JP2007055602A - ヘリコプタ構造並びにその振動の減少方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 加速度計とその関連配線が偶発的な損傷を受けることがなく、振動をその振動源で或いは直ぐ近くで吸収する、寄生質量の小さいヘリコプタ構造の振動減少方法及び装置を提供する。
【解決手段】 ヘリコプタ構造１０は、励振周波数で相対運動が可能な機体１２と枠体１７間に接続される複数のアクチュエータ１９を有する。このアクチュエータは、励振周波数に実質的に相当する周波数で液状加圧流体の供給源２０により連続的に振動される。ロータブレードの所定位置に取り付けられたセンサー２１は、所定位置での動的変化を表す信号を発生し、コンピュータ２２が、この信号を処理して、アクチュエータにより発生される付与力の位相及び大きさを制御するために、かつ、回転系の動的特性の変化を補償して機体の全振動レベルを減少するように前記付与力の位相及び大きさの特性を変更するために出力信号を発生する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ヘリコプタ構造に関し、特に、その振動を減少するための方法及び装置に関するものである。

前進飛行中のヘリコプタの主な振動源は、サステイニング用主ロータの回転系によりブレード通過周波数で発生される振動である。力及びモーメントは、通常、トランスミッションを通り機体付属物を経由して伝達され、機体に振動を生じさせる。

本出願人の米国特許第４,８１９,１８２号明細書は、励振周波数で相対運動が可能なヘリコプタ構造のパーツ間に複数のアクチュエータを接続することによって、ヘリコプタの機体の振動を減少する方法を開示している。この構造は、複数の位置でヘリコプタ機体に取り付けられた複数の加速度計を使用しており、該加速度計が機体の動的加速度を表す信号を発生する。これらの信号は搭載処理装置により処理され、該処理装置が、ヘリコプタ構造の相対運動が可能なパーツ間にあるアクチュエータによって発生される出力の位相及び大きさを制御するための出力信号を供給する。

しかし、上述の米国特許第４,８１９,１８２号明細書に記載のような構造においては、加速度計とそれに関連した配線は偶発的な損傷を受け易いことが分かった。

この構造は、ロータヘッドの上方に装着される機械的アブソーバを含む、振動を吸収するための他の先行技術の提案に優る利点を有する。機械的アブソーバは、振動をその振動源で或いは振動源の直ぐ近くで吸収するので、効果的である。しかし、この装置は、受け入れられないほどの重量ペナルティーをもたらす、かなりの大きさの寄生質量を必要とする。

［発明の概要］
本発明の第１の側面によると、回転系を支持するか該回転系により支持される機体を含む構造からなり、該構造は、励振周波数で相対運動が可能なパーツを有すると共に、該パーツ間に接続される複数のアクチュエータを有するヘリコプタであって、前記励振周波数に実質的に相当する周波数で前記アクチュエータを連続的に振動させる振動手段と、選択された位置で前記回転系に取り付けられ、回転中に前記選択された位置での動的変化を表す信号を発生するようになっている複数のセンサーと、該センサーからの前記信号を処理して、前記アクチュエータにより発生される付与力の位相及び大きさを制御すると共に、前記回転系の動的特性の変化を補償して前記機体の全振動レベルを減少するように前記付与力の位相及び大きさの特性を変更するために出力信号を発生する処理装置とを備えるヘリコプタが提供される。

従って、本発明によるヘリコプタは、本出願人の米国特許第４,８１９,１８２号明細書に記載された利点の多くを有するだけでなく、本発明は、センサーが回転系上に設けられているために、小さな重量ペナルティーでありながら、ロータヘッド装着の機械的アブソーバの動作をシミュレートする。

