CN117985222A - 一种混合式电控旋翼 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种混合式电控旋翼，涉及直升机操控技术领域，能够降低电控旋翼中作动器受到体积和重量限制程度，并还同时提升电控旋翼的安全冗余程度。本发明包括：不再使用自动倾斜器、机械/液压操纵杆系，可以减轻作动器以及相关机构的体积和重量，从而降低电控旋翼中作动器受到体积和重量限制程度；同时使用两种不同的旋翼操纵技术，实现旋翼总距和周期变距的独立操纵控制，不仅对作动器的要求降低，更容易实现，在特殊情况下，可依靠其中任意一种操纵技术实现旋翼的控制，使得旋翼操纵具有多重冗余度，从而提升电控旋翼的安全冗余程度。

Description

一种混合式电控旋翼

技术领域

本发明涉及直升机操控技术领域，尤其涉及一种混合式电控旋翼。

背景技术

直升机具有垂直起飞，空中悬停，以及向任意方向飞行的特殊飞行能力，这些功能是通过操纵旋翼获得的。目前处于研究热门的是电控旋翼，又称无自动倾斜器旋翼，使用旋转系下的作动机构实现旋翼控制，常见的电控旋翼有以下两种构型，后缘襟翼与桨根作动。后缘襟翼构型通过操纵位于桨叶后缘的襟翼偏转来实现桨叶的变距，进而实现对旋翼的操纵。然而，驱动襟翼的作动器要么布置于桨叶内部，在强离心力场下工作，其体积、重量受到限制，散热困难，且不便于维护；要么作动器布置在桨叶根部，通过桨叶内部的传动机构操纵襟翼偏转，这样虽然减小了作动器所受的离心力，但是驱动襟翼需要更大的扭矩，超长的传动机构存在着可靠性低的问题，在传动过程中可能出现卡死，且对桨叶的设计和制造工艺提出很高的要求。

为了克服后缘襟翼的缺陷，又出现了桨根驱动的方法，即利用布置在桨叶根部的作动器直接驱动桨叶变距，直接实现旋翼的操纵。但是这种方法要求作动器控制旋翼总距与周期变距，作动器不仅要输出巨大的力矩带动桨叶变距，同时还要能频繁往复作动，因此作动器以及其相关电子控制系统往往十分复杂且庞大，需要付出许多重量代价。

除此之外，目前任何构型的直升机，包括电控旋翼在内，均采用单一的旋翼操纵，即一套控制机构同时负责旋翼总距和周期变距，尽管有的方案中在传感器检测和电气电路方面做了多重冗余，但是在作动器层面没有备份，当遇到作动器失效时，就会立刻失去对旋翼的控制，这在飞行中是十分危险的。

总的来说，如何降低电控旋翼中作动器受到体积和重量限制程度，并还同时提升电控旋翼的安全冗余程度，成为了需要研究的课题。

发明内容

本发明的实施例提供一种混合式电控旋翼，能够降低电控旋翼中作动器受到体积和重量限制程度，并还同时提升电控旋翼的安全冗余程度。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

一种混合式电控旋翼，包括：总距作动系统(1)、周期变距作动系统(2)、桨叶(3)、旋翼轴(4)和桨毂(5)；所述桨叶(3)通过桨毂(5)与旋翼轴(4)连接；与目前已有的旋翼结构类似的，桨叶(3)与桨毂(5)之间也设置有挥舞铰、摆振铰和变距铰，挥舞铰、摆振铰和变距铰的具体安装方式，本实施例中不再赘述；总距作动系统(1)通过总距作动器(6)带动桨叶(3)从而进行总距运动；周期变距作动系统(2)通过改变后缘襟翼(9)的偏转角度，产生相对于桨叶(3)变距轴线的俯仰力矩，从而进行周期变距。

其中，距作动系统(1)包括总距作动器(6)、变距拉杆(7)和扭力臂(8)；周期变距作动系统(2)，包括：襟翼(9)、襟翼传动机构(10)和周期变距作动器(11)。本实施例中的总距作动器(6)用于控制旋翼总距，作为总距作动器(6)要求作动器输出大，而对重量限制比较宽松，本发明实施例中可以采用输出扭矩为2Nm，输出频率小于10Hz的作动器作为总距作动器(6)。周期变距作动器(11)用于对桨叶施加周期性的力或力矩，本发明中周期变距作动器一般位于桨叶上，因此要求作动器重量尽可能轻，本发明实施例中可以采用输出幅值小于1Nm，输出频率大于10Hz的作动器作为周期变距作动器(11)。

