CN107458599A - 电分布式推进反扭矩冗余电力及控制系统 - Google Patents

电分布式推进反扭矩冗余电力及控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明包括一种用于直升机的反扭矩模块的电分布式推进器和使用方法，该电分布式推进器包括：连接至主变速箱传动装置的两个或更多个发电机；连接至所述两个或更多个发电机的至少多个第一变速马达和多个第二变速马达，所述至少多个第一变速马达和多个第二变速马达连接至一个或更多个固定桨距叶片用以提供反扭矩推力；以及独立地连接至所述至少多个第一变速马达和多个第二变速马达中的每一者的至少第一偏航控制计算机和第二偏航控制计算机，其中，第一偏航控制计算机和第二偏航控制计算机中的每一者用作主要偏航控制计算机和向所述多个第一变速马达和多个第二变速马达两者提供冗余控制的备用偏航控制计算机。

Description

电分布式推进反扭矩冗余电力及控制系统
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年3月14日提交的序列号为15/458,525的美国专利申请的优先权，并且本申请是该美国专利申请的部分继续专利申请，以及本申请是于2016年6月3日提交的序列号为15/172,811的美国专利申请的部分继续专利申请，以上两项申请中的每一者的全部内容通过参引并入本文。
技术领域
本发明总体上属于飞行控制领域，并且具体地涉及用于反扭矩系统的电分布式推进反扭矩冗余电力及控制系统、以及涉及用于直升机的控制。
联邦资助研究的声明
不适用。
背景技术
在不限制本发明的范围的情况下，结合反扭矩系统来对本发明的背景技术进行描述。
反扭矩尾部旋翼通常用在直升机中，并且总体上安装成与垂尾相邻，从而提供飞行器的稳定性。在这种构型中，直升机旋翼产生横向气流。可以以高角速度驱动尾部旋翼，以提供充足的空气动力学响应。有时，由主直升机旋翼产生的涡流与由尾部旋翼产生的涡流可以相互作用，以降低由旋翼产生的推力的效率。涡流的干扰作用还可能会导致噪声的增大。为了解决这些问题，垂尾可以由环形翼型件(有时称为环翼)代替，该环形翼型件的内径大于尾部旋翼的直径从而可以围绕尾部旋翼安装。
发明内容
在一个实施方式中，本发明包括用于直升机的反扭矩模块的电分布式推进器，该电分布式推进器包括：两个或更多个发电机，所述两个或更多个发电机连接至主变速箱传动装置；至少多个第一变速马达和多个第二变速马达，所述至少多个第一变速马达和多个第二变速马达连接至所述两个或更多个发电机，其中，所述多个第一变速马达和所述多个第二变速马达以第一矩阵模式布置并且安装在直升机的尾梁上，其中，所述多个第一变速马达中的每个变速马达连接至一个或更多个固定桨距叶片，一个或更多个固定桨距叶片附接至所述多个第一变速马达中的每个变速马达以提供反扭矩推力；以及至少第一偏航控制计算机和第二偏航控制计算机，所述至少第一偏航控制计算机和第二偏航控制计算机独立地连接至所述至少多个第一变速马达和多个第二变速马达中的每一者，其中，第一偏航控制计算机和第二偏航控制计算机中的每一者用作主要偏航控制计算机和备用偏航控制计算机以向所述多个第一变速马达和所述多个第二变速马达两者提供冗余控制。在一个方面中，模块还包括电力管理系统，该电力管理系统电连接在所述两个或更多个发电机中的每个发电机与所述至少多个第一变速马达和多个第二变速马达之间。在另一方面中，电力管理系统包括至少第一电力总线和第二电力总线，其中，每个电力总线独立于另一电力总线。在另一方面中，所述至少第一电力总线和第二电力总线中的每一者还包括额外的电力总线以向第一变速马达和第二变速马达中的每一者提供双冗余电源。在另一方面中，所述多个变速马达中的每个变速马达均包括双速度控制单元。在另一方面中，所述多个变速马达中的每个变速马达通过至少两个单独的电连接件连接并且连接至所述两个或更多个发电机中的每个发电机。在另一方面中，存在下述各项中的至少一项：所述多个变速马达中的两个或更多个变速马达具有不同的尺寸、所述多个固定桨距叶片具有不同的尺寸、变速马达单独地位于涵道中、或者所述多个固定桨距叶片和所述多个变速马达中的每一个位于允许各个固定桨距叶片及第一变速马达旋转的枢轴上。在另一方面中，系统还包括飞行控制计算机中的用于下述操作中的至少一项操作的控制逻辑：计算由所述多个马达产生的总扭矩；减小或消除扭矩；使推力最大化；减少或消除瞬态；降低总尾部旋翼噪音；管理各个马达的磨损；监测尾部旋翼处的涡环状态；对马达施以脉冲以减少或消除涡环状态；控制安装在各个枢轴上的一个或更多个马达的位置或速度中的至少一者；或者在反扭矩模块绕尾梁的纵向轴线旋转的情况下控制一个或更多个马达的位置或速度中的至少一者。
在另一实施方式中，本发明包括用于直升机的反扭矩系统，该反扭矩系统包括：两个或更多个发电机，所述两个或更多个发电机连接至主变速箱传动装置；至少多个第一变速马达和多个第二变速马达，所述至少多个第一变速马达和多个第二变速马达连接至所述两个或更多个发电机，其中，所述多个第一变速马达和所述多个第二变速马达以第一矩阵模式布置并且安装在直升机的尾梁上，其中，所述多个第一变速马达中的每个变速马达连接至一个或更多个固定桨距叶片，一个或更多个固定桨距叶片附接至所述多个第一变速马达中的每个变速马达以提供反扭矩推力；至少第一偏航控制计算机和第二偏航控制计算机，所述至少第一偏航控制计算机和第二偏航控制计算机独立地连接至所述至少多个第一变速马达和多个第二变速马达中的每一者，其中，第一偏航控制计算机和第二偏航控制计算机中的每一者用作主要偏航控制计算机和备用偏航控制计算机以向所述多个第一变速马达和所述多个第二变速马达两者提供冗余控制；以及飞行控制计算机中的逻辑，该逻辑用于控制下述各项中的至少一项：所述多个第一变速马达中的一个或更多个第一变速马达的速度、方向、或者速度和方向两者，以减小或消除来自主旋翼的扭矩。在一个方面中，该系统还包括电力管理系统，该电力管理系统电连接在所述两个或更多个发电机中的每个发电机与所述至少多个第一变速马达和多个第二变速马达之间。在另一方面中，电力管理系统包括至少第一电力总线和第二电力总线，其中，每个电力总线独立于另一电力总线。在另一方面中，所述至少第一电力总线和第二电力总线中的每一者还包括额外的电力总线以向第一变速马达和第二变速马达中的每一者提供双冗余电源。在另一方面中，所述多个变速马达中的每个变速马达均包括双速度控制单元。在另一方面中，所述多个变速马达中的每个变速马达通过至少两个单独的电连接件连接并且连接至所述两个或更多个发电机中的每个发电机。在另一方面中，所述逻辑控制下述操作中的至少一项操作：计算由所述多个马达产生的总扭矩；减小或消除扭矩；使推力最大化；减少或消除瞬态；降低总尾部旋翼噪音；管理各个马达的磨损；监测尾部旋翼处的涡环状态；对马达施以脉冲以减少或消除涡环状态；控制安装在各个枢轴上的一个或更多个马达的位置或速度中的至少一者；或者在反扭矩矩阵绕尾梁的纵向轴线旋转的情况下控制一个或更多个马达的位置或速度中的至少一者。在另一方面中，系统被进一步限定为包括以下各项中的至少一项：所述多个变速马达中的两个或更多个变速马达具有不同的尺寸、所述多个固定桨距叶片具有不同的尺寸、变速马达单独地位于涵道中、或者所述多个固定桨距叶片中的每个固定桨距叶片和所述多个变速马达中的每个变速马达位于允许各个固定桨距叶片及第一变速马达旋转的枢轴上。在另一方面中，系统还包括飞行控制计算机中的用于下述操作中的至少一项操作的控制逻辑：计算由所述多个马达产生的总扭矩；减小或消除扭矩；使推力最大化；减少或消除瞬态；降低总尾部旋翼噪音；管理各个马达的磨损；监测尾部旋翼处的涡环状态；对马达施以脉冲以减少或消除涡环状态；控制安装在各个枢轴上的一个或更多个马达的位置或速度中的至少一者；或者在反扭矩模块绕尾梁的纵向轴线旋转的情况下控制一个或更多个马达的位置或速度中的至少一者。