更に、ヘリコプタ機体と言うよりも回転系上にセンサーを設けることにより、該センサーは、回転系、即ち励振源に生ずる振動を検知することができる。

該センサーを回転系上に設けることができるので、同センサー及びそれに関連した配線が偶発的な損傷を受ける可能性が、センサーが機体上に設けられる場合よりも、低くなる。

本発明は、回転系が、ヘリコプタの機体における主な振動源である同ヘリコプタのサステイニング用主ロータである場合に特に適当である。

ヘリコプタ構造の１つのパーツは、同ヘリコプタ構造の別のパーツに関して相対運動が可能であって、回転系のエンジン、トランスミッション及び支持構造のうちの１つから、或いは１つ以上の組み合わせからなる。

ヘリコプタ構造の１つのパーツは、エラストマーユニットのような複数の弾性取付手段によりヘリコプタ構造の別のパーツに取り付けられるのが好都合である。

複数の弾性取付手段とアクチュエータは数が等しいことが好ましく、また、所望ならば、各アクチュエータは弾性取付手段と一体のユニットでよい。

ヘリコプタ構造の相対運動が可能なパーツ間に力を付与しうるアクチュエータなら任意の種類のものを使用しうるが、各アクチュエータは電気油圧式のアクチュエータであることが好ましい。

１つの実施形態では、回転系は複数のブレードが取り付けられるロータヘッドを備え、センサーのうちの少なくとも１つは、このロータヘッドに装着されているが、代替的に、通常ほぼ垂直のロータ駆動軸に設けたり、ほぼ水平のロータブレードに設けてもよい。

歪ゲージや変位変換器のような別の種類のセンサーを用いてもよいが、加速度計がコンパクトで信頼性があり、かつ容易に装着されるので、センサーは加速度計であることが好ましい。

本発明の第２の側面によると、回転系を支持するか該回転系により支持される機体を含むと共に、励振周波数で相対運動が可能なパーツを有するヘリコプタ構造の振動を減少する方法であって、前記ヘリコプタ構造の相対運動が可能な前記パーツ間に複数のアクチュエータを接続し、該アクチュエータを前記励振周波数に実質的に相当する周波数で振動させ、回転中に前記回転系上の複数の位置での動的変化を表す信号を発生し、該信号を処理装置に送って、該処理装置において、前記アクチュエータにより発生された付与力の位相及び大きさを制御するために、かつ前記回転系の動的特性の変化に対して補償して前記機体の全振動レベルを減少するように前記力の位相及び大きさの特性を変更するために、出力信号を発生するようになっている、ヘリコプタ構造の振動減少方法が提供される。

また、本発明の第３の側面によると、回転系を支持するか該回転系により支持される機体を含むヘリコプタ構造であって、該ヘリコプタ構造のパーツが励振周波数で相対運動が可能である前記ヘリコプタ構造の振動を減少するために、前記ヘリコプタ構造の前記相対運動が可能なパーツ間に接続されるようになっている複数のアクチュエータと、使用時に、前記励振周波数に実質的に相当する周波数で前記アクチュエータを連続的に振動させる振動手段と、前記回転系上の選択された位置で前記回転系に取り付けられ、回転中に前記選択された位置での動的変化を表す信号を使用時に発生するようになっている複数のセンサーと、該センサーからの前記信号を処理して、前記アクチュエータにより発生される付与力の位相及び大きさを制御すると共に、前記回転系の動的特性の変化を補償するように前記付与力の位相及び大きさの特性を変更するために出力信号を発生するようになっている処理装置とを備える、ヘリコプタ構造の振動減少装置が提供される。

図１及び図２を参照すると、符号１０で総括的に示されたヘリコプタの構造は、筏状の枠体１７からなる支持構造によって支持されたさサステイニング用の主ロータ１１と、トルク平衡ロータ１４を支持して後方に延びる尾部１３を有するヘリコプタ機体１２とを備える回転系を含んでいる。

