一种上下旋翼倾斜器平行度可变的共轴式直升机操纵系统，以解决现有共轴式直升机由于“打桨”现象导致的前飞速度小、抗风能力差的问题，以及为了避免“打桨”而加大旋翼间距带来的结构重量增加问题。

本发明的一种上下旋翼倾斜器平行度可变的共轴式直升机操纵系统，根据背景技术中半差动航向操纵系统进行改进，将上旋翼倾斜器与下旋翼倾斜器分别安装于减速箱下方与上方。

所述上旋翼倾斜器的内环通过球铰与内轴底端相连，使内环可随内轴转动，且可沿内轴轴向上下移动以及侧向偏转。上述内轴中空，内部设置有两根上旋翼操纵长拉杆，两根上旋翼操纵长拉杆底端与内环间铰接形式相连，顶端由内轴顶端穿出后，分别通过协调杠杆与用来使上旋翼改变迎角的两根上旋翼变距拉杆相连。由此通过外环接受纵横向操纵系统输出的操纵量，实现上旋翼倾斜器的倾斜角度与上下位置改变，进而通过上旋翼操纵长拉杆带动上旋翼协调杠杆改变与上旋翼倾斜器相同的倾斜角度和上下位置，并由上旋翼协调杠杆将倾斜角度与上下位置的变化量(操纵量)经旋翼变距拉杆传递到上旋翼，改变上旋翼的纵横向倾斜角度与迎角。

所述下旋翼倾斜器的内环通过两根下旋翼操纵拉杆与下旋翼协调杠杆连接下旋翼变距拉杆；所述两根下旋翼操纵拉杆竖直设置，底端铰接于内环上；下旋翼协调杠杆两端分别与下旋翼操纵拉杆顶端和下旋翼变距拉杆铰接，同时下旋翼协调杠杆还铰接于航向操纵滑环的上滑环上。由此通过外环接受纵横向操纵系统输出的操纵量，实现下旋翼倾斜器的倾斜角度与上下位置改变，进而通过下旋翼操纵拉杆带动下旋翼协调杠杆改变与下旋翼倾斜器相同的倾斜角度和上下位置，并由下旋翼协调杠杆将倾斜角度与上下位置的变化量(操纵量)经旋翼变距拉杆传递到下旋翼，改变下旋翼的纵横向倾斜角度与迎角。

上述上旋翼倾斜器由沿纵向设置的两个纵向驱动舵机通过连杆驱动同步同角度纵向倾斜；同时上旋翼倾斜器由位于横向上的上旋翼横向舵机通过连杆驱动横向倾斜；下旋翼倾斜器由位于横向上的下旋翼横向舵机通过连杆驱动横向倾斜。

本发明的优点在于：

1、本发明上下旋翼倾斜器平行度可变的共轴式直升机操纵系统，比传统操纵系统多使用一个舵机，实现上下旋翼倾斜器的横向不平行度的改变，改善由于吹风挥舞带来的横向上下旋翼桨盘倾斜靠近甚至打桨问题，但是带来的操纵系统重量负担很小。

2、本发明上下旋翼倾斜器平行度可变的共轴式直升机操纵系统的操纵方式通过两个横向舵机各自增加一个操纵修正量实现不平行操纵，而飞行过程中的操纵与传统操纵方式相同，不增加操纵难度。

3、本发明上下旋翼倾斜器平行度可变的共轴式直升机操纵系统的操纵方式使得上下旋翼横向倾斜的程度降低，减小了互相抵消的上下旋翼拉力的横向分量，增加了拉力的垂直分量，提高了直升机的效率。