在又一实施方式中，本发明包括一种操作直升机的方法，该方法包括：设置两个或更多个发电机，所述两个或更多个发电机连接至主变速箱传动装置；对至少多个第一变速马达和多个第二变速马达进行连接，所述至少多个第一变速马达和多个第二变速马达以第一矩阵模式布置并且安装在直升机的尾梁上，其中，所述多个第一变速马达中的每个变速马达连接至一个或更多个固定桨距叶片，一个或更多个固定桨距叶片附接至所述多个第一变速马达中的每个变速马达以提供反扭矩推力；以及将至少第一偏航控制计算机和第二偏航控制计算机独立地连接至所述至少多个第一变速马达和多个第二变速马达中的每一者，其中，第一偏航控制计算机和第二偏航控制计算机中的每一者用作主要偏航控制计算机和备用偏航控制计算机以向所述多个第一变速马达和所述多个第二变速马达两者提供冗余控制。在一个方面中，该方法还包括将电力管理系统电连接在所述两个或更多个发电机中的每个发电机与所述至少多个第一变速马达和多个第二变速马达之间。在一个方面中，电力管理系统包括至少第一电力总线和第二电力总线，其中，每个电力总线独立于另一电力总线。在一个方面中，所述至少第一电力总线和第二电力总线中的每一者还包括额外的电力总线以向第一变速马达和第二变速马达中的每一者提供双冗余电源。在一个方面中，所述多个变速马达中的每个变速马达通过至少两个单独的电连接件连接并且连接至所述两个或更多个发电机中的每个发电机。在一个方面中，所述多个变速马达中的每个变速马达均包括双速度控制单元。在一个方面中，该方法还包括操作成对的多个第一叶片桨距固定的变速马达，其中，一个叶片桨距固定的变速马达操作以提供反扭矩推力，并且第二叶片桨距固定的变速马达增大或减小速度或者方向，以提供对一对叶片桨距固定的变速马达的总定向推力的精细控制。在一个方面中，该直升机还包括下述各项中的至少一项：计算由所述多个马达产生的总扭矩；减小或消除扭矩；使定向推力最大化；减少或消除一次或更多次瞬态；降低总尾部旋翼噪音；管理各个第一叶片桨距固定的变速马达的磨损；监测尾部旋翼处的涡环状态；对第一叶片桨距固定的变速马达中的一个或更多个叶片桨距固定的变速马达施以脉冲以减少或消除涡环状态；控制安装在各个枢轴上的一个或更多个第一叶片桨距固定的变速马达的位置或速度中的至少一者；或者在反扭矩矩阵绕尾梁的纵向轴线旋转的情况下控制一个或更多个叶片桨距固定的变速马达的位置或速度中的至少一者。
在再一实施方式中，本发明包括直升机，该直升机包括：两个或更多个发电机，所述两个或更多个发电机连接至主变速箱传动装置；至少多个第一变速马达和多个第二变速马达，所述至少多个第一变速马达和多个第二变速马达以第一矩阵模式布置并且安装在直升机的尾梁上，其中，所述多个第一变速马达中的每个变速马达连接至一个或更多个固定桨距叶片，一个或更多个固定桨距叶片附接至所述多个第一变速马达中的每个变速马达以提供反扭矩推力；以及至少第一偏航控制计算机和第二偏航控制计算机，所述至少第一偏航控制计算机和第二偏航控制计算机独立地连接至所述至少多个第一变速马达和多个第二变速马达中的每一者，其中，第一偏航控制计算机和第二偏航控制计算机各自用作主要偏航控制计算机和备用偏航控制计算机以向所述多个第一变速马达和所述多个第二变速马达两者提供冗余控制；并且其中，所述多个第一变速马达中的一个或更多个第一变速马达的速度被改变以提供反扭矩推力。在一个方面中，该直升机还包括电力管理系统，该电力管理系统电连接在所述两个或更多个发电机中的每个发电机与所述至少多个第一变速马达和多个第二变速马达之间。在另一方面中，电力管理系统包括至少第一电力总线和第二电力总线，其中，每个电力总线独立于另一电力总线。在另一方面中，所述至少第一电力总线和第二电力总线中的每一者还包括额外的电力总线以向第一变速马达和第二变速马达中的每一者提供双冗余电源。在另一方面中，所述多个变速马达中的每个变速马达均包括双速度控制单元。在另一方面中，所述多个变速马达中的每个变速马达通过至少两个单独的电连接件连接并且连接至所述两个或更多个发电机中的每个发电机。
在一个实施方式中，本发明包括用于直升机的反扭矩模块，该反扭矩模块包括：多个第一变速马达，所述多个第一变速马达以第一矩阵模式布置并且安装在直升机的尾梁上；以及附接至所述多个第一变速马达中的每个第一变速马达的一个或更多个固定桨距叶片，其中，所述多个第一变速马达中的一个或更多个第一变速马达的速度被改变以提供反扭矩推力。在一个方面中，所述多个第一变速马达中的一个或更多个第一变速马达可以操作以向右舷或左舷提供定向推力，或者同时向右舷和左舷两者提供定向推力。在另一方面中，所述多个第一变速马达中的一个或更多个第一变速马达是电动马达或液压马达中的至少一者。在另一方面中，电动马达是自换向马达、外部换向马达、有刷马达、无刷马达、线性马达、AC/DC同步马达、电子换向马达、机械换向器式马达(AC或DC)、异步马达(AC或DC)、扁平型马达、三相马达、感应马达、电激励DC马达、永磁DC马达、开关磁阻马达、内部永磁同步马达、永磁同步马达、表面永磁同步马达、鼠笼式感应马达、开关磁阻马达、同步磁阻马达、变频驱动马达、绕线转子感应马达、无铁或无芯转子马达、或绕线转子同步马达中的至少一者。在另一方面中，液压马达是齿轮叶片马达、摆线马达、轴向柱塞马达、恒压马达、变压马达、变流量马达或径向活塞马达中的至少一者。在另一方面中，所述多个第一变速马达包括3个、4个、5个、6个、7个、8个、9个、10个、11个、12个、13个、14个、15个或更多个马达，所述马达可以是下述各项中的至少一项：独立地启动或关闭、成组地启动或关闭、成对地启动或关闭、或者每个马达可以独立地操作以使推力指向相同或不同的方向。在另一方面中，该模块还包括围绕所述多个第一变速马达中的一个或更多个第一变速马达及相应的固定桨距叶片的环或整流罩，其中，环或整流罩附接至单独的枢轴，或者环或整流罩围绕所有的所述多个第一变速马达及相应的固定桨距叶片。在另一方面中，第一矩阵模式与尾梁在同一平面内。在另一方面中，第一矩阵模式绕尾梁的纵向轴线旋转。在另一方面中，反扭矩模块呈圆形、椭圆形、月牙形、J形、对角线、方形、矩形、三角形、五边形、六边形、多边形、菱形、梯形、X形、Y形或风筝形。在另一方面中，该模块还包括呈第二矩阵模式的多个第二变速马达以及相应的固定桨距叶片，第二矩阵模式大体上与第一矩阵模式平行并与第一矩阵模式在同一平面内。在另一方面中，呈第一矩阵模式的多个变速马达与呈第二矩阵模式的多个变速马达彼此同轴地对准，并且固定桨距叶片面朝外。在另一方面中，所述多个第一变速马达中的两个或更多个第一变速马达及固定桨距叶片被选择成或操作成具有不同的噪音频率，并且频率或速度被选择成消除或减少尾部旋翼在操作期间的噪音。在另一方面中，所述多个第一变速马达中的两个或更多个第一变速马达具有不同的尺寸。在另一方面中，所述多个固定桨距叶片中的两个或更多个固定桨距叶片具有不同的尺寸。在另一方面中，所述多个固定桨距叶片和所述多个第一变速马达分别位于涵道中。在另一方面中，所述多个固定桨距叶片及第一变速马达中的每一个位于允许各个固定桨距叶片及第一变速马达旋转的枢轴上。在另一方面中，该模块还包括飞行控制计算机中的用于下述操作中至少一项操作的控制逻辑：计算由所述多个马达产生的总扭矩；减小或消除扭矩；使推力最大化；减少或消除瞬态；降低总尾部旋翼噪音；管理各个马达的磨损；监测尾部旋翼处的涡环状态；对马达施以脉冲以减少或消除涡环状态；控制安装在各个枢轴上的一个或更多个马达的位置或速度中的至少一者；或者在反扭矩模块绕尾梁的纵向轴线旋转的情况下控制一个或更多个马达的位置或速度中的至少一者。在另一方面中，模块还包括旋转感测系统和控制逻辑，旋转感测系统测量直升机的旋转，控制逻辑包括旋转建模单元，该旋转建模单元接收反映直升机的旋转的旋转数据以确定第一变速马达的速度的变化，进而控制或调整直升机的旋转。在另一方面中，控制逻辑还包括置于旋转感测系统与第一变速马达之间的滤波单元，其中，滤波单元配置成在逻辑接收数据之前从数据中滤除噪声，并且逻辑在去除噪声之后改变一个或更多个第一变速马达的速度。在另一方面中，控制逻辑还包括校正逻辑，该校正逻辑配置成迭代地校正在一个或更多个第一变速马达的已知速度下的直升机的估算旋转与实际旋转之间的误差。在另一方面中，控制逻辑还包括校正逻辑，该校正逻辑配置用于参照一个或更多个第一叶片桨距固定的变速马达的速度数据与直升机的旋转的关系来校正直升机旋转的误差。