サステイニング用主ロータ１１は、１つ又はそれ以上のエンジン１６によりトランスミッション（ギアボックス）１５を介して駆動され、該トランスミッション１５及びエンジン１６は筏状の枠体１７上に装着されている。この実施形態では、枠体１７はほぼ矩形であって、例えば４つの弾性取付部もしくは手段１８により機体１２に取り付けられる。各弾性取付部１８は矩形の隅部に隣接配置されたエラストマーユニットからなり、該取付部を通じて、操作力が枠体１７から機体１２へ伝達される。

従って、機体１２及び枠体１７は、励振周波数に実質的に対応する周波数で相対的に運動可能なヘリコプタ構造のパーツを構成する。４つの弾性取付部１８の各々の近傍で機体１２及び枠体１７の間に接続されているのは電気油圧式のアクチュエータ１９であり、各アクチュエータ１９は、運転中、機体１２に力を付与するようになっている。この付与力は、枠体１７にかかる等しい反対方向の力の反作用である。

好適な実施形態においては、アクチュエータ１９は、各弾性取付部１８と一体のユニットであるので、該アクチュエータ１９の数は弾性取付部１８の数に等しい。また、各アクチュエータ１９には振動手段として液状加圧流体の供給源２０が接続されている。

複数のセンサー２１が種々の位置で主ロータ１１に接続されている。この実施形態においては、図面には２個だけ示されているが、主ロータ１１の４枚のブレードの各々に１つずつ、合計４個のセンサー２１が設けられている。この実施形態においては、センサー２１は、主ロータ１１が回転するときに各選択された位置での動的変化を表す信号を発生するようになっている加速度計である。主ロータ１１が４枚以外のブレードを有する別の構造においても、１つのセンサーを各ロータブレードに設ければよい。

加速度計２１は、機体１２に支持されるコンピュータ２２からなる処理装置に電気的に接続される。該コンピュータ２２は、アクチュエータ１９によって発生され付与される振動力の位相及び大きさを制御すると共に、この付与力もしくは振動力の位相及び大きさの特性を変化するために、出力信号を出すようになっている。運転中、例えば、前進飛行の際の非対称な空気流のために、振動力が主ロータ１１によって発生される。主ロータ１１が回転するときに生ずるこの振動力は、補償系が設けられていない場合には、枠体１７から機体１２に伝達される。これらの振動力とそれに関連したモーメントは、ブレード通過周波数及びその調和周波数で主として生じる。ブレード通過周波数とは、主ロータ１１の回転速度とロータブレードの枚数の積である。

典型的には、４枚のブレードを有するヘリコプタについては、ブレード通過周波数は、２１Ｈｚ程度であり、５枚のブレードを有するヘリコプタについては１７Ｈｚである。

アクチュエータ１９は、主ロータ１１の回転により枠体１７に生ずる振動を相殺するために機体１２及び枠体１７間に１組の力を付与するように、コンピュータ２２によって制御された周波数で振動される。従って、ブレード通過周波数が２１Ｈｚである場合、電気油圧式のアクチュエータ１９は約２１Ｈｚの周波数で連続的に振動される。

また、加速度計２１の位置において主ロータ１１に生ずる動的変化は、コンピュータ２２からの出力信号の位相及び大きさの調節を行う。

コンピュータ２２は、加速度計２１から受け取る振動の信号を、ブレード通過周波数及び位相情報についての離散フーリエ変換理論に基づいて、例えばディジタル信号処理装置２３により解析するようになっている。次に、この測定された周波数領域の振動データはパラメータ推定関数２４に送られ、該パラメータ推定関数は情報を利用して、アクチュエータ１９から出る力と振動応答について一次伝達関係を構築する。伝達関係推定値の演算は離散的カルマン・フィルタ理論に基づいている。

得られた推定値は、最適制御コントローラ２５に送られ、該コントローラ２５が、測定信号の二乗とアクチュエータが出す力の加重和である二次特性関数を最小にする最適制御力を演算すると共に、アクチュエータ１９を作動するための出力信号２６を発生する。

