CN116723977A - 配备有电动分布式推进系统的飞艇 - Google Patents

Abstract

一种飞艇，包括：多个发电机(G1,G2,G3,G4)；多个电力总线(Bus 1,Bus 2,Bus3,Bus 4)；多个推进点(PXt,PXb,PY,PZbt,PZbb,PZst,PZsb)，每个推进点配备有由电动马达驱动的螺旋桨类型的多个推进器(Xt1,Xt2,Xt3,Xt4,Xt5,Xt6；Xb1,Xb2,Xb3,Xb4,Xb5,Xb6；Y1,Y2,Y3,Y4；Zbt1,Zbt2,Zbt3,Zbt4；Zbb1,Zbb2,Zbb3,Zbb4；Zst1,Zst2,Zst3,Zst4；Zsb1,Zsb2,Zsb3,Zsb4)形成的推进束。对于该推进点中的每一者，推进器借助于该电力总线中的一者电连接到该发电机中的一者，并且该推进点的另一个推进器借助于该电力总线中的另一者电连接到该发电机中的另一者。

Description

配备有电动分布式推进系统的飞艇

技术领域

本发明涉及用于能够悬停的飞行器的电动分布式推进系统。本发明还涉及配备有这种系统的能够悬停的飞行器，更具体地涉及承载重负载的飞艇。

背景技术

通常，飞行器中的推进系统包括两个发电单元和两个主电力总线，每个主电力总线连接到两个发电单元中的一者。在下游，推进系统包括多个推进器，每个推进器以标称配置连接到两个电力总线中的一者。这例如是某些多旋翼和垂直起飞飞行器的情况。

根据标称配置，飞行器的右推进点例如电连接到位于飞行器右侧的发电单元，而飞行器的左推进点例如电连接到位于飞行器左侧的发电单元。

出于冗余的原因，针对其中两个电力单元中的一者具有缺陷的情况提供电力重新配置步骤。例如，在位于左侧的发电单元中发生故障的情况下，提供可能的电力重新配置以从位于右侧的发电单元向左马达供电。为此目的，必须提供将左马达连接到位于右侧的发电单元的备用电路。当然，在右侧马达和位于左侧的发电单元之间也是如此。

文献EP 3521172 B1公开了一种飞行器的电力推进系统，其包括用于供应电力的第一电力储备和用于供应电力的第二电力储备，以及用于向飞行器提供驱动动力的多个电力推进器单元。电力分配单元被设置以用于将从第一能量储存器供应的电力和从第二能量储存器供应的电力传送到至少一个电力推进器单元。该电力分配单元还被配置为使用用于至少一个推进器单元的能量的第一部分和用于为第二电力储备进行充电的能量的第二部分来为第二电力储备进行充电。

因此，备用电路必须在标称操作中通过主总线与电连接电去耦，并且在电单元发生故障的情况下必须接替主总线。这意味着它们实际上具有与主总线相同的特性。除了此类备用电路(其在标称方式下是无用的，但仅在发生故障的情况下有用)的机载重量之外，这些电路的控制需要致动器和执行器，其也可能是故障源。

本发明的目的是克服该缺点。

发明内容

本发明的一个目的特别地是补救上述缺点的全部或部分。

根据本发明的第一方面，提出了一种用于具有静止飞行能力的飞行器的电力推进系统，该飞行器包括：

-多个发电机，

-多个电力总线，和

-多个电力推进点。

在根据本发明的推进系统中，该多个推进点中的至少一个推进点包括由多个电动螺旋桨推进器形成的推进束。

该推进束内的推进器借助于该多个电力总线中的电力总线电连接到该多个发电机内的发电机，并且该推进束内的至少一个其他推进器借助于该多个电力总线中的另一个电力总线电连接到该多个发电机内的另一个发电机。

在本发明的优选型式中，每个推进点包括由多个电动驱动的基于螺旋桨的推进器形成的推进束，并且在每个推进点处，所述推进束内的推进器借助于该多个电力总线中的电力总线电连接到该多个发电机内的发电机，并且该推进束内的每个其他推进器借助于该多个电力总线中的另一个电力总线电连接到该多个发电机内的另一个发电机。

