CN107521680A - 一种主动抗风共轴直升机及主动抗风姿态控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种主动抗风共轴直升机及主动抗风姿态控制方法,明属于飞行器设计技术领域。本发明公开的一种主动抗风共轴直升机,包括上旋翼、下旋翼、机体;还包括直升机机体俯仰方向风阻反应轮和直升机机体滚转方向风阻反应轮。俯仰方向风阻反应轮安装在共轴直升机俯仰轴上,用于主动抵消不稳定流场引起的共轴直升机在俯仰方向姿态扰动力矩。滚转方向风阻反应轮安装在共轴直升机滚转轴上,用于主动抵消不稳定流场引起的共轴直升机在滚转方向姿态扰动力矩。本发明还公开一种用于主动抗风共轴直升机的主动抗风姿态控制方法。本发明目的是提供一种无平衡锤,无方向盘的主动抗风共轴直升机,提高共轴直升机在恶劣天气不稳定流场中飞行安全性。
Description
技术领域
本发明属于飞行器设计技术领域,涉及一种主动抗风共轴直升机及抗风姿态控制方法。
背景技术
有人及无人飞行器的飞行活动与大气活动密切。竹蜻蜓,风筝,有人驾驶飞行器以及现在普遍发展的无人飞行器,其飞行姿态和航行安全无不受大气扰流的密切限制。据美国航空管理局数据,自上世纪80年代至今,约有12%的空难,是由于恶劣气象不稳定流场导致的飞行器姿态失稳引起的。即使载重量大的民航客机,也难以在大风天气顺利起飞降落。
针对恶劣天气不稳定流场引起的飞行器飞行安全问题,航空领域主要通过增强飞行器飞行稳定性,以及控制方法予以应对。
增强飞行器被动稳定性是通过设计合适的气动特性,使得飞行器具有保持当前状态的能力,即被动稳定性。增强飞行器的被动稳定性,能够增强飞行器的抗风性能。这种方法的主要手段是飞行器的气动设计,其特点是会牺牲飞行器的机动性。
第二种方式是通过对控制器驱动飞行器舵面,产生特定的控制力矩抵消不稳定流场引入的扰动。这种方法的特点是控制器需要准确的估计气流扰动,此外,驱动舵面的响应频率能够满足要求。
上述这两种方法在现有的飞行器设计中非常常见。民航客机的设计通常采用第一种方法,而小型飞行器通常采用第二种方法。
直升机通常通过平衡锤引入阻尼特性,抵消机体扰动。这种方法与上述第一种方法类似,属于被动扰动抑制。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种无平衡锤,无方向盘的主动抗风共轴直升机,提高共轴直升机在恶劣天气不稳定流场中飞行安全性。本发明公开一种主动抗风共轴直升机,还公开一种用于主动抗风共轴直升机的主动抗风姿态控制方法。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明公开的一种主动抗风共轴直升机,包括上旋翼、下旋翼、机体,上旋翼,下旋翼安装于机体上,上旋翼与下旋翼的转动方向相反。还包括直升机机体俯仰方向风阻反应轮和直升机机体滚转方向风阻反应轮。所述的直升机机体俯仰方向风阻反应轮安装在共轴直升机俯仰轴上,用于主动抵消不稳定流场引起的共轴直升机在俯仰方向姿态扰动力矩。所述的直升机机体滚转方向风阻反应轮安装在共轴直升机滚转轴上,用于主动抵消不稳定流场引起的共轴直升机在滚转方向姿态扰动力矩。
所述的直升机机体俯仰方向风阻反应轮安装位置需使用于主动抵消不稳定流场引起的共轴直升机在俯仰方向姿态扰动力矩在螺旋桨升力面上存在分量。所述的直升机机体滚转方向风阻反应轮安装位置需使用于主动抵消不稳定流场引起的共轴直升机在滚转方向姿态扰动力矩在螺旋桨升力面上存在分量。
所述的直升机机体俯仰方向风阻反应轮、直升机机体滚转方向风阻反应轮安装位置安装在同一个平面上或安装在不同平面上,不受限制。
所述的直升机机体俯仰方向风阻反应轮、直升机机体滚转方向风阻反应轮安装数量根据使用需要而定。
所述的直升机机体俯仰方向风阻反应轮、直升机机体滚转方向风阻反应轮优选结构相同的风阻反应轮,所述的风阻反应轮包括基轮和叶片。当风阻反应轮旋转时,叶片受到风阻的作用。风阻反应轮转动时,空气产生阻碍效应作用于风阻反应轮叶片的迎风面,累积起来形成与风阻反应轮运动相反的力矩。风阻反应轮产生与风阻反应轮转动角速率相反的力矩τ,所述的力矩用于主动抵消不稳定流场。