この制御手順は巡回的に続けられ、演算が行われている間、１サイクル中、一定組の振動力が機体１２に付与される。

コンピュータ２２の制御ループにおいてパラメータ推定関数２４を使用することにより、アクチュエータ１９への出力信号２６の位相及び大きさの応答特性、即ちアクチュエータが出す力が絶えず変化して、主ロータ１１又は機体１２の変化する動的特性に確実に適応する。従って、一次伝達関係に変化があった場合、パラメータ推定関数２４は、予測振動レベルと測定振動レベルとの間の誤差を検出する。この関係についての推定値はそれに応じて調整されて最適制御コントローラ２５に入れられ、該最適制御コントローラ２５が新たな１組のアクチュエータ出力信号２６を演算する。

従って、本発明の方法及び装置は、電気油圧式アクチュエータ１９の励振周波数での振動の位相及び大きさに変化を生じさせ、同時に、枠体１７から機体１２に伝達される振動のレベルを無効にするか或いは少なくとも実質的に減少させて、ヘリコプタ機体１２の全振動レベルに有意な改善をもたらすものである。

勿論、主ロータ１１に設けられた加速度計２１から機体１２内のコンピュータ即ち処理装置２２に信号を伝達するためには、スリップリングのようなある種の手段が必要であろう。

主ロータ１１に加速度計２１を設けることによって、加速度計２１は励振源で振動を検知するので、ロータヘッド装着の機械的アブソーバに寄生質量が与えられている構造をシミュレートする。勿論、加速度計２１が与える重量ペナルティーはもっと小さい。

本発明は、回転系のその他の機構により生起され枠体１７から機体１２へ伝達される、例えばブレード通過周波数の高調波のような振動を減少することができる。

本発明の範囲から逸脱することなく種々の改変が可能である。例えば、枠体１７と機体１２の間に設けられるアクチュエータ１９の数は変更することができる。この実施形態では、アクチュエータ１９は、（ヘリコプタが水平面内で飛行している状態で）ほぼ垂直に方向付けられているが、その他の仕方で方向付けられていてもよい。装着される加速度計２１の数は必要に応じて変更しうるが、アクチュエータ１９の数よりも少なくないことが好ましい。加速度計２１の１つ以上又は全ては、上に述べたように主ロータ１１に設けるのではなく、例えば、主ロータのロータヘッドＨや、（通常ほぼ垂直方向に向いている）ロータ駆動軸Ｄに設けてもよい。

図３は、別の実施形態を示す図で、図１のヘリコプタと類似したパーツについては同一の参照数字が付されているが、主なものにはダッシュ記号が付されている。図３の実施形態は、図１の筏状の枠体１７は設けられていない。むしろ、ヘリコプタ構造１０’は、ギアボックス１５’を支持する機体１２’を備え、このギアボックスがサステイニング用の主ロータ１１’からなる回転系に駆動力を伝達して、軸心Ａの回りに主ロータ１１’を駆動する。ギアボックス１５’は、複数の弾性支柱組立体（弾性取付手段）１８’によって機体１２’に取り付けられており、各弾性支柱組立体がアクチュエータ１９’を含んでいる。このアクチュエータ１９’は図１のアクチュエータ１９と同様に電気油圧式のものであり、機体１２’内に搭載された処理装置２２’から出力信号２６’を受ける。処理装置２２’は、センサー２１’から入力信号を受け、アクチュエータ１９’により供給される励振力の位相及び大きさを変更する。このセンサー２１’も、主ロータ１１’のブレードに装着したり、或いは主ロータ１１’のその他のところに装着される加速度計からなる。

従って、この変形実施形態においては、相対運動が可能なヘリコプタ構造のパーツはギアボックス１５’と機体１２’であり、弾性支柱組立体１８’は、ヘリコプタが水平飛行している状態で、垂直に対して約４５°をなして配列されている。