附图说明

图1为共轴式双旋翼直升机半差动航向操纵系统原理图；

图2为本发明共轴式直升机操纵系统工作时上下旋翼纵向操纵方式结构示意图；

图3为本发明共轴式直升机操纵系统工作时上下旋翼横向及航向操纵方式结构示意图；

图4为本发明共轴式直升机操纵系统控制过程中上下旋翼倾斜器横向不平行操纵示意图。

图中：

1-上旋翼倾斜器 2-下旋翼倾斜器 3-减速器

4-内轴 5-外轴 6-上旋翼

7-下旋翼 8-上旋翼操纵长拉杆 9-上旋翼协调杠杆

10-上旋翼变距拉杆 11-下旋翼操纵拉杆 12-下旋翼协调杠杆

13-下旋翼变距拉杆 14-航向操纵滑环 15-纵向舵机

16-纵向舵机连杆A 17-纵向舵机连杆B 18-上旋翼横向舵机

19-上旋翼操纵连杆A 20-上旋翼操纵连杆B 21-下旋翼横向舵机

22-下旋翼操纵连杆A 23-下旋翼操纵连杆B 24-航向舵机

25-航向操纵连杆

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

本发明上下旋翼倾斜器平行度可变的共轴式直升机操纵系统，包括倾斜器系统、纵横向操纵系统以及航向操纵系统三部分。

所述倾斜器系统包括上旋翼倾斜器1与下旋翼倾斜器2两部分，分别设置于直升机中减速器3的下方与上方，如图2所示。减速器3为直升机的重要部件，减速器3通过内部齿轮连接飞机旋翼系统中内外嵌套的内轴4与外轴5，且内轴4、外轴5与减速器3的外壳间轴承连接，进而通过减速器3将发动机的高转速输出降到上旋翼6与下旋翼7的工作转速之后，由内轴4与外轴5传递至上旋翼6与下旋翼7，为上旋翼6与下旋翼7供能。

本发明中内轴4不同于普通共轴直升机的形式，内轴4的底端还穿过减速器3的外壳。上旋翼倾斜器1具体位于内轴4的下方，由内环与外环组成；其中，内环与外环之间通过轴承相连，实现内环相对外环的周向转动；同时内环通过球铰与内轴底端相连，使内环可随内轴4转动，且可沿内轴4轴向上下移动以及侧向偏转。上述内轴4中空，内部设置有两根上旋翼操纵长拉杆8，两根上旋翼操纵长拉杆8底端与内环间铰接形式相连，顶端由内轴4顶端穿出后，分别通过协调杠杆9与用来使上旋翼7改变迎角的两根上旋翼变距拉杆10相连。所述协调杠杆9两段分别与上旋翼操纵长拉杆8和上旋翼变距拉杆10间铰接。由此通过外环接受纵横向操纵系统输出的操纵量，实现上旋翼倾斜器1的倾斜角度与上下位置改变，进而通过上旋翼操纵长拉杆8带动上旋翼协调杠杆9改变与上旋翼倾斜器2相同的倾斜角度和上下位置，并由上旋翼协调杠杆9将倾斜角度与上下位置的变化量(操纵量)经旋翼变距拉杆10传递到上旋翼6，改变上旋翼6的纵横向倾斜角度与总距角。

所述下旋翼倾斜器2具体位于减速箱与下旋翼之间，其结构与上旋翼倾斜器1相同，包括由轴承相连的内环与外环；且内环通过球铰与外轴5相连，使内环可随外轴5转动，且可沿外轴5轴向上下移动以及侧向偏转。内环通过两根下旋翼操纵拉杆11与下旋翼协调杠杆12连接下旋翼变距拉杆13；所述两根下旋翼操纵拉杆11竖直设置，底端铰接于内环上；下旋翼协调杠杆12两端分别与下旋翼操纵拉杆11顶端和下旋翼变距拉杆13铰接，同时下旋翼协调杠杆12还铰接于航向操纵滑环14的上滑环上。由此通过外环接受纵横向操纵系统输出的操纵量，实现下旋翼倾斜器2的倾斜角度与上下位置改变，进而通过下旋翼操纵拉杆11带动下旋翼协调杠杆12改变与下旋翼倾斜器2相同的倾斜角度和上下位置，并由下旋翼协调杠杆12将倾斜角度与上下位置的变化量(操纵量)经旋翼变距拉杆11传递到下旋翼7，改变下旋翼7的纵横向倾斜角度与总距角。

所述纵横向操纵系统包括纵向操纵系统与横向操纵系统。其中，纵向(前后向)操纵系统由两个纵向舵机15以及纵向舵机连杆A16、纵向舵机连杆B17构成；两个纵向舵机15沿机身纵向设置，输出轴沿横向设置，固定安装于减速器3的外壳顶面相对位置；两个纵向舵机15分别通过纵向舵机连杆A16、纵向舵机连杆B17与上旋翼倾斜器1和下旋翼倾斜器2相连。纵向舵机连杆A16与纵向舵机15输出轴垂直，一端固定于纵向舵机15输出轴上；另一端与纵向舵机连杆B17铰接；纵向舵机连杆B17竖直设置，两端分别与上旋翼倾斜器1和下旋翼倾斜器2中的外环铰接。由此，通过两个纵向舵机15反向同角度转动输出动力，经纵向舵机连杆A16与纵向舵机连杆B17同时传递到上旋翼倾斜器1与下旋翼倾斜器2，带动上旋翼倾斜器1与下旋翼倾斜器2纵向轴线相互平行且纵向变动角度相同进行同步纵向倾斜，进而对上旋翼6与下旋翼7的纵向操纵量进行同步的等角度倾斜控制。