所述的力矩大小与风阻反应轮的转动角速率、风阻反应轮的结构半径和风阻反应轮的气动阻力系数成正相关,需满足如为公式(1)所示的关系
τ=-CDω2R3 (1)
风阻反应轮的效率表述为公式(2)
其中I为风阻反应轮的转动惯量。
其中,τ是反应力矩,-表示反应力矩与旋转方向相反,CD是反应力矩系数,ω是反应轮转动角速率,R是反应轮的等效半径。
本发明还公开一种用于主动抗风共轴直升机的主动抗风姿态控制方法,具实现方法如下:所述的主动抗风共轴直升机在恶劣气象不稳定流场中飞行,当滚转方向受到不稳定流场扰动力矩δφ的影响,根据牛顿第二定律,共轴直升机机体会产生滚转方向上的运动,引起滚转姿态φ波动。控制器Cφ根据机体姿态传感器检测到的滚转姿态φ和滚转指令φc之间的误差以及特定的控制律控制滚转方向风阻反应轮,产生相应的反作用力矩τφ,用以抵消不稳定流场作用的扰动力矩δφ的影响,实现主动抗风。
同理,当俯仰方向受到不稳定流场扰动力矩δθ的影响,根据牛顿第二定律,共轴直升机机体会产生俯仰方向上的运动,引起俯仰姿态θ波动。控制器Cφ根据机体姿态传感器检测到的俯仰姿态θ和滚转指令θc之间的误差以及特定的控制律控制俯仰方向风阻反应轮,产生相应的反作用力矩τθ,用以抵消不稳定流场作用的扰动力矩δθ的影响,实现主动抗风。
本发明公开的一种主动抗风共轴直升机的工作方法为:工作时,上旋翼与下旋翼的转动方向相反。当上旋翼和下旋翼产生的拉力之和大于共轴直升机的重力,共轴直升机进行上升运动。当上旋翼和下旋翼产生的拉力之和小于共轴直升机的重力,共轴直升机进行下降运动。当上旋翼和下旋翼产生的拉力之和等于共轴直升机的重力,共轴直升机进行悬停运动。当俯仰方向风阻反应轮工作时,共轴直升机产生俯仰运动。当滚转方向风阻反应轮工作时,共轴直升机产生滚转运动。当俯仰和滚转方向上的反应轮都工作时,共轴直升机同时进行俯仰和滚转运动。当上旋翼和下旋翼产生的力矩不相同时,共轴直升机进行偏航运动。
有益效果:
1、本发明公开的一种主动抗风共轴直升机及主动抗风姿态控制方法,通过安装在共轴直升机俯仰及滚转轴上的风阻反应轮,主动抵消不稳定流场引起的共轴直升机姿态扰动,从而确保其飞行安全。
2、本发明公开的一种主动抗风共轴直升机及主动抗风姿态控制方法,给出力矩大小与反应轮的转动角速率、反应轮的结构半径和反应轮的气动阻力系数关系,当满足上述关系时能够实现更好的主动抗风姿态控制效果。
3、与传统的共轴直升机不同,本发明一种公开的主动抗风共轴直升机,无平衡锤和方向盘,还能够实现主动抗风姿态控制,结构简单。
附图说明
图1为风阻反应轮结构示意图;
图2为风阻反应轮反应力矩产生原理图;
图3为主动抗风共轴直升机结构示意图;
图4a为共轴直升机运动模式(一);
图4b为共轴直升机运动模式(二);
图5为滚转通道抗风原理;
图6为俯仰通道抗风原理。
其中:1—基轮、2—叶片、3—下旋翼、4—上旋翼、5—机体、6—滚转方向风阻反应轮、7—俯仰方向风阻反应轮、8—上升运动、9—下降运动、10—悬停、11—前向运动、12—后向运动、13—左偏航、14—右偏航。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点,下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
实施例1:
本实施例公开的主动抗风共轴直升机,包括上旋翼3、下旋翼4和机体5。上旋翼3和下旋翼4成对出现,尺寸相同,数值为0.1cm到1000cm。上旋翼3和下旋翼4安装于机体5上,上旋翼5与下旋翼6的转动方向相反,转速区间为10rpm到100000rpm。此外,还包括直升机机体俯仰方向风阻反应轮7和直升机机体滚转方向风阻反应轮6。所述的直升机机体俯仰方向风阻反应轮7安装在共轴直升机俯仰轴上,用于主动抵消不稳定流场引起的共轴直升机在俯仰方向姿态扰动力矩,其直径为1cm到100cm,叶片的数量从1个到100个。所述的直升机机体滚转方向风阻反应轮6安装在共轴直升机滚转轴上,用于主动抵消不稳定流场引起的共轴直升机在滚转方向姿态扰动力矩,其直径为1cm到100cm,叶片的数量从1个到100个。