本発明の実施形態は、励振周波数で相対運動が可能なヘリコプタ構造の任意のパーツ間に符号１９，１９’で示すようなアクチュエータを接続することによって、機体１２，１２’における振動レベルを減少させるのに使用できることが分かる。

いずれの場合も、センサーは加速度計２１，２１’であることが好ましいが、１つ以上又は全てのセンサーを例えば、主ロータ１１，１１’のロータ駆動軸Ｄ（図１），Ｄ’（図３）に装着されて同駆動軸Ｄ，Ｄ’の例えば曲がりを測定する歪ゲージ、或いは変位変換器とすることができる。加速度計は、コンパクトであり、信頼性が高く、しかも設置が容易であるので好ましいが、反対に、歪ゲージは実施可能なセンサーとするには外力や疲労に対して損傷し易く、一方、変位変換器は使用中における摩耗や信頼上の問題がある。

所望ならば、１つ以上のセンサーをヘリコプタの機体１２，１２’に追設して、機体の動的加速度を表す信号を発生し、コンピュータ２２，２２’に送ってもよい。該信号は、コンピュータにおいて演算に使用され、その結果、ヘリコプタ構造の関連振動パーツ間にアクチュエータ１９，１９’により発生される出力の位相及び大きさを制御するための出力信号になる。

従って、アクチュエータ１９，１９’の出力は主ロータ１１，１１’だけでなく機体の変化する動的特性に適応する。

所望ならば、本発明は、主ロータへの適用に加えて或いは代えて、ヘリコプタ構造１０のトルク平衡ロータ１４からなる回転系に適用してもよい。その場合、センサーはトルク平衡ロータ１４の回転系に取り付けられる。

上述の発明の詳細な説明、請求項又は添付図面において開示され、特定の形態で表現され、或いは開示した機能を遂行する手段により又は開示した結果を達成するための方法又はプロセスにより表現された種々の特徴は、本発明を種々の形態で実施するために、単独で使用したり、組み合わせて使用したりすることができる。

本発明による振動減少装置を備えたヘリコプタを説明するための概略側面図である。 図１に示した振動減少装置の動作を説明するための簡略ブロック図である。 別の実施形態についての図１に類似する概略側面図である。

符号の説明

１０，１０’…ヘリコプタの構造、１１，１１’…主ロータ、１２，１２’…機体（パーツ）、１４…トルク平衡ロータ（回転系）、１５，１５’…トランスミッション（ギアボックス）、１６…エンジン、１７…枠体（パーツもしくは支持構造）、１８，１８’…弾性取付部もしくは弾性支柱組立体（弾性取付手段）、１９，１９’…アクチュエータ、２０…振動手段（液状加圧流体の供給源）、２１，２１’…センサー（加速度計）、２２，２２’…コンピュータ（処理装置）、２６，２６’…出力信号、Ｄ，Ｄ’…ロータ駆動軸、Ｈ，Ｈ’…ロータヘッド。

Claims (18)