因此，提出了在借助于电力总线连接到发电机的推进器与相同推进点的借助于另一个电力总线连接到另一个发电机的另一个推进器之间的电去耦。

该去耦使得可以：

-考虑到高电压高功率开关技术不够成熟而不会使用在飞行中，避免了在飞行中经由动态重连开关重新配置网络的复杂性，

-避免缺陷在重新配置之后扩散的任何可能性，

-提供增加的本地冗余而无需重新配置，

-减小开发成本(每个列的功率除以二)，

-更容易验证(更低复杂性，因为没有重新配置)，

-电气装备的减小的功率/电流。

根据一种可能性，该发电机包括涡轮交流发电机。

该发电机可以是热类型的。

在一个实施方案中，该发电机包括燃料电池。

根据一种可能性，至少一个推进束专用于巡航推进。

根据第二可能性，任选地与第一可能性相结合，至少一个推进束专用于产生基本上竖直的推力。

根据第三可能性，任选地与第一和/或第二可能性组合，至少一个推进束专用于产生矢量推力。

根据第四可能性，任选地与第一和/或第二和/或第三可能性组合，至少一个推进束专用于产生横向推力。

根据本发明的第二实施方案，提出了一种能够悬停的飞行器，其装备有根据第一实施方案的推进系统或其一个或多个改进。

根据本发明的第三方面，提出了一种用于管理配备能够悬停的飞行器的根据本发明的第一方面的电力推进系统或其一个或多个改进的方法，所述飞行器包括接收由飞行控制模块发出的推进点的推力命令的推进管理模块，所述管理模块被配置为一方面向该发电机中的每一者发送电力请求指令，并且另一方面向所述推进点的该推进器中的每一者发送推力命令。

有利地，该方法还包括在检测到发电单元或推进器的故障的情况下对发送到该推进点的该推进器的该推力命令进行修改。

附图说明

本发明的其他优点和特性将在参考附图阅读非穷尽的具体实施和实施方案的详细描述后变得显而易见，其中：

图1示意性地示出了根据本发明的飞艇的在右舷上和从其前部的透视图，

图2示意性地示出了图1所示的飞艇的顶视图。

图3示意性地示出了图2所示的系统的详细视图，

图4示意性地示出了图2所示的系统的连接方案。

具体实施方式

下面描述的实施方案决不是限制性的，所以特别地可以考虑本发明的变型仅包括所描述的特征的选择，随后与所描述的其他特征分离，如果这种特征的选择足以赋予技术优点或者将本发明与现有技术区分开的话。该选择包括至少一个(优选的功能)特征，该特征没有结构细节，或仅具有结构细节的一部分(如果只有该部分就足以赋予技术优点或足以将本发明与现有技术区分开)。

在附图中，出现在若干附图中的元件保持相同的附图标记。

能够悬停的飞行器

根据所使用的升力装置，飞行器被分成两大类。浮空器使用静态力，而重航空器生成动态力以平衡它们的重量；这些飞行器通常被指定为比空气“轻”或“重”。

本发明涉及一种能够悬停的飞行器。

基于气球的飞艇是这种飞行器的示例，并且包含旨在提供其升力的设备以及给予其一些机动性的推进系统。为了移动，飞艇使用推进系统。

其升力主要由空气动力确保的重航空器(即“比空气重”飞行器)也可以是能够悬停的飞行器。

例如，当重航空器的升力由具有矢量推力的电动马达提供时就是这种情况，该电动马达具有在转换阶段期间从其中推力为竖直的飞行配置移位到其中推力为水平的飞行配置的能力。

当重航空器的升力由旋转翼提供时也是这种情况。

此外，一些重航空器具有固定翼和旋转翼两者，并且具有在转换阶段期间从固定翼飞行配置移位到旋转翼飞行配置的能力。

推进器

根据本发明的推进器是电动马达驱动的螺旋桨类型。电动马达单元当然可包括其他元件，诸如齿轮传动马达。

在本说明书中，术语推进器具体地指具有水平和/或竖直分量的静态类型的推进设备。术语推进器还指具有矢量推力的推进设备，例如借助于可操纵喷嘴来定向出口流的推进设备。

图1示出了飞艇1，该飞艇具有在纵向方向X上的侧倾轴线、在横向方向Y上的俯仰轴线，以及在垂直于纵向方向和横向方向的竖直方向Z上的偏航轴线。

飞艇1在后部处包括两个稳定器(分别为设置有升降机的右舷稳定器2和左舷稳定器3)以及设有舵的尾翼4。

飞艇1还包括两个横向副翼，分别为右舷副翼5和左舷副翼6(图1)。

飞艇1被配备有四个发电机G1、G2、G3、G4。在所示的示例中，发电机是涡轮交流发电机类型的，也称为涡轮发电机。根据一个变型，发电机电连接到燃料电池或/和电气电池。同样在所示的示例中，四个发电机中的每一者具有1MW的功率。

