JP5753384B2 - ブレード操縦翼面適応調整のためのシステムおよび方法 - Google Patents

Description

本発明の分野は一般に回転ファンブレードに関し、より詳細には回転ファンブレードの相対位置を調整する際に使用するための制御システムに関する。

ヘリコプタは、ヘリコプタが上昇／下降し水平方向に移動することを可能にする揚力および推進力を生成する動力駆動ロータブレードのシステムを使用する回転翼航空機である。各ブレードのピッチは、各ブレードによって生成される迎え角および揚力量を変化させるように個々に調整可能であってよい。一部の知られているヘリコプタでは、パイロットは、すべてのブレードに対してピッチを同時に等しく変更するコレクティブピッチコントロール、および各回転サイクルの間中、個々のブレードのピッチを絶えず変化させるサイクリックピッチコントロールを使用することができる。更に、サイクリックピッチコントロールを用いて回転ブレードのピッチを変化させることによって、ピッチおよびロールの制御が容易になる。

前進飛行中、前進側ロータブレードと後退側ロータブレードの間に非対称な揚力が存在する。しかし、かかる回転翼が剛結合されている場合には、この非対称がヘリコプタにローリングモーメントを誘発する。他の知られているヘリコプタの中には、飛行中に経験するローリングモーメントを実質的に除去するように、ロータブレードの基部にフラップヒンジまたはジンバル機構が使用されているものもある。更に、非対称な揚力は、前進側および後退側の揚力を実質的に均一にするフラッピングをブレードに引き起こす。しかし、ブレードのフラッピングはまた、前進飛行中の回転翼の効率も制限し、および回転翼アセンブリに望ましくない振動を誘発する場合がある。

知られているヘリコプタロータブレードシステムで、回転ブレードは当技術分野で一般に回転翼面と呼ばれる円軌跡を作る。通常の運航状況下で、各ブレードは回転翼面内の正弦曲線軌跡で移動し、他のブレードに関してずれている場合がある。しかし、かかるロータブレードの軌跡は、ロータブレードシステムに対する不均衡によって誘発される振動と類似した振動を誘発する場合がある。振動の制御を促進するために、少なくともいくつかの知られているヘリコプタは回転翼調整をピッチおよび振動の緩衝機として使用している。他の知られているヘリコプタは、振動を感知し補償するために、機械的フィードバックシステムを使用する。知られているフィードバックシステムは分銅を安定基準として使用し、分銅から延在する連結装置が振動を補償するためにロータブレードの迎え角を調整するようにフラップを操作する。しかし、振動の起点の位置を突き止めるのは困難である場合がある。知られている補償システムには、ストロボフラッシュランプを使用し、ロータブレードの下面の塗装した印または着色反射体を観測するものがある。次いで、識別されたロータブレードに対して回転翼ピッチに調整を加え、振動の制御を容易にすることができる。

米国特許第６３２２３２４号

一態様では、回転ブレードシステムの振動を低減するための方法が提供される。このシステムは、軸の周りで回転可能な少なくとも２つのロータブレードを含み、また調整可能なアスペクトをも含む。この方法は、各ブレードの軸位置を決定するステップと、第１の方向の軸に沿って最も長い距離で変位している第１のブレードを決定するステップと、回転ブレードシステムの振動を低減するのを促進するように第１のブレードのアスペクトを変更するステップとが含まれる。

別の態様では、少なくとも１つのヘリコプタロータブレードの振動を低減するための方法が提供される。ブレードは軸の周りで回転可能であり、調整可能なアスペクトを含む。この方法は、各ブレードの軸位置を決定するステップと、第１の方向の軸に沿って最も長い距離で変位した第１のブレードを決定するステップと、第２の方向の軸に沿って最も長い距離で変位した第２のブレードを決定するステップと、変位した距離を縮小するのを促進するように前記選択した第１および第２のブレード上の操縦翼面を作動させるステップとを含む。

別の態様では、回転可能部材の振動を低減するためのシステムが提供される。このシステムは、ブレードトラッキングセンサと、調節可能アスペクトを含む回転可能部材と、制御コンピュータとを含む。制御コンピュータは、各ブレードの軸位置を決定し、第１の方向の軸に沿って最も長い距離で変位した第１のブレードを決定し、回転ブレードシステムの振動を低減するのを促進するように第１のブレードのアスペクトを変更し、回転ブレードシステムの振動レベルが低減したかを判定し、および回転ブレードシステムの振動を更に低減するのを促進するように、変更すべき別の回転可能部材を選択するように構成される。

機上に搭載された振動低減システムを含む例示的なヘリコプタの斜視図である。 図１に示されるヘリコプタで使用される例示的なロータブレードの斜視図である。 図２に示され、上向きに偏向された操縦翼面を含むロータブレードの断面図である。 図１に示されるシステムのような、回転ブレードシステムの振動レベルを低減するための例示的方法の流れ図である。