1. 回転系を支持するか該回転系により支持される機体を含む構造からなり、該構造は、励振周波数で相対運動が可能なパーツを有すると共に、該パーツ間に接続される複数のアクチュエータを有するヘリコプタであって、前記励振周波数に実質的に相当する周波数で前記アクチュエータを連続的に振動させる振動手段と、選択された位置で前記回転系に取り付けられ、回転中に前記選択された位置での動的変化を表す信号を発生するようになっている複数のセンサーと、該センサーからの前記信号を処理して、前記アクチュエータにより発生される付与力の位相及び大きさを制御すると共に、前記回転系の動的特性の変化を補償して前記機体の全振動レベルを減少するように前記付与力の位相及び大きさの特性を変更するために出力信号を発生する処理装置とを備えるヘリコプタ。
2. 前記回転系はサステイニング用の主ロータである請求項１記載のヘリコプタ。
3. 前記構造の１つのパーツは、前記構造の別のパーツに関して相対運動が可能であって、前記回転系のエンジン、トランスミッション及び支持構造のうちの１つから、或いは１つ以上の組み合わせからなる請求項１又は２記載のヘリコプタ。
4. 前記構造の１つのパーツは、複数の弾性取付手段により前記構造の別のパーツに取り付けられている請求項３記載のヘリコプタ。
5. 前記弾性取付手段と前記アクチュエータは数が等しい請求項４記載のヘリコプタ。
6. 各アクチュエータは弾性取付手段と一体のユニットである請求項５記載のヘリコプタ。
7. 前記アクチュエータの各々は電気油圧式のアクチュエータである請求項１〜６のいずれか１つに記載のヘリコプタ。
8. 前記回転系は複数のブレードが取り付けられるロータヘッドを備え、前記センサーのうちの少なくとも１つは前記ロータヘッドに装着される請求項１〜７のいずれか１つに記載のヘリコプタ。
9. 前記回転系は複数のブレードが取り付けられたロータヘッドを備え、前記センサーのうちの少なくとも１つはブレードに装着される請求項１〜７のいずれか１つに記載のヘリコプタ。
10. 前記回転系の各ブレードについてセンサーが設けられている請求項９記載のヘリコプタ。
11. 前記センサーのうちの１つは前記回転系のロータ駆動軸に装着されている請求項１〜１０のいずれか１つに記載のヘリコプタ。
12. 前記センサーは加速度計である請求項１〜１１のいずれか１つに記載のヘリコプタ。
13. 前記回転系にある前記センサーに加え、１つ以上のセンサーが前記ヘリコプタの機体に設けられていて、該機体の動的加速度を表す信号を発生する請求項１〜１２のいずれか１つに記載のヘリコプタ。
14. 回転系を支持するか該回転系により支持される機体を含むと共に、励振周波数で相対運動が可能なパーツを有するヘリコプタ構造の振動を減少する方法であって、前記ヘリコプタ構造の相対運動が可能な前記パーツ間に複数のアクチュエータを接続し、該アクチュエータを前記励振周波数に実質的に相当する周波数で振動させ、回転中に前記回転系上の複数の位置での動的変化を表す信号を発生し、該信号を処理装置に送って、該処理装置において、前記アクチュエータにより発生された付与力の位相及び大きさを制御するために、かつ前記回転系の動的特性の変化に対して補償して前記機体の全振動レベルを減少するように前記力の位相及び大きさの特性を変更するために、出力信号を発生するようになっている、ヘリコプタ構造の振動減少方法。
15. 前記回転系は、複数のロータブレードを有する前記機体のサステイニング用主ロータを備え、前記励振周波数は前記ロータブレードの通過周波数に実質的に対応している請求項１４記載の振動減少方法。
16. 回転系を支持するか該回転系により支持される機体を含むヘリコプタ構造であって、該ヘリコプタ構造のパーツが励振周波数で相対運動が可能である前記ヘリコプタ構造の振動を減少するために、前記ヘリコプタ構造の前記相対運動が可能なパーツ間に接続されるようになっている複数のアクチュエータと、使用時に、前記励振周波数に実質的に相当する周波数で前記アクチュエータを連続的に振動させる振動手段と、前記回転系上の選択された位置で前記回転系に取り付けられ、回転中に前記選択された位置での動的変化を表す信号を使用時に発生するようになっている複数のセンサーと、該センサーからの前記信号を処理して、前記アクチュエータにより発生される付与力の位相及び大きさを制御すると共に、前記回転系の動的特性の変化を補償するように前記付与力の位相及び大きさの特性を変更するために出力信号を発生するようになっている処理装置とを備える、ヘリコプタ構造の振動減少装置。
17. 前記アクチュエータは電気油圧式アクチュエータである請求項１６記載の振動減少装置。
18. 前記センサーは加速度計である請求項１６又は請求項１７記載の振動減少装置。

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