在所示的示例中，四个发电机G1、G2、G3、G4位于横向副翼5和6内。更具体地，涡轮发电机G1和G2位于右舷副翼5内，而涡轮发电机G3和G4位于右舷副翼6内。

同样在所示的示例中，飞艇1装备有7个推进点(分别为PXt、PXb、PY、PZbt、PZbb、PZst、PZsb)，该推进点使得飞行器能够悬停和移动。

推进点PXt和PXb被布置成生成沿纵向方向X朝向前部或后部的推力。推进点PXt和PXb布置在飞艇1的右舷和左舷上。

甚至更精确地，推进点PXt和PXb中的每一者是电动马达驱动的螺旋桨类型Xt1、Xt2、Xt3、Xt4、Xt5、Xt6的6个推进器(分别为Xb1、Xb2、Xb3、Xb4、Xb5、Xb6)的推进束。推进点PXt和PXb的推进器中的每一者的螺旋桨例如是三叶片螺旋桨类型的。

这些推进点因此使得可以通过不同的推力来生成向前或向后的轴向推力或偏航力矩。

推进点PY被布置成生成在对于右舷或左舷的横向方向Y上的推力以生成沿着偏航轴线的力矩。在所示的示例中，推进点PY布置在飞艇1的前部处，在其上部的侧面上。

甚至更精确地，推进点PY是电动马达驱动的螺旋桨类型Y1、Y2、Y3、Y4的4个推进器的推进束。推进点PY的推进器中的每一者的螺旋桨例如是三叶片螺旋桨类型的。

推进点PZbt和PZbb被布置成生成在向下或向上方向Z上的推力。推进点PZbt和PZbb被布置在飞艇1的前部、右舷和左舷处。

甚至更精确地，推进点PZbt和PZbb中的每一者是电动马达驱动的螺旋桨类型Zbt1、Zbt2、Zbt3、Zbt4的4个推进器(分别为Zbb1、Zbb2、Zbb3、Zbb4)的推进束。推进点Pzbt和PZbb的推进器中的每一者的螺旋桨例如是三叶片螺旋桨类型的。

推进点PZst和PZsb被布置成生成在向下或向上方向Z上的推力。推进点PZst和PZsb被布置在飞艇1的后部、右舷和左舷处。

甚至更精确地，推进点PZst和PZsb中的每一者是电动马达驱动的螺旋桨类型Zst1、Zst2、Zst3、Zst4的4个推进器(分别为Zsb1、Zsb2、Zsb3、Zsb4)的推进束。推进点Pzbt和PZbb的推进器中的每一者的螺旋桨例如是三叶片螺旋桨类型的。

推进点PZbt、PZbb、PZst和PZsb因此可以生成向上或向下的竖直推力，或者通过前部和后部之间的差动推力来生成俯仰力矩，或者通过右舷和左舷之间的差动推力来生成侧倾力矩。

如图2所示，飞艇1还装备有具有1MW的电力输送能力的4个电力总线(Bus 1,Bus2,Bus 3,Bus 4)。

电力总线(分别为Bus 1、Bus 2、Bus 3、Bus 4)中的每一者借助于将在下面描述的系统S1、S2、S3、S4连接到涡轮机(分别为G1、G2、G3、G4)。