在一个实施方式中，本发明包括用于直升机的反扭矩系统，该反扭矩系统包括：多个第一变速马达，所述多个第一变速马达以第一矩阵模式布置并且安装在直升机的尾梁上；附接至所述多个第一变速马达中的每个变速马达的一个或更多个固定桨距叶片，其中，所述多个第一变速马达及其相应的固定桨距叶片的速度和方向被改变以提供定向推力；以及飞行控制计算机中的逻辑，该逻辑用于控制下述各项中的至少一项：所述多个第一变速马达中的一个或更多个第一变速马达的速度、方向、或者速度和方向两者，以减小或消除来自主旋翼的扭矩。在一个方面中，所述多个第一变速马达中的一个或更多个第一变速马达可以操作以向右舷或左舷提供定向推力，或者同时向右舷和左舷两者提供定向推力。在另一方面中，所述多个第一变速马达中的一个或更多个第一变速马达是电动马达或液压马达中的至少一者。在另一方面中，逻辑控制下述各项中的至少一项：计算由所述多个马达产生的总扭矩；减小或消除扭矩；使推力最大化；减少或消除瞬态；降低总尾部旋翼噪音；管理各个马达的磨损；监测尾部旋翼处的涡环状态；对马达施以脉冲以减少或消除涡环状态；控制安装在各个枢轴上的一个或更多个马达的位置或速度中的至少一者；或者在反扭矩矩阵绕尾梁的纵向轴线旋转的情况下控制一个或更多个马达的位置或速度中的至少一者。在另一方面中，第一矩阵模式与尾梁在同一平面内。在另一方面中，所述多个第一变速马达包括3个、4个、5个、6个、7个、8个、9个、10个、11个、12个、13个、14个、15个或更多个马达，所述马达可以是下述各项中的至少一项：独立地启动或关闭、成组地启动或关闭、成对地启动或关闭、或者每个马达可以独立地操作以使推力指向相同或不同的方向。在另一方面中，该系统还包括围绕所述多个第一变速马达中的一个或更多个第一变速马达及相应的固定桨距叶片的环或整流罩，其中，环或整流罩附接至单独的枢轴，或者环或整流罩围绕所有的所述多个第一变速马达及相应的固定桨距叶片。在另一方面中，反扭矩模块呈圆形、椭圆形、月牙形、J形、对角线、方形、矩形、三角形、五边形、六边形、多边形、菱形、梯形、X形、Y形或风筝形。在另一方面中，该系统还包括呈第二矩阵模式的多个第二变速马达以及相应的固定桨距叶片，第二矩阵模式大体上与第一矩阵模式平行并与第一矩阵模式在同一平面内。在另一方面中，呈第一矩阵模式的多个变速马达与呈第二矩阵模式的多个变速马达彼此同轴地对准，并且固定桨距叶片面朝外。在另一方面中，所述多个第一变速马达中的两个或更多个第一变速马达及固定桨距叶片被选择成或操作成具有不同的噪音频率，并且频率或速度被选择成消除或减少尾部旋翼在操作期间的噪音。在另一方面中，所述多个第一变速马达中的两个或更多个第一变速马达具有不同的尺寸。在另一方面中，所述多个固定桨距叶片中的两个或更多个固定桨距叶片具有不同的尺寸。在另一方面中，所述多个固定桨距叶片及第一变速马达中的一个或更多个分别位于涵道中。在另一方面中，所述多个固定桨距叶片及第一变速马达中的每一个位于允许各个固定桨距叶片及第一变速马达旋转的枢轴上。
在另一实施方式中，本发明还包括一种操作直升机的方法，该方法包括：在直升机的尾梁上设置反扭矩矩阵，该反扭矩矩阵包括多个第一叶片桨距固定的变速马达；以及在直升机操作期间以一个或更多个速度操作一个或更多个第一叶片桨距固定的变速马达以提供反扭矩推力或扭矩推力中的至少一者。在一个方面中，该方法还包括：计算或测量多个第一叶片桨距固定的变速马达中的每个第一叶片桨距固定的变速马达的噪音水平或反扭矩矩阵的噪音水平，以及调节所述一个或更多个第一叶片桨距固定的变速马达中的每个第一叶片桨距固定的变速马达的速度以降低或消除操作期间的噪音。在另一方面中，第一叶片桨距固定的变速马达是电动马达或液压马达中的至少一者。在另一方面中，该方法还包括：改变反扭矩矩阵的所述多个第一叶片桨距固定的变速马达中的处于飞行模式下的各个第一叶片桨距固定的变速马达中的每个第一叶片桨距固定的变速马达的速度，以调节直升机的扭矩、滚转或偏航中的至少一者。在另一方面中，该方法还包括：在直升机操作期间通过改变来自各个叶片桨距固定的变速马达的输出来改变一个或更多个第一叶片桨距固定的变速马达的速度，以获得最佳推力。在另一方面中，该方法还包括：对一个或更多个第一叶片桨距固定的变速马达的速度施以脉冲调节以减少或消除涡环状态或瞬态中的至少一者。在另一方面中，该方法还包括：将多个第二变速马达与相应的固定桨距叶片一起定位成第二矩阵模式，该第二矩阵模式与第一矩阵模式基本上平行且与第一矩阵模式位于同一平面中。在另一方面中，呈第一矩阵模式的多个变速马达与呈第二矩阵模式的多个变速马达彼此同轴地对准，并且固定桨距叶片面朝外。在另一方面中，该方法还包括：操作多个第一叶片桨距固定的变速马达中的成对的变速马达，其中，一个叶片桨距固定的变速马达操作成提供反扭矩推力，并且第二叶片桨距固定的变速马达增大或减小速度或者方向，以提供对一对叶片桨距固定的变速马达的总定向推力的精细控制。在另一方面中，该方法还包括下述各项中的至少一项：计算由多个马达产生的总扭矩；减小或消除扭矩；使定向推力最大化；减少或消除一次或更多次瞬态；降低总尾部旋翼噪音；管理各个第一叶片桨距固定的变速马达的磨损；监测尾部旋翼处的涡环状态；对第一叶片桨距固定的变速马达中的一个或更多个叶片桨距固定的变速马达施以脉冲以减少或消除涡环状态；控制安装在各个枢轴上的一个或更多个第一叶片桨距固定的变速马达的位置或速度中的至少一者；或者在反扭矩矩阵绕尾梁的纵向轴线旋转的情况下控制一个或更多个叶片桨距固定的变速马达的位置或速度中的至少一者。在另一方面中，该方法还包括：对于等效马达速度，计算由另一叶片桨距固定的变速马达后方的叶片桨距固定的变速马达产生的推力的量，其中，(一个或多个)后方的叶片桨距固定的变速马达与第一矩阵中的前方的叶片桨距固定的变速马达相比具有更大扭矩。在另一方面中，反扭矩模块呈圆形、椭圆形、月牙形、J形、对角线、方形、矩形、三角形、五边形、六边形、多边形、菱形、梯形、X形、Y形或风筝形。
在又一实施方式中，本发明包括一种用于与直升机一起使用的直升机旋转估算方法，该直升机包括多个第一叶片桨距固定的变速马达，所述多个第一叶片桨距固定的变速马达以第一矩阵模式布置并且安装在直升机的尾梁上，该方法包括：响应于以第一矩阵模式布置并且安装在直升机的尾梁上的多个第一变速马达的基线速度而测量直升机的旋转；测量直升机对来自第一变速马达中的一个或更多个第一变速马达的速度信号的旋转响应；以及将直升机的所测得旋转与直升机的估算旋转进行比较，以基于对直升机的估算旋转与实际旋转的比较来改变所述一个或更多个第一变速马达的速度，从而实现直升机的特定旋转。在一个方面中，该方法还包括：从设置在飞行器的机体的前部部分处的空速感测系统获得飞行器的空速，并且减小或增大所述多个第一固定叶片桨距变速马达中的一个或更多个第一固定叶片桨距变速马达的速度，以控制直升机在飞行期间的偏航或控制直升机在飞行期间对瞬态的响应。在一个方面中，比较步骤还包括：从反映直升机的旋转的数据中滤除噪声。在另一方面中，比较步骤还包括：在估算旋转与实际旋转之间迭代地校正反映直升机的旋转的数据。在另一方面中，比较步骤还包括：参照一个或更多个第一叶片桨距固定的变速马达的速度数据与直升机的旋转的关系来校正反映直升机的旋转的数据。在另一方面中，在飞行控制计算机中设置有操作该方法的逻辑。
本发明的再一实施方式是一种直升机，其中，直升机包括用于直升机的反扭矩模块，其包括：多个第一变速马达，所述多个第一变速马达以第一矩阵模式布置并且安装在直升机的尾梁上；以及一个或更多个固定桨距叶片，所述一个或更多个固定桨距叶片附接至所述多个第一变速马达中的每个第一变速马达，并且其中，所述多个第一变速马达中的一个或更多个变速马达的速度被改变以提供反扭矩推力。
附图说明
为了更彻底地理解本发明的特征和优点，现在参照本发明详细描述以及附图，在附图中：
图1是示出具有叶片桨距固定的马达的反扭矩矩阵的直升机的侧视示意图。
图2示出了使用多个涵道旋翼来产生反扭矩推力。
图3A至图3F示出了本发明的提供较高效率和减小的总体尺寸的反扭矩矩阵的各种示意图。
图4A至图4F示出了本发明的提供较高效率和减小的总体尺寸的反扭矩矩阵的各种示意图。
图5A和图5B示出了本发明的带有面向外部的桨距固定的叶片的同轴地定位的马达的变型。
图6A和图6B示出了本发明的带有面向外部的桨距固定的叶片的同轴地定位的马达的变型。
图7示出了用于对包括呈矩阵模式的变速马达和角度固定的叶片的直升机的旋转进行控制的控制逻辑的流程图。
图8示出了与以第一矩阵布置的或以第一矩阵和第二矩阵布置的多个变速马达一起使用的旋转控制系统。
图9示出了本发明的电分布式推进反扭矩系统。
图10示出了本发明的另一电分布式推进反扭矩系统。
具体实施方式
尽管在下面详细讨论了本发明的各种实施方式的制作和使用，但是应当理解的是，本发明提供可以在范围广泛的具体环境中实施的许多可适用的发明构思。本文中所讨论的具体实施方式仅是对用以制造和使用本发明的具体方式的说明，而不限制本发明的范围。