进一步的，周期变距作动系统(2)安装在桨叶(3)上；总距作动系统(1)安装在桨毂(5)上；其中可选的，总距作动系统(1)安装在桨毂(5)与桨叶(3)连接处，总距作动器(6)的输出端连接变距铰。

可选的，在桨叶(3)的末端安装有可动桨尖(12)，在桨叶(3)内部安装桨叶扭转传动机构(13)并连接可动桨尖(12)；周期变距作动器(11)通过带动桨叶扭转传动机构(13)，从而带动可动桨尖(12)进行上下周期偏转，以便于通过改变桨尖高动压区迎角来产生周期扭矩，使桨叶(3)进行周期变距。

可选的，在桨叶(3)上安装有分布压电式作动器(14)，通过分布式压电作动器(14)使桨叶(3)产生周期弹性扭转，从而使桨叶(3)进行周期变距。

本发明实施例提供的混合式电控旋翼，相对比于现有的自动倾斜器旋翼操纵系统，本发明不再使用自动倾斜器、机械/液压操纵杆系，可以减轻作动器以及相关机构的体积和重量，从而降低电控旋翼中作动器受到体积和重量限制程度；同时使用两种不同的旋翼操纵技术，实现旋翼总距和周期变距的独立操纵控制，不仅对作动器的要求降低，更容易实现，在特殊情况下，可依靠其中任意一种操纵技术实现旋翼的控制，使得旋翼操纵具有多重冗余度，从而提升电控旋翼的安全冗余程度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的一种的混合式电控旋翼立体图。

图2为本发明实施例提供的一种总距作动系统立体图。

图3为本发明实施例提供的一种周期变距作动系统俯视图。

图4为本发明实施例提供的另一种周期变距作动系统俯视图。

图5为本发明实施例提供的另一种混合式电控旋翼立体图。

附图中标号名称：1-总距作动系统，2-周期变距作动系统，3-桨叶，4-旋翼轴，5-桨毂，6-总距作动器，7-变距拉杆，8-扭力臂，9-襟翼，10-襟翼传动机构，11-周期变距作动器，12-可动桨尖，13-桨尖扭转传动机构，14-分布式压电作动器，15-总距作动器支架，16-杆端轴承。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。下文中将详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

在目前的现有技术中，往往存在这些技术问题：一，后缘襟翼构型的电控旋翼，作动器受到体积、重量等限制，对旋翼操纵效果不佳；二，桨根驱动构型的电控旋翼，作动器功率大，重量大，系统复杂，以目前的作动器技术和相关电子控制系统难以实现；三，目前电控旋翼使用单一的旋翼作动形式，当作动器出现故障时，会失去对旋翼的控制，旋翼操纵不具有冗余度。本实施例的设计目的在于提供一种混合式电控旋翼，其中的混合式指的是同时使用两种不同的旋翼操纵技术，实现旋翼总距和周期变距的独立操纵控制，不仅对作动器的要求降低，更容易实现，在特殊情况下，可依靠其中任意一种操纵技术实现旋翼的控制，使得旋翼操纵具有多重冗余度。

本发明总体实施例提供一种混合式电控旋翼，如图1所示，包括：总距作动系统(1)、周期变距作动系统(2)、桨叶(3)、旋翼轴(4)和桨毂(5)；所述桨叶(3)通过桨毂(5)与旋翼轴(4)连接，桨叶(3)与桨毂(5)之间设置有挥舞铰、摆振铰和变距铰；总距作动系统(1)通过总距作动器(6)带动桨叶(3)从而进行总距运动；周期变距作动系统(2)通过改变后缘襟翼(9)的偏转角度，产生相对于桨叶(3)变距轴线的俯仰力矩，从而进行周期变距。

如图2所示，总距作动系统(1)包括总距作动器(6)、变距拉杆(7)和扭力臂(8)；如图3所示，周期变距作动系统(2)，包括：襟翼(9)、襟翼传动机构(10)和周期变距作动器(11)。

其中，期变距作动系统(2)安装在桨叶(3)上；总距作动系统(1)安装在桨毂(5)上；或者，总距作动系统(1)安装在桨毂(5)与桨叶(3)连接处，总距作动器(6)的输出端连接变距铰。