Bus 1连接到电动马达Xt1、Xt3、Xb3、Y4、Zbt1、Zbb1、Zst1、Zsb1。

Bus 2连接到电动马达Xt4、Xb1、Xb4、Y3、Zbt2、Zbb2、Zst2、Zsb2。

Bus 3连接到电动马达Xt2、Xt5、Xb5、Y5、Zbt3、Zbb3、Zst3、Zsb3。

Bus 4连接到电动马达Xt6、Xb2、Xb6、Y1、Zbt4、Zbb4、Zst4、Zsb4。

现在参考图3来描述系统S1、S2、S3、S4。

系统S1包括：

-涡轮发电机G1，

-连接到涡轮发电机G1的整流器设备R1，

-连接到总线Bus 1的主电力分配单元Main PDU 1，

-连接到电力分配单元Main PDU 1的电池HVBATT1。

主电力单元Main PDU1还连接到接地电力单元GPU1。

系统S2包括：

-涡轮发电机G2，

-连接到涡轮发电机G2的整流器设备R2，

-连接到总线Bus 2的主电力分配单元Main PDU 2，

-连接到电力分配单元Main PDU 2的电池HVBATT2。

主电力单元Main PDU2还连接到接地电力单元GPU2。

系统S1和S2一起安装在左舷副翼5中。

系统S3包括：

-涡轮发电机G3，

-连接到涡轮发电机G3的整流器设备R3，

-连接到总线Bus 3的主电力分配单元Main PDU 3，

-连接到电力分配单元Main PDU 3的电池HVBATT3。

主电力单元Main PDU3还连接到接地电力单元GPU3。

系统S4包括：

-涡轮发电机G4，

-连接到涡轮发电机G4的整流器设备R4，

-连接到总线Bus 4的主电力分配单元Main PDU 4，

-连接到电力分配单元Main PDU 4的电池HVBATT4。

主电力单元Main PDU4还连接到接地电力单元GPU4。

系统S3和S4一起安装在右舷副翼6中。

因此，如图4所示，飞艇1的飞行的控制由控制单元Uc确保，该控制单元Uc接收来自飞行员的命令、处理这些命令并且将这些命令传送到一组电动马达。

电动马达单独地配备有用于控制螺旋桨螺距的单元，该单元使得能够管理所递送的推力。因此，传送飞行员的命令：

-经由控制单元(分别为UcXt1、UcXt2、UcXt3、UcXt4、UcXt5、UcXt6)到推进点PXt的电动马达Xt1、Xt2、Xt3、Xt4、Xt5、Xt6，

-经由控制单元(分别为UcXb1、UcXb2、UcXb3、UcXb4、UcXb5、UcXb6)到推进点PXb的电动马达Xb1、Xb2、Xb3、Xb4、Xb5、Xb6，

-经由控制单元(分别为UcY1、UcY2、UcY3、UcY4)到推进点PY的电动马达Y1、Y2、Y3、Y4，

-经由控制单元(分别为UcZbt1、UcZbt2、UcZbt3、UcZbt4)到推进点PZbt的电动马达Zbt1、Zbt2、Zbt3、Zbt4，

-经由控制单元(分别为UcZbb1、UcZbb2、UcZbb3、UcZbb4)到推进点PZbb的电动马达Zbb1、Zbb2、Zbb3、Zbb4，

-经由控制单元(分别为UcZst1、UcZst2、UcZst3、UcZst4)到推进点PZst的电动马达Zst1、Zst2、Zst3、Zst4，

-经由控制单元(分别为UcZsb1、UcZsb2、UcZsb3、UcZsb4)到推进点PZsb的电动马达Zsb1、Zsb2、Zsb3、Zsb4。

控制单元Uc将来自飞行员的请求分配到所有电动马达。在驱动链或电动马达发生故障的情况下，它将该请求分配到剩余的功能单元。

每个推进链由控制单元(分别为Up1、Up2、Up3、Up4)控制。

每个涡轮发电机由分别用于发电机G1、G2、G3、G4的发电机控制单元GCU1、GCU2、GCU3、GCU4控制。

每个电池由分别用于电池HVBATT1、HVBATT2、HVBATT3、HVBATT4的控制单元BMS1、BMS2、BMS3、BMS4(用于“电池管理系统”)控制。

控制单元Up1确保对Bus 1上可用的电力的管理。取决于由Bus 1供应的电动马达Xt1、Xt3、Xb3、Y4、Zbt1、Zbb1、Zst1、Zsb1的总电力，单元Up1经由控制器GCU1控制涡轮发电机G1的操作点并且经由控制器BMS1管理电池HVBATT1的充电或放电。

控制单元Up2确保对Bus 2上可用的电力的管理。取决于由Bus 2供应的电动马达Xt4、Xb1、Xb4、Y3、Zbt2、Zbb2、Zst2、Zsb2的总电力，单元Up2经由控制器GCU2控制涡轮发电机G2的操作点并且经由控制器BMS2管理电池HVBATT2的充电或放电。

控制单元Up3确保对Bus 3上可用的电力的管理。取决于由Bus 3供应的电动马达Xt2、Xt5、Xb5、Y5、Zbt3、Zbb3、Zst3、Zsb3的总电力，单元Up3经由控制器GCU3控制涡轮发电机G3的操作点并且经由控制器BMS3管理电池HVBATT3的充电或放电。