为了便于理解本发明，下面限定了许多术语。本文中限定的术语具有如本发明所属技术领域的技术人员通常理解的含义。诸如“一”，“一个”和“该”的术语并不意在仅指单个实体，而是包括可以用于说明的特定示例的一般类型。本文中的术语用于描述本发明的具体实施方式，但是这些术语的使用不限制本发明，除非这些术语概述在权利要求中。
具有单个主旋翼系统的大多数直升机需要单独的旋翼以克服扭矩。传统地，这在直升机上是使用桨距可变的反扭矩旋翼或尾部旋翼来完成的，所述桨距可变的反扭矩旋翼或尾部旋翼通过轴和齿轮箱接收来自发动机的动力。尽管已经进行了许多尝试以直接使用大型电动马达代替传统的轴和齿轮箱向传统单尾部旋翼供以动力。这些尝试被证明是不切实际的，然而这暗示需要能够提供所需扭矩和速度的过重的电动马达向传统尾部旋翼供以动力。此外，单个或甚至双电动马达的安全可靠性不似轴和变速箱的安全可靠性。
本发明涉及一种用于向用来在直升机上产生反扭矩推力和偏航飞行控制的电动马达阵列提供电力和计算机控制的冗余系统。本发明在唯一的体系结构中使用冗余发电机和飞行控制计算机，以在部件或系统故障的情况下提供必要的飞行安全性。从未为载人飞行器建造分布式推进反扭矩系统。尽管单旋翼电动反扭矩系统已经用于小型无人直升机，然而这些系统不包括在发生故障的情况下的任何冗余。
本发明还可以包括使用叶片桨距固定的马达模块的矩阵的反扭矩控制，该反扭矩控制通过利用小型叶片桨距固定的电动马达模块的矩阵代替传统尾部旋翼来解决与电动反扭矩有关的过重和安全可靠性问题。
本发明与现有的尾部旋翼构型相比具有一些优点。一个这样的优点是一起形成反扭矩矩阵的各个叶片桨距固定的马达(例如，电动驱动马达、液压驱动马达或气动驱动马达)的低转动惯量，其中各个马达可以被单独控制以快速改变各个马达的速度和方向。本发明还消除了叶片桨距可变的系统的复杂性。本发明的优点包括使用小尺寸的叶片桨距固定的电动马达模块来提供充足的对流冷却，从而消除了对主动冷却系统的需求。此外，操作大量的叶片桨距固定的电动马达模块通过高水平的冗余提供针对部件故障的安全可靠性，而没有过重。此外，叶片桨距固定的电动马达模块的广泛分布提供了针对诸如碰撞和闪电之类的外部威胁的增加的安全性。另外，当直升机在地面上时，其中主旋翼转动，叶片桨距固定的电动马达模块的较小惯性以及将叶片桨距固定的电动马达模块完全关闭的能力降低了因接触叶片而对人员造成的伤害风险。此外，本发明通过减速或停止所选择的叶片桨距固定的电动马达模块来提高巡航效率。本发明的另一个重要优点是通过以较慢的速度操作叶片桨距固定的电动马达模块的矩阵或停止所选择的叶片桨距固定的电动马达模块来减小乘客噪声和振动。本发明还通过以不同的单独速度操作叶片桨距固定的电动马达模块的矩阵从而将频率分布成横跨宽频带来减小悬停中的令人讨厌的地面噪声。在操作期间，本发明可以通过电传飞行控制器提供偏航稳定性增强能力来提高飞行期间的稳定性。最后，在高空操作时可以增大叶片桨距固定的电动马达模块的速度，以补偿推力的减小。本发明还通过反扭矩矩阵的推力角度的方向优化来提高巡航效率。
本发明包括一种可转换直升机的反扭矩矩阵，所述可转换直升机的反扭矩矩阵使用叶片桨距固定的电动马达或液压驱动马达、以及用于地面和低速前进飞行的变速马达。整个反扭矩矩阵或各个马达、马达对、或马达的其他组合可以具有代替直升机的传统尾部旋翼的包围环或整流罩，并且包围环或整流罩经由可以用于引导反扭矩矩阵的一个或更多个马达的推力的枢轴连接至直升机。替代性地，各个叶片桨距固定的电动马达或液压驱动马达、变速马达可以各自具有连接至枢轴的包围环或整流罩。形成模块的各种尾部旋翼马达的组合叶片可各自提供单独的推力。固定的反扭矩矩阵可以包括两个、三个、四个、五个、六个、七个、八个、九个、十个或更多个单独的叶片桨距固定的变速马达，所述单独的叶片桨距固定的变速马达可以沿一个或更多个方向单独地操作或以一个或更多个组合的形式操作。此外，本发明包括平行定位以提供向外推力的同轴(或偏离的)马达对。
当设置在整流罩内时，可以捕获各种涡流以形成循环空气模式，循环空气模式可以用作泵以从与马达上游表面相邻的区域通过叶片桨距固定的电动马达或液压驱动马达、变速马达的中央抽吸额外空气。循环空气模式和排气可以增大尾流的直径和由反扭矩矩阵输送的空气体积。反扭矩矩阵的尾流可以通过组合的叶片桨距固定的电动马达或液压驱动马达、变速马达的操作而在包括较大质量的空气的同时以较小的速率输送，从而提高作为尾部旋翼的整体反扭矩矩阵的操作的效率。
通过使用较小的单独的电动马达——每个较小的单独的电动马达均具有其自己的桨距固定的推进器，每个推进器的总旋转能量要小得多，并且甚至可以使用更柔软或甚至是易碎的材料，这将在悬停或较慢速飞行期间在任何地勤人员接触时保护该地勤人员，同时仍然提供附加的气动力来控制前进飞行中的飞行器偏航、滚转或俯仰。
叶片桨距固定的电动马达或液压驱动马达、变速马达可以提供纵向俯仰调整和侧向偏航调整。在巡航模式下，叶片桨距固定的电动马达或液压驱动马达、变速马达的流动轴线与机身的长轴线大致对准或者沿着机身的长轴线，以用作水平稳定器。在悬停模式下，叶片桨距固定的电动马达或液压驱动马达、变速马达的布置消除了由于与来自主旋翼的向下洗流的干扰而可能会产生的水平尾表面的向下负荷。叶片桨距固定的电动马达或液压驱动马达、变速马达还可以通过经由飞行员调整控制将其以偏航方向入射角度定位来在前进飞行中卸载反扭矩矩阵，从而降低动力消耗。反扭矩矩阵在侧向飞行中呈现出表面区域，并且因此能够在被迫滚转中用作偏航阻尼器。反扭矩矩阵还可以帮助减小水平稳定器的尺寸。替代性地或此外，反扭矩矩阵的应用可以允许消除通常在传统直升机上使用的竖向表面和水平表面。这可以允许减轻重量、减小旋翼尾流中的水平稳定器的向下负荷以及减少在侧向(侧面)飞行中的投影侧面面积和阻力。
本发明解决了当前电动马达技术的局限性，并且获得了电动马达的用于直升机反扭矩控制的优点或独特性的能力。目前可用的电动马达技术具有用于直接替代飞行器上的机械传动系、涡轮发动机或内燃(IC)发动机的受限的实用性。这是由于尽管电动马达和电池技术有最新进展，但是随着马达尺寸的增大，可比功率密度(马达每单位重量的动力输出)变得不太实用。这就是为什么电动马达在小型无人驾驶飞行器上工作得特别好，但是由于在固定翼战斗飞行器上使用的范围非常有限，因而仍然是不切实际的。
本发明获得了用于直升机反扭矩控制的电动马达的独特性能能力的优点。使用这种分布式电力推进设计和当今的飞行控制技术，可以独立地控制每个马达以改变单独的马达推力，从而定位反扭矩矩阵(铰接在中央并绕竖向轴线自由旋转)以获得最佳的总推力(方向和量值)。在悬停模式下，直升机需要垂直于机体中心线的反扭矩推力。随着直升机增大其前进空速，这种垂直推力需求降低。随着反扭矩推力需求的降低，马达的速度可以改变，以使动力利用率和整体飞行器性能最佳化。
由于随着电动马达尺寸的增大，电动马达的动力密度变得不太实用，因此“分布式推进器”使用较大量的较小马达。使用齿轮箱将多个小型马达的轴输出组合成单轴输出可以消除任何重量节省，并引入热问题，这可能需要增加流体冷却系统和更多的重量。然而，通过在机体上分配多个小型马达，可以通过在整个飞行器上散布推进引起的较小负荷来减少总飞行器结构重量。以至少一个旋翼直径来分离马达还提供了有效的对流冷却。利用现有的电力存储技术(电池、燃料电池)，分布式推进在载人固定翼飞行器上的应用变得越来越实用，但范围非常有限。在存储能量耗尽的情况下，固定翼飞行器仍然可以滑翔以安全着陆。这与在直升机上应用用于升力推进的分布式推进的情况不一样。在具有分布式推进的直升机上，多个小旋翼的旋转惯性不足以支承用于安全着陆的自动旋转。结合竖向升力旋翼所需的较高动力需求，使纯电动直升机变得不切实际，直到急剧提高电力存储技术。
对于包含分布式推进的载人直升机配置，不需要用于反扭矩控制的专用系统。多个小旋翼抵消彼此的扭矩，并且改变旋翼速度可以控制偏航。因此，专门用于反扭矩控制的分布式推进应用似乎被忽视。
例如，使用用于尺寸分析的贝尔(Bell)模型407的尾部旋翼，使用现有的市售运动轻型应用电动马达和推进器，可以在大致相同的盘区域中通过叶片桨距固定的电动马达模块的3×3或4×4矩阵产生等效推力。使用保守重量近似为5磅(2.2千克)的叶片桨距固定的电动马达模块(用于3×3矩阵)，减去结构和系统装置的总重量为45磅(20千克)。该重量与当前贝尔模型407的旋翼和变速箱重量相当。模型407上的一个起动机/发电机不能提供足够的动力或可靠性来支承本发明的叶片桨距固定的马达模块的矩阵的操作。然而，消除尾部旋翼输出轴为主变速箱附件传动装置安装座提供了安装冗余发电机的空间。由于增加的发电机容量超过了安全可靠性的所需量，因此，以约40kW功率运行的两个发电机可被用于非飞行临界用途。类似的计算还适用于液压马达的使用。