所述横向(左右向)操纵系统包括上旋翼横向舵机18、上旋翼操纵连杆A19、上旋翼操纵连杆B20、下旋翼横向舵机21、下旋翼操纵连杆A22与下旋翼操纵连杆B23，如图3所示。

其中，上旋翼横向舵机18位于机身横向上，固定安装于减速器3的外壳底面，输出轴沿纵向设置；上旋翼操纵连杆A19与上旋翼横向舵机18输出轴垂直，一端与上旋翼横向舵机18输出轴固连，另一端与上旋翼操纵连杆B20一端铰接；上旋翼操纵连杆B20竖直设置，另一端铰接于上旋翼倾斜器1的外环上。由此通过上旋翼横向舵机18输出动力，经上旋翼操纵连杆A19与上旋翼操纵连杆B20传递到上旋翼倾斜器1的外环上，带动上旋翼倾斜器1横向倾斜，进而实现对上旋翼6的横向倾斜控制。

旋翼横向舵机21位于机身横向上，固定安装于减速器3的外壳顶面，输出轴沿纵向设置；下旋翼操纵连杆A22一端与下旋翼横向舵机21的输出轴垂直固连，另一端与下旋翼操纵连杆B23一端铰接，下旋翼操纵连杆B23的另一端铰接于下旋翼倾斜器2的外环上。由此通过下旋翼横向舵机17输出动力，经下旋翼操纵连杆A22与下旋翼操纵连杆B23传递到下旋翼倾斜器2的外环上，带动下旋翼倾斜器2横向倾斜，进而实现对下旋翼7的横向倾斜控制。

根据背景技术里面介绍的旋翼吹风挥舞现象，假设本共轴式直升机的上旋翼逆时针(由上向下看)转动，那么其右侧为桨叶前行侧，桨叶轨迹左高右低，而下旋翼与之转向相反，下旋翼的桨叶轨迹左低右高。为避免打桨现象的发生，减小上下旋翼的倾斜程度，则在进行上旋翼6与下旋翼7横向倾斜操纵时，为上旋翼横向舵机18的操纵值减去修正量a，同时下旋翼横向舵机21的操纵值加上修正量b，并由操纵人员给定上旋翼横向舵机18与下旋翼横向舵机21在修正前横向操纵值相同，保证了在进行修正后上旋翼横向舵机18与下旋翼横向舵机21同传统的操纵方式一样只操纵一个量，且各自的修正量根据不同的前飞速度或迎面来流速度进行调整，简单有效，减轻了操纵人员负担；。经过修正后，上旋翼倾斜器1左低右高(相对传统操纵位置，图4中虚线所示)，下旋翼倾斜器2左高右低，实现对旋翼的吹风挥舞进行矫正，减小二者桨盘右侧靠近的程度，有利于上旋翼6与下旋翼7平面保持平行，有效防止打桨现象发生。另外，本发明在横向操纵方面，同样能在悬停等不需要进行分别调整上下旋翼6倾斜度的情况下，对上旋翼横向舵机18与下旋翼横向舵机21不加修正量，实现上旋翼6与下旋翼7的平行操纵。本发明共轴式直升机操纵系统进行总距操纵通过纵向舵机15及上旋翼横向舵机18、下旋翼横向舵机21、共同动作，使上旋翼倾斜器1、下旋翼倾斜器2同步上下运动，改变上旋翼6与下旋翼7的总距角。

所述航向操纵系统实现航向操纵，包括航向舵机24与航向操纵连杆25；其中，航向舵机24安装于减速器3的壳体顶面，位于下旋翼横向舵机21相对一侧。航向操纵连杆25与航向操纵滑环14的下滑环铰接。由此航向舵机24输出动力，经航向操纵连杆25带动航向操纵滑环14的下滑环上下运动，并通过航向操纵滑环中下滑环与上滑环间铰接的航向操纵撑杆13传递到上滑环，使上滑环上下运动，进而带动下旋翼协调杠杆12转动，最终带动下旋翼操纵拉杆11运动，改变下旋翼7的总距角，使得下旋翼7反扭矩变化，产生航向操纵力矩。