在优选方案中，周期变距作动器(11)安装在桨叶(3)内部。

周期变距作动系统(2)的作用则是驱动桨叶(3)尖部高动压区域进行扭转。

进一步的，总距作动器(6)通过总距作动器支架与桨毂(5)连接；扭力臂(8)、变距拉杆(7)和桨毂(5)构成一组连杆机构，其中，扭力臂(8)的一端连接总距作动器(6)的输出端，扭力臂(8)的另一端与变距拉杆(7)的一端连接，变距拉杆(7)的另一端与桨毂(5)连接；变距拉杆(7)两端连接位置都设置有杆端轴承，以便于变距拉杆(7)绕自身进行轴线旋转；总距作动器(6)输出低频的大扭矩转动，从而进行桨叶(3)的总距运动的操纵。在实际应用中，对于直升机的旋翼控制可以根据旋翼旋转频率，可以分为零阶、一阶、二阶，通常写为0Ω、1Ω、2Ω。0Ω通常可以称之为“低频”。而不同旋翼的Ω取值不同，通常Ω<5Hz。

总距作动器作动时，需要克服旋翼上的气动力，因此本实施例中使用的作动器输出扭矩2Nm。需要说明的事，本实施例中所述的大扭矩与低扭矩等描述，指的是相对意义上的扭矩概念。

周期变距作动器(11)安装在桨叶(3)的根部，襟翼传动机构(10)的一端连接周期变距作动器(11)，襟翼传动机构(10)的另一端连接后缘襟翼(9)；周期变距作动器(11)用于输出高频的低扭矩转动，从而控制襟翼(9)往复偏转产生气动力，进而产生相对于桨叶(3)变距轴线的俯仰力矩，达到类似四两拨千斤的作用，实现桨叶(3)的周期变距操纵。其中，“高频”指的是1Ω、2Ω以及更高的频率对于周期变距。“周期变距”指的是周期性改变旋翼迎角，以满足飞行需要。在直升机上，周期变距的频率与旋翼旋转频率保持一致

实际应用中，在总距作动系统(1)处于失效状态下，由周期变距作动系统(2)产生恒定的俯仰力矩，从而进行总距控制；或者，在周期变距作动系统(2)失效状态下，由总距作动系统(1)进行高频变距作动，从而进行周期变距控制。

可选的，如图4所示，在桨叶(3)的末端安装有可动桨尖(12)，在桨叶(3)内部安装桨叶扭转传动机构(13)并连接可动桨尖(12)；周期变距作动器(11)通过带动桨叶扭转传动机构(13)，从而带动可动桨尖(12)进行上下周期偏转，以便于通过改变桨尖高动压区迎角来产生周期扭矩，使桨叶(3)进行周期变距。

可选的，在桨叶3上安装有分布式压电作动器(14)，通过分布式压电作动器(14)使桨叶3产生周期弹性扭转，从而使桨叶(3)进行周期变距。例如图5所示，使用多组薄片式压电作动器(比如由压电陶瓷片组成的压电作动器)，沿桨叶展长方向布置，在桨叶多处产生作用力，为了更好理解，可以将其称为“分布式压电作动器”。

在可选方案中，周期变距作动系统(2)可以驱动桨叶(3)整体扭转。

上述总体实施例，具体可以实现为下面实施例的1-3，其中：

实施例1

操纵旋翼时，总距作动器6输出扭矩，带动扭力臂8上下转动，变距拉杆7一端连接扭力臂8，另一端连接桨毂5上的变距套筒，带动桨叶进行总距运动；周期变距作动器11输出周期转动，通过襟翼传动机构10使襟翼9上下偏转，襟翼9在气动力的作用下产生周期扭矩，使得桨叶3进行周期变距运动。

当总距作动系统1失效时，周期变距作动系统2可使襟翼9保持向上或向下偏转的状态，例如：假设总距作动器失效的情况，由周期变距作动器带动襟翼产生的扭矩应该尽可能接近总距作动器的2Nm输出，从而产生使桨叶整体偏转的力矩，达到类似总距操纵的效果。

当周期变距作动系统2失效时，总距作动系统1可进行周期转动(例如采用小幅转动约为±3°)，带动桨叶进行周期转动，达到类似周期变距操纵的效果。

实施例2

混合式电控旋翼，如图4，该实施例的混合式电控旋翼与实施例1基本相同，不同之处在于：周期变距作动器11通过带动桨叶扭转传动机构13，带动可动桨尖12进行上下周期偏转，通过改变桨尖高动压区迎角，产生周期扭矩，使桨叶3进行周期变距运动。

实施例3

混合式电控旋翼，如图5，该实施例的混合式电控旋翼与实施例1基本相同，不同之处在于：通过在桨叶3上布置分布式压电作动器14，使桨叶3产生周期弹性扭转，实现旋翼的周期变距。