使用叶片桨距固定的马达模块的矩阵的另一优点是，在所有飞行器发动机功率损失的情况下，反扭矩控制推力的功率需求变得最小。因此，在自动旋转着陆的情况下，对飞行器电力系统的影响和旋翼能量也是最小的。随着前进飞行速度的增大，旋翼之间气流的相互作用导致最后方的旋翼失去了其有效性。相应地，随着前进速度的增大，所需的反扭矩推力减小。因此，随着前进速度的增大，最后方的模块将逐渐关闭，以消除不必要的功耗并降低噪声。
本发明可以使用电动马达和/或液压马达中的至少一者。用于本发明的电动马达的非限制性示例包括：自换向马达、外部换向马达、有刷马达、无刷马达、线性马达、AC/DC同步马达、电子换向马达、机械换向器式马达(AC或DC)、异步马达(AC或DC)、扁平型马达、三相马达、感应马达、电激励DC马达、永磁DC马达、开关磁阻马达、内部永磁同步马达、永磁同步马达、表面永磁同步马达、鼠笼式感应马达、开关磁阻马达、同步磁阻马达、变频驱动马达、绕线转子感应马达、无铁或无芯转子马达、或绕线转子同步马达。用于本发明的液压马达的非限制性示例包括：齿轮叶片马达、摆线马达、轴向柱塞马达、恒压马达、变压马达、变流量马达或径向活塞马达。
图1是具有反扭矩矩阵110的直升机100的侧视示意图，该反扭矩矩阵110在该形式中示出为具有九个叶片桨距固定的马达112a至112i，叶片桨距固定的马达112a至112i可以是叶片桨距固定的电动马达或液压驱动马达和/或变速马达。直升机100包括由机身104承载的旋转系统102。连接至旋转系统102的旋翼叶片106为直升机100提供飞行。旋翼叶片106由位于机身104内的多个控制器控制。例如，在飞行期间，飞行员可以操纵用于改变旋翼叶片106的桨距角度的循环控制器(未示出)以及/或者可以操纵踏板(未示出)，以提供竖向飞行控制、水平飞行控制和偏航飞行控制。直升机100具有尾梁108，尾梁108在尾端部处支承反扭矩矩阵110。叶片桨距固定的马达112a至112i中的每个叶片桨距固定的马达均可以单独地或以组的形式操作，以提供用于使直升机100横向地稳定的反向扭矩力。叶片桨距固定的马达112a至112i中的每个叶片桨距固定的马达均作为反扭矩矩阵110的一部分安装在尾梁108上。反扭矩矩阵110居中在毂上，使得反扭矩矩阵110的前边缘在于直升机100的朝向尾梁108的一侧。例如，当直升机100的单个主旋翼从上方观察为逆时针旋转时，反扭矩矩阵110的前边缘位于直升机100的右(右舷)侧。
图2示出了使用多个涵道旋翼来产生反扭矩推力。在该示例中，直升机100具有反扭矩矩阵110，该反扭矩矩阵110在该形式中描绘为具有九个叶片桨距固定的马达112a至112i，所述九个叶片桨距固定的马达112a至112i可以是叶片桨距固定的电动马达或液压驱动马达和/或变速马达，所述九个叶片桨距固定的马达112a至112i中的每个叶片桨距固定的马达单独地位于涵道中。反扭矩矩阵110还可以包括形成用于九个叶片桨距固定的马达112a至112i的涵道的一部分的表面114。与图1中的直升机的情况一样，直升机100包括由机身104承载的旋转系统102。连接至旋转系统102的旋翼叶片106为直升机100提供飞行。旋翼叶片106由位于机身104内的多个控制器控制。例如，在飞行期间，飞行员可以操纵用于改变旋翼叶片106的桨距角度的循环控制器(未示出)以及/或者可以操纵踏板(未示出)，以提供竖向飞行控制、水平飞行控制和偏航飞行控制。直升机100具有尾梁108，尾梁108在后方端部处支承反扭矩矩阵110，尾梁108还允许反扭矩矩阵110绕尾梁108的纵向轴线旋转。叶片桨距固定的马达112a至112i中的每个叶片桨距固定的马达均可以单独地或以组的形式操作，以提供用于使直升机100横向地稳定的反向扭矩力。叶片桨距固定的马达112a至112i中的每个叶片桨距固定的马达均作为反扭矩矩阵110的一部分安装在尾梁108上。反扭矩矩阵110居中在毂上，使得反扭矩矩阵110的前边缘在于直升机100的朝向尾梁108的一侧。例如，当直升机100的单个主旋翼从上方观察为逆时针旋转时，反扭矩矩阵110的前边缘位于直升机100的右(右舷)侧。
在操作中，在直升机操作的第一模式期间，反扭矩矩阵110定向成与直升机100的尾梁108大致在同一平面内。本领域技术人员应当认识到的是，反扭矩矩阵110可以是第一反扭矩矩阵110，其中与第一反扭矩矩阵110大致平行的第二反扭矩矩阵110提供额外的马达和桨距固定的叶片，所述桨距固定的叶片通常彼此面向外部，其中马达位于反扭矩矩阵110的中央。通常，马达是同轴的，然而，在一些实施方式中，马达不必是同轴的。此外，尽管图1和图2示出了为3×3矩阵形式的反扭矩矩阵110，该反扭矩矩阵110通常为菱形形状，然而本领域技术人员应当认识到的是，反扭矩矩阵110可以呈任何形状并且包括2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15或更多的马达，这些马达还可以是同轴成对的。此外，反扭矩矩阵110可以呈任何形状，诸如圆形、椭圆形、月牙形、J形、对角形、正方形、矩形、三角形、五边形、六边形、多边形、菱形、梯形、X形、Y形或风筝形。
例如，直升机操作的第一模式是悬停模式，该悬停模式通常是直升机100坐落在地面上或地面附近的模式，其中，当直升机100以较慢速飞行运行时，反扭矩矩阵110提供来自一个或更多个叶片桨距固定的马达112a至112i的推力。在该取向中，反扭矩矩阵110可以为直升机操作提供操纵性及平飞。在悬停期间，反扭矩矩阵110的一个或更多个叶片桨距固定的马达112a至112i的推力方向可以为相反的方向，例如，一个子组马达可以将其推力指向一个方向，而另一子组可以指向相反的方向以向直升机100提供更精细的旋转控制。当然，在飞行控制计算机中的逻辑控制下，各个马达的速度还可以被改变，该逻辑计算反扭矩矩阵110在至第一操作模式以及从第一操作模式转换至第二操作模式的过渡期间的位置，并且用于独立地控制各个风扇速度以对矩阵定位用于提供最佳推力角度以及最佳推力大小。
在第二操作模式下，在直升机操作的与第一模式不同的第二模式期间，反扭矩矩阵110定向成显著偏离于直升机100的尾梁108的平面。例如，直升机操作的第二模式是飞行模式(例如，从低速至高速的前进飞行模式)。在飞行模式下，反扭矩矩阵110的取向从与尾梁108大致共平面变为非共平面。例如，通过围绕枢轴枢转，反扭矩矩阵110可以与尾梁108的平面大致垂直。替代性地，反扭矩矩阵110的取向可以位于相对于尾梁108的共平面与垂直之间的任何位置。
图3A至图3F和图4A至图4F示出了本发明的提供较高效率和减小的总体尺寸的变速马达的矩阵模式的几种变型。本领域技术人员应当认识到的是，当使用2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15或更多的电动马达和/或液压马达时，存在无穷数量的旋翼数量和旋翼位置模式的可能变型。当然，不同的马达还可以以2、3、4、5或更多的组的形式位于涵道中，此外，不同的马达具有各种形状和尺寸。此外，不同的马达可以为不同的尺寸，并且叶片的尺寸在整个矩阵中也可以变化。