所述的直升机机体俯仰方向风阻反应轮7安装位置需使用于主动抵消不稳定流场引起的共轴直升机在俯仰方向姿态扰动力矩在螺旋桨升力面上存在分量。所述的直升机机体滚转方向风阻反应轮6安装位置需使用于主动抵消不稳定流场引起的共轴直升机在滚转方向姿态扰动力矩在螺旋桨升力面上存在分量。所述的直升机机体俯仰方向风阻反应轮7、直升机机体滚转方向风阻反应轮9安装位置可以安装在同一个平面上,也可以安装在不同平面上。在实际应用中,可选择安装俯仰方向风阻反应轮7和滚转方向风阻反应轮6中的一个或两个,或者根据需要安装多个。
所述的直升机机体俯仰方向风阻反应轮7、直升机机体滚转方向风阻反应轮6安装数量根据使用需要而定。
所述的直升机机体俯仰方向风阻反应轮7、直升机机体滚转方向风阻反应轮6优选结构相同的风阻反应轮,所述的风阻反应轮包括基轮1和叶片2。当风阻反应轮旋转时,叶片2受到风阻的作用。风阻反应轮转动时,空气产生阻碍效应作用于风阻反应轮叶片2的迎风面,累积起来形成与风阻反应轮运动相反的力矩。风阻反应轮产生与风阻反应轮转动角速率相反的力矩τ,所述的力矩用于主动抵消不稳定流场。
所述的力矩大小与反应轮的转动角速率、反应轮的结构半径和反应轮的气动阻力系数成正相关,需满足如为公式(1)所示的关系
τ=-CDω2R3 (1)
风阻反应轮的效率表述为公式(2)
其中I为风阻反应轮的转动惯量。
其中,τ是反应力矩,-表示反应力矩与旋转方向相反,CD是反应力矩系数,ω是反应轮转动角速率,R是反应轮的等效半径。
本实施例还公开一种用于主动抗风共轴直升机的主动抗风姿态控制方法,具实现方法如下:所述的主动抗风共轴直升机在恶劣气象不稳定流场中飞行,当滚转方向受到不稳定流场扰动力矩δφ的影响,根据牛顿第二定律,共轴直升机机体5会产生滚转方向上的运动,引起滚转姿态φ波动。控制器Cφ根据机体姿态传感器检测到的滚转姿态φ和滚转指令φc之间的误差以及特定的控制律控制滚转方向风阻反应轮6,产生相应的反作用力矩τφ,用以抵消不稳定流场作用的扰动力矩δφ的影响,实现主动抗风。
同理,当俯仰方向受到不稳定流场扰动力矩δθ的影响,根据牛顿第二定律,共轴直升机机体5会产生俯仰方向上的运动,引起俯仰姿态θ波动。控制器Cθ根据机体姿态传感器检测到的俯仰姿态θ和滚转指令θc之间的误差以及特定的控制律控制俯仰方向风阻反应轮7,产生相应的反作用力矩τθ,用以抵消不稳定流场作用的扰动力矩δθ的影响,实现主动抗风。
本发明公开的一种主动抗风共轴直升机的工作方法为:工作时,上旋翼3与下旋翼4的转动方向相反。当上旋翼3和下旋翼4产生的拉力之和大于共轴直升机的重力,共轴直升机进行上升运动。当上旋翼3和下旋翼3产生的拉力之和小于共轴直升机的重力,共轴直升机进行下降运动。当上旋翼3和下旋翼4产生的拉力之和等于共轴直升机的重力,共轴直升机进行悬停运动。当俯仰方向风阻反应轮7工作时,共轴直升机产生俯仰运动。当滚转方向风阻反应轮6工作时,共轴直升机产生滚转运动。当俯仰和滚转方向上的反应轮都工作时,共轴直升机同时进行俯仰和滚转运动。当上旋翼3和下旋翼4产生的力矩不相同时,共轴直升机进行偏航运动。
以上所述的具体描述,对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施例而已,并不用于限定本发明的保护范围,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种主动抗风共轴直升机,包括上旋翼(3)、下旋翼(4)、机体(5),上旋翼(3),下旋翼(4)安装于机体(5)上,上旋翼(3)与下旋翼(4)的转动方向相反;其特征在于:还包括直升机机体俯仰方向风阻反应轮(7)和直升机机体滚转方向风阻反应轮(6);所述的直升机机体俯仰方向风阻反应轮(7)安装在共轴直升机俯仰轴上,用于主动抵消不稳定流场引起的共轴直升机在俯仰方向姿态扰动力矩;所述的直升机机体滚转方向风阻反应轮(6)安装在共轴直升机滚转轴上,用于主动抵消不稳定流场引起的共轴直升机在滚转方向姿态扰动力矩。