控制单元Up4确保对Bus 4上可用的电力的管理。取决于由Bus 4供应的电动马达Xt6、Xb2、Xb6、Y1、Zbt4、Zbb4、Zst4、Zsb4的总电力，单元Up4经由控制器GCU4控制涡轮发电机G4的操作点并且经由控制器BMS4管理电池HVBATT4的充电或放电。

因此，对于每个推进点，所述推进点的推进器借助于电力总线电连接到多个发电机中的一者，并且所述推进点的另一个推进器借助于另一个电力总线电连接到多个发电机中的另一个发电机。

将理解的是，当涡轮发电机停止操作(对于先前具有预定推力的每个推进点)时，并且当所述推进点包括4个推进器(每个推进器由1个涡轮发电机独立于其他推进器供应)时，推进点的新推力仅减小先前推力的四分之一。这种推力损失可通过修改所述推进点的其他3个推进器的推力来校正。

因此，当一个发电单元发生故障并且另一个发电单元正常操作者在时，控制单元可生在旨在用于连接到正常操作的发电单元的推进器的指令，并且所述推进器可实现该指令。

同样地，如果推进点的一个推进器停止操作，并且当所述推进点包括4个推进器(每个推进器由1个涡轮发电机独立于其他推进器供应)时，推进点的新推力仅减小先前推力的四分之一。这种推力损失可通过修改其他3个推进器的推力来校正。

因此，当推进点的一个推进器发生故障并且所述推进点的另一个推进器正常操作时，控制单元可生成旨在用于所述正常操作推进点的推进器的指令，并且所述推进器可实现该指令。

当然，本发明不限于刚才已经描述的示例，并且可在不脱离本发明的范围的情况下对这些示例做出许多修改。此外，本发明的不同特征、形式、变型和实施方案可以各种组合彼此相关联，只要它们不彼此排斥或不兼容。

Claims (6)

1.一种能够悬停的飞艇，包括电力推进系统，所述飞艇包括：

-多个发电机(G1,G2,G3,G4)，

-多个电力总线(Bus 1,Bus 2,Bus 3,Bus 4)，和

-多个电力推进点(PXt,PXb,PY,PZbt,PZbb,PZst,PZsb)，

所述多个推进点包括由专用于施加纵向推力的多个电动驱动的基于螺旋桨的推进器形成的至少一个推进束、由专用于施加竖直推力的多个电动驱动的基于螺旋桨的推进器形成的至少一个推进束，并且

所述纵向或竖直推进束中的至少一者被布置成使得所述推进束内的每个推进器借助于所述多个电力总线中的电力总线(Bus 1,Bus 2,Bus 3,Bus 4)电连接到所述多个发电机内的发电机，并且所述推进束内的每个其他推进器借助于所述多个电力总线中的另一个电力总线电连接到所述多个发电机内的另一个发电机，

其特征在于，所述多个推进点还包括专用于产生横向推力的至少一个推进束(PY)，所述推进束(PY)被布置成使得其推进器中的一者借助于所述多个电力总线中的电力总线(Bus 1,Bus 2,Bus 3,Bus 4)电连接到所述多个发电机内的发电机，并且所述推进束内的至少一个其他推进器借助于所述多个电力总线中的另一个电力总线电连接到所述多个发电机内的另一个发电机。

2.根据前述权利要求所述的飞艇，其中每个推进点包括由多个电动螺旋桨推进器形成的推进束，并且

在每个推进点处，所述推进束内的推进器借助于所述多个电力总线中的电力总线电连接到所述多个发电机内的发电机，并且所述推进束内的每个其他推进器借助于所述多个电力总线中的另一个电力总线电连接到所述多个发电机内的另一个发电机。

3.根据前述权利要求中任一项所述的飞艇，其中所述发电机包括涡轮交流发电机。

4.根据前述权利要求中任一项所述的飞艇，其中所述发电机包括燃料电池。

5.一种用于管理配备根据前述权利要求中的任一项所述的能够悬停的飞行器的电力推进系统的方法，所述飞艇包括接收由飞行控制模块发出的来自推进点的推力命令的推进管理模块，所述管理模块被配置为一方面向所述发电机中的每一者发送电力请求指令，并且另一方面向所述推进点的所述推进器中的每一者发送推力命令。

6.根据前述权利要求所述的方法，还包括在检测到发电单元或推进器的故障的情况下对发送到所述推进点的所述推进器的所述推力命令进行修改。