图3A至图3F和图4A至图4F示出了带有直升机100的尾梁108的反扭矩矩阵的各种示意图。在图3A中，反扭矩矩阵300安装至具有表面114的尾梁108，并且反扭矩矩阵300被描绘为具有各种电动马达和不同尺寸的固定桨距角度叶片，并且总体上形成为三角形形状，其中三角形的顶点面向后方并且反扭矩矩阵110大体是竖向的。图4A中示出了与图3A中相同的构型，在这种情况下，反扭矩矩阵400描绘为具有枢轴412。图3B示出了反扭矩矩阵302被安装至具有表面114的尾梁108或与该尾梁108成一体，并且被描绘为呈J形，其中各种电动马达和固定桨距角度叶片分别具有约相同的尺寸并位于涵道中。图4B示出了与图3B中相同的构型，在这种情况下，反扭矩矩阵402描绘为具有枢轴412。然而，在该构型中，反扭矩矩阵402示出了平面内变速马达和偏离平面变速马达的组合，其也可以适用于本文中所示的所有构型。图3C示出了反扭矩矩阵304安装至具有表面114a和114b的尾梁108，并且被描绘为包括分别具有约相同尺寸的各种电动马达和固定桨距角度叶片，以及被描绘为总体上形成三角形形状，三角形的顶点面向前方。在图3C中，反扭矩矩阵304定向成偏离直升机100的尾梁108的平面，也就是说，反扭矩矩阵304已经从平面内取向关于在上端部轴线114a与于下端部轴线114b之间穿过的Z轴线垂直地旋转。在一些实施形式中，反扭矩矩阵304可以关于水平X轴线枢转以提供直升机100的偏航控制。图4C中示出了与图3C中相同的构型，在这种情况下，反扭矩矩阵404被描绘为具有枢轴412。图3D示出了反扭矩矩阵306安装至具有表面114a和114b的尾梁108，并且被描绘为包括分别具有约相同尺寸的各种电动马达和固定桨距角度叶片，以及总体上形成三角形形状，该三角形的顶点面向前方，然而，在该实施方式中，叉部是水平的。图4D中示出了与图3D中相同的构型，在这种情况下，反扭矩矩阵406被描绘为具有枢轴412。图3E示出了反扭矩矩阵308安装至具有表面114的尾梁108，并且反扭矩矩阵308被描绘为包括分别具有约相同尺寸的各种电动马达和固定桨距角度叶片，以及总体上形成X形形状，其中具有两个额外的马达。图4E中示出了与图3E中相同的构型，在这种情况下，反扭矩矩阵408被描绘为具有枢轴412。图3F示出了反扭矩矩阵310安装至具有表面114a和114b的尾梁108，并且被描绘为包括具有约相同尺寸的各种电动马达和固定桨距角度叶片，以及总体上形成月牙形状，该月牙形的顶点面向前方。图4F中示出了与图3F中相同的构型，在这种情况下，反扭矩矩阵410被描绘为具有枢轴412。
图4A至图4F示出了在位于直升机100的尾梁108的端部处的反扭矩矩阵400至410中枢转机构可以包括有一个或更多个固定桨距旋翼。在一些实施形式中，枢转机构可以是电动的，或者可以甚至是钟形曲柄(bell crank)系统并且可以包括连接至钟形曲柄系统的滑轮线缆系统。枢转机构可以由直升机100的操作者控制，以在直升机操作的第一模式期间使反扭矩矩阵400至410定向成与直升机100的尾梁108大致在同一平面内，并且在直升机操作的与第一模式不同的第二模式期间使反扭矩矩阵400至410定向成显著偏离直升机100的尾梁108的平面。在电传飞行配置中，枢转机构可由飞行控制计算机中的逻辑控制，该逻辑计算反扭矩矩阵400至410在至第一操作模式以及从第一操作模式转换至第二操作模式的过渡期间的位置，并且用于独立地控制各个风扇速度以定位矩阵来达到最佳推力角度以及最佳推力大小。
图5A是在该形式中描绘为位于尾梁108上的反扭矩矩阵110的后端视图，其中在尾梁108的端部处可以包括反扭矩矩阵110，反扭矩矩阵110包括被示出位于反扭矩矩阵110的本体内的两组平行的变速马达502a至502f和角度固定的叶片，其中变速马达502a至502f是同轴的并且叶片面向外部。每对同轴马达(502a和502f、502b和502e以及502c和502d)被描绘为分别位于涵道504a、504b、504c内，并且示出了相对于尾梁位于内侧的三对马达。本领域技术人员应当认识到的是，在反扭矩矩阵110具有6、9、12或其他对数的马达的情况下，端视图在该形式中仅允许示出最靠近的马达(502a至502f)，然而，还可以从这些马达的前方发现其他成对的马达和涵道。
图5B是在该形式中描绘为位于尾梁108上的反扭矩矩阵110的后端视图，其中在尾梁108的端部处可以包括反扭矩矩阵110，反扭矩矩阵110包括被示出为从反扭矩矩阵110的塔杆506延伸的两组平行的变速马达502a至502f和角度固定的叶片，其中变速马达502a至502f是同轴的并且叶片面向外部。每对同轴马达(502a和502f、502b和502e以及502c和502d)被描绘为分别位于涵道504a、504b、504c内，并且示出了三对马达。本领域技术人员应当认识到的是，在反扭矩矩阵110具有6、9、12或其他对数的马达的情况下，端视图在该形式中仅允许示出最靠近的马达(502a至502f)，然而，还可以从这些马达的前方发现其他成对的马达和涵道。
图6A和图6B示出了与图5A和图5B相同的构型，但是在该构型中，马达602a至602f连接至枢转机构612。枢转机构612可以是电动的、机械的、或者甚至可以是钟形曲柄系统并且可以包括连接至钟形曲柄系统的滑轮线缆系统。在图6A和图6B中所示的构型中，反扭矩矩阵110的后部在尾部旋翼的后部中——比如在塔杆606处——设置有向后的凹槽或开口，以向旋翼机增加推力。枢转机构可以由直升机100的操作者控制，以在直升机操作的第一模式期间使反扭矩矩阵110定向成与直升机100的尾梁108大致在同一平面内，并且在直升机操作的与第一模式不同的第二模式期间使反扭矩矩阵110定向成明显偏离直升机100的尾梁108的平面。在电传飞行配置中，枢转机构可由飞行控制计算机中的逻辑控制，该逻辑计算反扭矩矩阵110在至第一操作模式以及从第一操作模式转换至第二操作模式的过渡期间的位置，并且用于独立地控制各个风扇速度以定位矩阵来达到最佳推力角度以及最佳推力大小。
图7示出了用于对包括呈矩阵模式的变速马达和角度固定的叶片的直升机的旋转进行控制的控制逻辑700的流程图。在步骤702中，例如位于飞行控制计算机中的控制逻辑700接收来自例如旋转传感器的直升机的旋转测量。在步骤704中，控制逻辑700改变一个或更多个变速马达的速度，以将扭矩或反扭矩增大至期望的旋转，该旋转可以包括不旋转。控制逻辑700可以包括根据马达的尺寸、桨距固定的叶片的尺寸或矩阵中的位置来查找变速马达中的每个变速马达的已知列表或估算的扭矩计算结果或公式。变速马达在矩阵中的位置将显著影响变速马达对直升机旋转的单独影响。例如，假设所有的变速马达和桨距固定的叶片都具有相同的尺寸和相同的动力，那么处于最后方位置的变速马达和桨距固定的叶片对扭矩影响最大，而在假设相同速度的情况下，位于其他马达前面的变速马达和桨距固定的叶片将具有较小的总体扭矩。因此，控制逻辑700可以查找对于每个单独马达(或如果同轴的话为成对的马达)的扭矩的估算的影响或测量的影响，并且然后增大或减小速度以调节直升机的旋转。在步骤706中，控制逻辑700接收来自旋转传感器的反映实际的直升机旋转的数据；以及在步骤708中，将直升机的估算的旋转或计算的旋转与实际旋转进行比较，并且然后可以调节马达速度以改变一个或更多个的变速马达和桨距固定的叶片的速度，从而控制旋转，如果有的话。
图8示出了与以第一矩阵布置或者以第一矩阵和第二矩阵布置的多个变速马达一起使用的旋转控制系统800。控制逻辑802连接至旋转传感器804。控制逻辑802还连接并控制作为反扭矩模块808的一部分的一个或更多个桨距固定叶片的变速马达810a至810i的速度。控制逻辑802还连接至列表806，该列表806包括针对一个或更多个桨距固定叶片的变速马达810a至810i中的每个桨距固定叶片的变速马达的计算扭矩与速度。控制逻辑802查询马达的估算扭矩，以基于使用者的用于整个直升机旋转的输入来调节马达的速度(如果有的话)，然后测量实际旋转，并且最终调节一个或更多个固定桨距叶片的变速马达810a至810i在飞行操作期间的速度和扭矩。
图9示出了本发明的电分布式推进反扭矩系统900。在该配置中，电分布式推进反扭矩系统900是具有双飞行控制计算机(FCC)、双电力总线和单独速度控制单元的电分布式推进反扭矩。电分布式推进反扭矩系统900具有连接至第一发电机904a和第二发电机904b的变速箱902。发电机904a经由两个单独的系统/总线906a、906b电连接至电动马达908a至908e，电动马达908a至908e中的每个电动马达均具有各自的速度控制器910a至910e。在下面的图例中示出了系统/总线906a、906b和906c、906d中的每个系统/总线，用以示出与第一发电机904a和第二发电机904b中的每个发电机的电连接。发电机904b经由两个单独的系统/总线906c、906d电连接至电动马达908f至908j，电动马达908f至908j中的每个电动马达均具有各自的速度控制器910f至910j。发电机904a、904b连接至提供冗余电力的电力管理单元914，电力管理单元914由偏航控制计算机912a、912b(所述偏航控制计算机可以是飞行控制计算机)进行控制。连接至偏航控制计算机912a、912b的系统/总线906a、906b中的每个系统/总线均可以用作主要系统/总线或另一系统/总线的备用系统/总线，从而为电动马达908a至908e或电动马达908f至908j提供完全双冗余电力。本领域技术人员应当认识到的是，本文中所述的电连接可用于控制电力以及控制液压马达。