综上所述，本发明提供的一种上下旋翼倾斜器平行度可变的共轴式直升机操纵系统，在只比传统操纵系统多使用一个舵机的情况下，实现上下旋翼倾斜器的横向不平行度的改变，改善由于吹风挥舞带来的横向上下旋翼桨盘倾斜靠近甚至打桨问题，带来的操纵系统重量负担很小。通过两个横向舵机各自增加一个操纵修正量实现不平行操纵，而飞行过程中的操纵与传统操纵方式相同，不增加操纵难度。并且本操纵方式使得上下旋翼横向倾斜的程度降低，减小了互相抵消的上下旋翼拉力的横向分量，增加了拉力的垂直分量，如图4所示，(T为当前桨盘的拉力矢量，T’为施加不平行操纵之前的拉力矢量)，拉力矢量偏向垂直方向，横向分量明显减小，提高了直升机的效率。

Claims (6)

1.一种上下旋翼倾斜器平行度可变的共轴式直升机操纵系统，其特征在于：上旋翼倾斜器与下旋翼倾斜器分别安装于减速箱下方与上方；其中，由沿纵向设置的两个纵向驱动舵机通过连杆驱动同步同角度纵向倾斜；同时上旋翼倾斜器由位于横向上的上旋翼横向舵机通过连杆驱动横向倾斜；下旋翼倾斜器由位于横向上的下旋翼横向舵机通过连杆驱动横向倾斜；

上述上旋翼倾斜器的内环与旋翼系统的内轴底端间通过球铰连接，内环具有随内轴转动、沿内轴轴向上下移动以及侧向偏转运动；同时，内轴中空部分内设置两根上旋翼操纵长拉杆，两根上旋翼操纵长拉杆底端与内环间铰链形式相连，顶端由内轴顶端穿出后，分别通过协调杠杆与驱动上旋翼改变迎角的两根上旋翼变距拉杆相连；

上述下旋翼倾斜器的内环通过球铰与旋翼系统的外轴相连，内环具有随外轴转动、沿外轴轴向上下移动以及侧向偏转运动；内环通过两根下旋翼操纵拉杆与下旋翼协调杠杆连接下旋翼变距拉杆。

2.如权利要求1所述一种上下旋翼倾斜器平行度可变的共轴式直升机操纵系统，其特征在于：两个纵向舵机分别通过纵向舵机连杆A、纵向舵机连杆B与上旋翼倾斜器和下旋翼倾斜器相连；纵向舵机连杆A与纵向舵机输出轴铰接，一端固定于纵向舵机输出轴上；另一端与纵向舵机连杆B铰接；纵向舵机连杆B竖直设置，两端分别与上旋翼倾斜器和下旋翼倾斜器中的外环铰接。

3.如权利要求1所述一种上下旋翼倾斜器平行度可变的共轴式直升机操纵系统，其特征在于：上旋翼横向舵机的输出轴与上旋翼操纵连杆A一端铰接形式连接，上旋翼操纵连杆A的另一端与上旋翼操纵连杆B一端铰接；上旋翼操纵连杆B竖直设置，另一端铰接于上旋翼倾斜器的外环上。

4.如权利要求1所述一种上下旋翼倾斜器平行度可变的共轴式直升机操纵系统，其特征在于：下旋翼横向舵机的输出轴与下旋翼操纵连杆A一端铰接形式连接，下旋翼操纵连杆A的另一端与下旋翼操纵连杆B一端铰接，下旋翼操纵连杆B的另一端铰接于下旋翼倾斜器的外环上。

5.如权利要求1所述一种上下旋翼倾斜器平行度可变的共轴式直升机操纵系统，其特征在于：还具有航向操纵系统实现航向操纵，包括航向舵机与航向操纵连杆；其中，航向舵机通过航向操纵连杆与航向操纵滑环的下滑环铰接；航向舵机输出动力，经航向操纵连杆带动航向操纵滑环的下滑环上下运动，并通过航向操纵滑环中下滑环与上滑环间铰接的航向操纵撑杆传递到上滑环，使上滑环上下运动，进而带动下旋翼操纵拉杆运动，通过下旋翼操纵拉杆改变下旋翼的总距角。

6.如权利要求1所述一种上下旋翼倾斜器平行度可变的共轴式直升机操纵系统，其特征在于：上旋翼与下旋翼横向倾斜不平行操纵时，上旋翼横向舵机的操纵值减去修正量a；同时下旋翼横向舵机的操纵值加上修正量b，且上旋翼横向舵机与下旋翼横向舵机的横向操纵值相同。