本发明提出的一种混合式电控旋翼，实现了旋翼总距和周期变距的独立控制，实现了旋翼操纵功率的合理分配，减小了旋翼对作动器的要求；可实现旋翼操纵多冗余备份。主要的优点在于：(1)相对比于现有的自动倾斜器旋翼操纵系统，本发明不再使用自动倾斜器、机械/液压操纵杆系，大幅度减轻作动器重量，提高直升机的重量效率。(2)本发明取消各片桨叶之间的机械连接约束，在进行旋翼主操纵的同时，施加以减小振动、降低噪声、改善飞行性能等目的而设定的其他旋翼控制。(3)相对比于现有电控旋翼，本发明减小了旋翼对作动器的要求，能够实现旋翼操纵功率的合理分配。(4)相对比于现有电控旋翼，本发明所使用的多种作动系统互为备份，在特殊情况下可依靠其中单独的任意一种作动系统对桨叶完成旋翼操纵，具有多重冗余度，直升机安全性高。(5)本发明旋翼系统结构相对简单，集成化高，采用标准化设计制造，方便于对现有型号直升机进行改造升级。(6)本发明所采用的分离式控制策略可适配多种桨毂构型、多种桨叶翼型，适用范围广。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种混合式电控旋翼，其特征在于，包括：总距作动系统(1)、周期变距作动系统(2)、桨叶(3)、旋翼轴(4)和桨毂(5)；

所述桨叶(3)通过桨毂(5)与旋翼轴(4)连接；

总距作动系统(1)通过总距作动器(6)带动桨叶(3)从而进行总距运动；

周期变距作动系统(2)通过改变后缘襟翼(9)的偏转角度，产生相对于桨叶(3)变距轴线的俯仰力矩，从而进行周期变距。

2.根据权利要求1所述的混合式电控旋翼，其特征在于，总距作动系统(1)包括总距作动器(6)、变距拉杆(7)和扭力臂(8)；

周期变距作动系统(2)，包括：襟翼(9)、襟翼传动机构(10)和周期变距作动器(11)。

3.根据权利要求2所述的混合式电控旋翼，其特征在于，周期变距作动系统(2)安装在桨叶(3)上；

总距作动系统(1)安装在桨毂(5)上；或者，总距作动系统(1)安装在桨毂(5)与桨叶(3)连接处，总距作动器(6)的输出端连接变距铰。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的混合式电控旋翼，其特征在于，周期变距作动器(11)安装在桨叶(3)内部。

5.根据权利要求4中任意一项所述的混合式电控旋翼，其特征在于，周期变距作动系统(2)驱动桨叶(3)尖部高动压区域进行扭转。

6.根据权利要求3所述的混合式电控旋翼，其特征在于，总距作动器(6)通过总距作动器支架(15)与桨毂(5)连接；

扭力臂(8)、变距拉杆(7)和桨毂(5)构成一组连杆机构，其中，扭力臂(8)的一端连接总距作动器(6)的输出端，扭力臂(8)的另一端与变距拉杆(7)的一端连接，变距拉杆(7)的另一端与桨毂(5)连接；

变距拉杆(7)两端连接位置都设置有杆端轴承(16)，以便于变距拉杆(7)绕自身进行轴线旋转；

总距作动器(6)输出低频为零阶的转动，从而进行桨叶(3)的总距运动的操纵，触发桨叶迎角的改变。

7.根据权利要求3所述的混合式电控旋翼，其特征在于，周期变距作动器(11)安装在桨叶(3)的根部，襟翼传动机构(10)的一端连接周期变距作动器(11)，襟翼传动机构(10)的另一端连接后缘襟翼(9)；

周期变距作动器(11)用于输出高频NΩ的转动，从而控制襟翼(9)往复偏转产生气动力，进而产生相对于桨叶(3)变距轴线的俯仰力矩，实现桨叶(3)的周期变距操纵，触发桨叶迎角周期性变化。

8.根据权利要求3所述的混合式电控旋翼，其特征在于，在总距作动系统(1)处于失效状态下，由周期变距作动系统(2)产生恒定的俯仰力矩，从而进行总距控制；

或者，在周期变距作动系统(2)失效状态下，由总距作动系统(1)进行高频变距作动，从而进行周期变距控制。

9.根据权利要求3所述的混合式电控旋翼，其特征在于，在桨叶(3)的末端安装有可动桨尖(12)，在桨叶(3)内部安装桨叶扭转传动机构(13)并连接可动桨尖(12)；

周期变距作动器(11)通过带动桨叶扭转传动机构(13)，从而带动可动桨尖(12)进行上下周期偏转，以便于通过改变桨尖高动压区迎角来产生周期扭矩，使桨叶(3)进行周期变距。

10.根据权利要求3所述的混合式电控旋翼，其特征在于，在桨叶(3)上安装有分布式压电作动器(14)，通过分布式压电作动器(14)使桨叶(3)产生周期弹性扭转，从而使桨叶(3)进行周期变距。