图10示出了本发明的另一电分布式推进反扭矩系统1000。在这种配置中，电分布式推进反扭矩系统1000是具有双飞行控制计算机(FCC)、双电力总线和双速度控制单元的电分布式推进反扭矩。电分布式推力反扭矩系统1000具有连接至第一发电机1004a和第二发电机1004b的变速箱1002。发电机1004a经由两个单独的系统/总线1006a、1006b电连接至电动马达1008a至1008e，电动马达1008a至1008e中的每个电动马达均具有各自的速度控制器1010a至1010e。发电机1004b经由两个单独的系统/总线1006c、1006d电连接至电动马达1008a至1008j，电动马达1008a至1008j中的每个电动马达均具有各自的速度控制器1010f至1010j。系统/总线1006a、1006b直接连接至所有的电动马达1008a至1008j，并且由偏航控制计算机1012a、1012b(所述偏航控制计算机可以是飞行控制计算机)进行控制，从而对电动马达1008a至1008j中的每个电动马达提供双冗余电力和控制。连接至偏航控制计算机1012a、1012b的系统/总线1006a、1006b中的每个系统/总线均可以用作主要系统/总线或另一系统/总线的备用系统/总线，从而为电动马达1008a至1008j提供完全双冗余电力。该配置示出为没有单独的电力管理系统，但是本领域技术人员应当认识到的是，这些系统不是互相排斥的，而是可以向电动马达中的每个电动马达提供电力管理系统和双冗余连接。本领域技术人员应当认识到的是，本文中所描述的电连接可以用于控制电力以及控制液压马达。
已经描述了许多实施形式。然而，应当理解的是，在不背离本公开的精神和范围的情况下，可以进行各种修改。在一些实施形式中，叶片桨距固定的电动马达模块可以通过飞行员输入与航空器的操作状态(例如，悬停、转捩或前进飞行)相结合来控制。在旋翼机使用某种形式的电传飞行控制系统或光传飞行控制系统操作的实施形式中，叶片桨距固定的电马达模块操作可以通过计算机系统来控制，该计算机控制系统又可以从飞行员的输入等获得指示。
本说明书中提到的所有出版物和专利申请都指示了本发明所属领域技术人员的技术水平。所有出版物和专利申请通过引用并入本文，如同每个单独的出版物或专利申请具体且单独地指明通过引用并入那样。
当与权利要求和/或说明书中的术语“包括”一起使用时，使用词语“一”或“一个”可以表示“一个”，但是词语“一”或“一个”还与“一个或更多个”、“至少一个”和“一个或多于一个”的含义一致。在权利要求中使用术语“或”用于表示“和/或”，除非明确指出仅指代替代性方案或替代性方案是相互排斥的，但是该公开内容支持指代仅替代性方案和“和/或”的限定。贯穿本申请，术语“约”用于指示数值包括用来确定该数值的装置、方法的固有误差变化或研究物体之间存在的变化。
如在本说明书和权利要求中所使用的，词语“包括(comprising)”、“具有(having)”、“包含(including)”或者“含有(containing)”指内含性的或者开放式的，并且不排除额外的、未叙述的元件或方法步骤。在本文中提供的任何结构和方法的实施方式中，“包括(comprising)”可以用“基本上由...组成”或“由...组成”代替。如本文中所使用的，短语“基本上由...组成”需要指定的整体或步骤以及不会在实质上影响要求保护的发明的特征或功能的整体或步骤。如本文中所使用的，术语“组成”用于仅指示所叙述的整体(例如，特征、元件、特性、属性，方法/过程步骤或限制)或整体组(例如，特征、元件、特性、属性，方法/过程步骤或限制)的存在。
本文中所使用的术语“或其组合”是指术语前面列举的项目的所有排列和组合。例如，“A、B、C或其组合”意在包括A、B、C、AB、AC、BC或ABC中的至少一者，并且如果顺序在特定上下文中是重要的话，则意在还包括BA、CA、CB、CBA、BCA、ACB、BAC或CAB。继续该示例，明确地包括的是包含一个或更多个项目或术语重复的组合，比如BB、AAA、AB、BBC、AAABCCCC、CBBAAA、CABABB等。本领域技术人员应当理解的是，除非从上下文中显而易见，否则通常不存在对任何组合中的项目或术语的数量的限制。
如本文中所使用的，近似的词语比如但不限于“约”、“基本”或“基本上”是指这样的情况：当这样的修饰被理解为不一定是绝对的或完美的，但对于本领域技术人员来说将被认为是足够接近以保证指示存在该情况。描述可能变化的程度将取决于可以进行多大的改变，并且本领域技术人员仍然认识到修改特征仍然具有未修改特征的所需特性和能力。通常，但是在前面的讨论的前提下，本文中由诸如“约”之类的近似词语修饰的数值可以从所述数值变化至少为±1％、±2％、±3％、±4％、±5％、±6％、±7％、±10％、±12％或±15％。
根据本公开，本文中公开和要求保护的所有结构和/或方法可以在没有过多的实验的情况下制备和执行。尽管已经根据优选实施方式描述了本发明的结构和方法，但是对于本领域技术人员而言显而易见的是，在不背离本发明的概念、精神和范围的情况下，可以对本文中所述的结构和/或方法以及方法的步骤或步骤顺序进行变型。对于本领域技术人员显而易见的所有这样的类似替代和修改被认为在由所附权利要求限定的本发明的精神、范围和概念内。

Claims (31)

1.一种用于直升机的反扭矩模块的电分布式推进系统，所述电分布式推进系统包括：
两个或更多个发电机，所述两个或更多个发电机连接至主变速箱传动装置；
连接至所述两个或更多个发电机的至少多个第一变速马达和多个第二变速马达，其中，所述多个第一变速马达和所述多个第二变速马达以第一矩阵模式布置并且安装在所述直升机的尾梁上，其中，所述多个第一变速马达中的每个变速马达连接至一个或更多个固定桨距叶片，所述一个或更多个固定桨距叶片附接至所述多个第一变速马达中的每个变速马达以提供反扭矩推力；以及
至少第一偏航控制计算机和第二偏航控制计算机，所述至少第一偏航控制计算机和第二偏航控制计算机独立地连接至所述至少多个第一变速马达和多个第二变速马达中的每一者，其中，所述第一偏航控制计算机和所述第二偏航控制计算机中的每一者用作主要偏航控制计算机和备用偏航控制计算机以向所述多个第一变速马达和所述多个第二变速马达两者提供冗余控制。
2.根据权利要求1所述的系统，还包括电力管理系统，所述电力管理系统电连接在所述两个或更多个发电机中的每个发电机与所述至少多个第一变速马达和多个第二变速马达之间。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述电力管理系统包括至少第一电力总线和第二电力总线，其中，每个电力总线独立于另一电力总线。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述至少第一电力总线和第二电力总线中的每一者还包括额外的电力总线以向所述第一变速马达和所述第二变速马达中的每一者提供双冗余电源。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个变速马达中的每个变速马达均包括双速度控制单元。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个变速马达中的每个变速马达通过至少两个单独的电连接件连接并且连接至所述两个或更多个发电机中的每个发电机。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，存在下述各项中的至少一项：所述多个变速马达中的两个或更多个变速马达具有不同的尺寸；所述多个固定桨距叶片具有不同的尺寸；所述变速马达单独地位于涵道中；或者所述多个固定桨距叶片及变速马达中的每一个位于允许各个固定桨距叶片及第一变速马达旋转的枢轴上。
8.根据权利要求1所述的系统，还包括飞行控制计算机中的用于下述操作中的至少一项操作的控制逻辑：计算由多个马达产生的总扭矩；减小或消除扭矩；使推力最大化；减少或消除瞬态；降低总尾部旋翼噪音；管理各个马达的磨损；监测尾部旋翼处的涡环状态；对所述马达施以脉冲以减少或消除涡环状态；控制安装在各个枢轴上的一个或更多个马达的位置或速度中的至少一者；或者在所述反扭矩模块绕所述尾梁的纵向轴线旋转的情况下控制一个或更多个马达的位置或速度中的至少一者。