2.如权利要求1所述的一种主动抗风共轴直升机,其特征在于:所述的直升机机体俯仰方向风阻反应轮(7)安装位置需使用于主动抵消不稳定流场引起的共轴直升机在俯仰方向姿态扰动力矩在螺旋桨升力面上存在分量;所述的直升机机体滚转方向风阻反应轮(7)安装位置需使用于主动抵消不稳定流场引起的共轴直升机在滚转方向姿态扰动力矩在螺旋桨升力面上存在分量。
3.如权利要求2所述的一种主动抗风共轴直升机,其特征在于:所述的直升机机体俯仰方向风阻反应轮(7)、直升机机体滚转方向风阻反应轮(6)选结构相同的风阻反应轮,所述的风阻反应轮包括基轮(1)和叶片(2);当风阻反应轮旋转时,叶片(2)受到风阻的作用;风阻反应轮转动时,空气产生阻碍效应作用于风阻反应轮叶片(2)的迎风面,累积起来形成与风阻反应轮运动相反的力矩;风阻反应轮产生与风阻反应轮转动角速率相反的力矩τ,所述的力矩用于主动抵消不稳定流场。
4.如权利要求3所述的一种主动抗风共轴直升机,其特征在于:所述的力矩大小与风阻反应轮的转动角速率、风阻反应轮的结构半径和风阻反应轮的气动阻力系数成正相关,需满足如为公式(1)所示的关系
τ=-CDω2R3 (1)
风阻反应轮的效率表述为公式(2)
<mrow>
<mi>&eta;</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<msub>
<mi>C</mi>
<mi>D</mi>
</msub>
<msup>
<mi>&omega;R</mi>
<mn>3</mn>
</msup>
</mrow>
<mrow>
<msub>
<mi>C</mi>
<mi>D</mi>
</msub>
<msup>
<mi>&omega;R</mi>
<mn>3</mn>
</msup>
<mo>+</mo>
<mi>I</mi>
</mrow>
</mfrac>
<mo>&times;</mo>
<mn>100</mn>
<mi>%</mi>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>2</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中I为风阻反应轮的转动惯量;
其中,τ是反应力矩,-表示反应力矩与旋转方向相反,CD是反应力矩系数,ω是反应轮转动角速率,R是反应轮的等效半径。
5.如权利要求1、2、3或4所述的一种主动抗风共轴直升机,其特征在于:所述的直升机机体俯仰方向风阻反应轮(7)、直升机机体滚转方向风阻反应轮(6)安装数量根据使用需要而定。
6.一种用于主动抗风共轴直升机的主动抗风姿态控制方法,其特征在于:用于权利要求1、2、3或4所述的一种主动抗风共轴直升机,所述的主动抗风共轴直升机在恶劣气象不稳定流场中飞行,当滚转方向受到不稳定流场扰动力矩δφ的影响,根据牛顿第二定律,共轴直升机机体(5)会产生滚转方向上的运动,引起滚转姿态φ波动;控制器Cφ根据机体姿态传感器检测到的滚转姿态φ和滚转指令φc之间的误差以及特定的控制律控制滚转方向风阻反应轮(6),产生相应的反作用力矩τφ,用以抵消不稳定流场作用的扰动力矩δφ的影响,实现主动抗风;
同理,当俯仰方向受到不稳定流场扰动力矩δθ的影响,根据牛顿第二定律,共轴直升机机体(5)会产生俯仰方向上的运动,引起俯仰姿态θ波动;控制器Cθ根据机体姿态传感器检测到的俯仰姿态θ和滚转指令θc之间的误差以及特定的控制律控制俯仰方向风阻反应轮(7),产生相应的反作用力矩τθ,用以抵消不稳定流场作用的扰动力矩δθ的影响,实现主动抗风。
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