9.一种用于直升机的反扭矩系统，包括：
两个或更多个发电机，所述两个或更多个发电机连接至主变速箱传动装置；
连接至所述两个或更多个发电机的至少多个第一变速马达和多个第二变速马达，其中，所述多个第一变速马达和所述多个第二变速马达以第一矩阵模式布置并且安装在所述直升机的尾梁上，其中，所述多个第一变速马达中的每个变速马达连接至一个或更多个固定桨距叶片，所述一个或更多个固定桨距叶片附接至所述多个第一变速马达中的每个变速马达以提供反扭矩推力；
至少第一偏航控制计算机和第二偏航控制计算机，所述至少第一偏航控制计算机和第二偏航控制计算机独立地连接至所述至少多个第一变速马达和多个第二变速马达中的每一者，其中，所述第一偏航控制计算机和所述第二偏航控制计算机中的每一者用作主要偏航控制计算机和备用偏航控制计算机以向所述多个第一变速马达和所述多个第二变速马达两者提供冗余控制；以及
飞行控制计算机中的逻辑，所述逻辑用于控制下述各项中的至少一项：所述多个第一变速马达中的一个或更多个第一变速马达的速度、方向、或者速度和方向两者，以减小或消除来自主旋翼的扭矩。
10.根据权利要求9所述的系统，还包括电力管理系统，所述电力管理系统电连接在所述两个或更多个发电机中的每个发电机与所述至少多个第一变速马达和多个第二变速马达之间。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述电力管理系统包括至少第一电力总线和第二电力总线，其中，每个电力总线独立于另一电力总线。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述至少第一电力总线和第二电力总线中的每一者还包括额外的电力总线以向所述第一变速马达和所述第二变速马达中的每一者提供双冗余电源。
13.根据权利要求9所述的系统，其中，所述多个变速马达中的每个变速马达均包括双速度控制单元。
14.根据权利要求9所述的系统，其中，所述多个变速马达中的每个变速马达通过至少两个单独的电连接件连接并且连接至所述两个或更多个发电机中的每个发电机。
15.根据权利要求9所述的系统，其中，所述逻辑控制下述操作中的至少一项操作：计算由多个马达产生的总扭矩；减小或消除扭矩；使推力最大化；减少或消除瞬态；降低总尾部旋翼噪音；管理各个马达的磨损；监测尾部旋翼处的涡环状态；对所述马达施以脉冲以减少或消除涡环状态；控制安装在各个枢轴上的一个或更多个马达的位置或速度中的至少一者；或者在反扭矩矩阵绕所述尾梁的纵向轴线旋转的情况下控制一个或更多个马达的位置或速度中的至少一者。
16.根据权利要求9所述的系统，其中，存在下述各项中的至少一项：所述多个变速马达中的两个或更多个变速马达具有不同的尺寸、所述多个固定桨距叶片具有不同的尺寸、所述变速马达单独地位于涵道中、或者所述多个固定桨距叶片和变速马达中的每一个位于允许各个固定桨距叶片及第一变速马达旋转的枢轴上。
17.根据权利要求9所述的系统，还包括飞行控制计算机中的用于下述操作中的至少一项操作的控制逻辑：计算由多个马达产生的总扭矩；减小或消除扭矩；使推力最大化；减少或消除瞬态；降低总尾部旋翼噪音；管理各个马达的磨损；监测尾部旋翼处的涡环状态；对所述马达施以脉冲以减少或消除涡环状态；控制安装在各个枢轴上的一个或更多个马达的位置或速度中的至少一者；或者在所述反扭矩模块绕所述尾梁的纵向轴线旋转的情况下控制一个或更多个马达的位置或速度中的至少一者。
18.一种操作直升机的方法，所述方法包括：
设置两个或更多个发电机，所述两个或更多个发电机连接至主变速箱传动装置；
对至少多个第一变速马达和多个第二变速马达进行连接，所述至少多个第一变速马达和多个第二变速马达以第一矩阵模式布置并且安装在所述直升机的尾梁上，其中，所述多个第一变速马达中的每个变速马达连接至一个或更多个固定桨距叶片，所述一个或更多个固定桨距叶片附接至所述多个第一变速马达中的每个变速马达以提供反扭矩推力；以及
将至少第一偏航控制计算机和第二偏航控制计算机独立地连接至所述至少多个第一变速马达和多个第二变速马达中的每一者，其中，所述第一偏航控制计算机和所述第二偏航控制计算机中的每一者用作主要偏航控制计算机和备用偏航控制计算机以向所述多个第一变速马达和所述多个第二变速马达两者提供冗余控制。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括将电力管理系统电连接在所述两个或更多个发电机中的每个发电机与所述至少多个第一变速马达和多个第二变速马达之间。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述电力管理系统包括至少第一电力总线和第二电力总线，其中，每个电力总线独立于另一电力总线。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述至少第一电力总线和第二电力总线中的每一者还包括额外的电力总线以向所述第一变速马达和所述第二变速马达中的每一者提供双冗余电源。
22.根据权利要求18所述的方法，其中，所述多个变速马达中的每个变速马达通过至少两个单独的电连接件连接并且连接至所述两个或更多个发电机中的每个发电机。
23.根据权利要求18所述的方法，其中，所述多个变速马达中的每个变速马达均包括双速度控制单元。
24.根据权利要求18所述的方法，还包括操作成对的多个第一叶片桨距固定的变速马达，其中，一个叶片桨距固定的变速马达操作以提供反扭矩推力，并且第二叶片桨距固定的变速马达增大或减小速度或方向以提供对一对叶片桨距固定的变速马达的总定向推力的精细控制。
25.根据权利要求18所述的方法，还包括下述各项中的至少一项：计算由多个马达产生的总扭矩；减小或消除扭矩；使定向推力最大化；减少或消除一次或更多次瞬态；降低总尾部旋翼噪音；管理各个第一叶片桨距固定的变速马达的磨损；监测尾部旋翼处的涡环状态；对第一叶片桨距固定的变速马达中的一个或更多个叶片桨距固定的变速马达施以脉冲以减少或消除涡环状态；控制安装在各个枢轴上的一个或更多个第一叶片桨距固定的变速马达的位置或速度中的至少一者；或者在反扭矩矩阵绕所述尾梁的纵向轴线旋转的情况下控制一个或更多个叶片桨距固定的变速马达的位置或速度中的至少一者。
26.一种直升机，包括：
两个或更多个发电机，所述两个或更多个发电机连接至主变速箱传动装置；
至少多个第一变速马达和多个第二变速马达，所述至少多个第一变速马达和多个第二变速马达以第一矩阵模式布置并且安装在所述直升机的尾梁上，其中，所述多个第一变速马达中的每个变速马达连接至一个或更多个固定桨距叶片，所述一个或更多个固定桨距叶片附接至所述多个第一变速马达中的每个第一变速马达以提供反扭矩推力；以及
至少第一偏航控制计算机和第二偏航控制计算机，所述至少第一偏航控制计算机和第二偏航控制计算机独立地连接至所述至少多个第一变速马达和多个第二变速马达中的每一者，其中，所述第一偏航控制计算机和所述第二偏航控制计算机中的每一者用作主要偏航控制计算机和备用偏航控制计算机以向所述多个第一变速马达和所述多个第二变速马达两者提供冗余控制；并且
其中，所述多个第一变速马达中的一个或更多个第一变速马达的速度被改变以提供反扭矩推力。
27.根据权利要求26所述的直升机，还包括电力管理系统，所述电力管理系统电连接在所述两个或更多个发电机中的每个发电机与所述至少多个第一变速马达和多个第二变速马达之间。
28.根据权利要求27所述的直升机，其中，所述电力管理系统包括至少第一电力总线和第二电力总线，其中，每个电力总线独立于另一电力总线。
29.根据权利要求28所述的直升机，其中，所述至少第一电力总线和第二电力总线中的每一者还包括额外的电力总线以向所述第一变速马达和所述第二变速马达中的每一者提供双冗余电源。
30.根据权利要求26所述的直升机，其中，所述多个变速马达中的每个变速马达均包括双速度控制单元。
31.根据权利要求26所述的直升机，其中，所述多个变速马达中的每个变速马达通过至少两个单独的电连接件连接并且连接至所述两个或更多个发电机中的每个发电机。
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