図１は、胴体２０と、回転翼３５および各々が中心ハブ４１から外向きに回転翼端４２まで延在する複数のロータブレード４０を含む回転ブレードシステム３０とを含む、例示的ヘリコプタ１０の斜視図を示す。回転翼３５が回転中、ロータブレード４０がティップパスプレーンすなわち回転翼面５０を画定する。例示的実施形態では、ブレードトラッキングセンサ６２および制御コンピュータ６４を収容するセンサ筺体６１を含むブレードトラッキングシステム６０が胴体２０に搭載される。代替として、制御コンピュータ６４は、ブレードトラッキングセンサ６２を本明細書に記載のように機能させることができる任意の場所で、ヘリコプタ１０に対して配置してよい。

ブレードトラッキングセンサ６２は各ロータブレード４０の位置を感知し、例示的実施形態では、送受信回路（図示せず）に連結された実質的に平面の平板アンテナ６６が含まれる。例示的実施形態では、アンテナ６６は回転翼面５０の方向にＲＦ信号を継続的に送信する。たとえば、ロータブレードがアンテナ６６の近傍を通過することに起因するアンテナ６６のインピーダンスの変化は、検出回路（図示せず）によって検出される。更に例示的実施形態では、感知したインピーダンスの変化に応答して、検出回路はヘリコプタ１０が飛行中に各ブレード４０の他のブレード４０に対する位置を示す出力信号を生成する。別の実施形態では、タコメータ（図示せず）が回転ブレードシステム３０に連結されてよい。

図２はロータブレード４０の斜視図である。図３はブレード４０の断面図である。例示的実施形態では、各ロータブレード４０は翼端４２と基部４４の間に延在し、回転翼３５（図１に図示）で引き起こされた振動レベルを低減するのを促進するように、ブレード４０の調整可能なアスペクトを選択的に変更できるようにする可動操縦翼面４６を含む。本明細書で使用されているように、用語「調整可能なアスペクト」は、限定されるものではないが、揚力、抗力および曲げモーメント、またはブレード４０に作用し、かつ回転翼３５によって引き起こされる振動を低減するのを促進するために変更することができるその他任意の力またはモーメント、の少なくともいずれか１つまたは複数を意味する。例示的実施形態では、操縦翼面４６は外部から制御可能なトリムタブである。代替として、操縦翼面４６は、ブレード４０の高さを調整できる任意の制御であってよく、振動低減システムのために本明細書に記載したように機能してよい。

例示的な操縦翼面４６の偏向は、ブレード４０上を流れる空気４８の対応する偏向を引き起こす。各操縦翼面４６がヒンジ（図示せず）に対して回転でき、したがってブレード４０上を通過する空気４８を偏向させることができるように、操縦翼面４６はヒンジ（図示せず）でブレード４０に連結される。空気４８のこの方向変更はブレード４０によって生成される揚力を変化させる。図３に示されるように、操縦翼面４６を上向きに偏向させることによって、ブレード４０が生成する揚力を小さくし、下向き方向のトラックを生じる。同様に、操縦翼面４６を下向きに偏向させることによって、ブレード４０が生成する揚力を大きくし、上向き方向のトラックを生じる。

作動中、ブレードトラッキングセンサ６２からの信号が制御コンピュータ６４によって解析され、どのブレード４０がブレードトラッキングセンサ６２から最も遠い距離にあり、どのブレードが最も近い距離にあるかを決定する。制御コンピュータ６４は１つまたは複数のブレード４０上の操縦翼面４６に小さい変化を生じさせ、次のブレードトラッキングセンサ６２の信号を解析して、全体の相対的トラッキングが望ましいように変更されているかを判定する。もしも改善が感知されることがあれば、その結果、さらに変化すると改善しなくなるか、または相対的トラッキングを劣化させ始めるまで、小さい変化が繰り返されることになる。代替として、タコメータ（図示せず）からの信号を使用し、ブレードトラッキングセンサ６２の信号を回転ブレードシステムの特定のブレード４０と積極的に相関させる。次に、制御コンピュータ６４は、任意のブレード４０に対する小さい変化を促進し、次にブレードトラッキングセンサ６２からの得られる信号を解析して、全体の相対的トラッキングが望ましいように変更されているかを判定することができる。

図４は、たとえば制御コンピュータを使用することによるシステム３０（図１から３に図示）、たとえばブレード操縦翼面に実質的に継続調整を提供するコンピュータ６４（図１に図示）、たとえば操縦翼面４６（図３に図示）のような、回転翼ブレードシステムによる振動を低減するための例示的方法１００を示す流れ図である。方法１００にはシステムの各ブレードの軸位置を決定するステップ１１０が含まれる。例示的実施形態では、ブレードトラッキングシステム６０（図１に図示）のようなブレードトラッキングシステムには、ブレードトラッキングセンサを収容するセンサ筺体と、制御コンピュータと、アンテナとが含まれ、胴体２０（図１に図示）のようなヘリコプタ胴体に搭載される。センサ６２（図１に図示）のようなブレードトラッキングセンサには、アンテナ６６（図１に図示）のようなアンテナが含まれる。センサ６２は、ロータブレードシステムの制御コンピュータ６４（図１に図示）のような制御コンピュータと通信して連結される。センサは、例示的実施形態では、ブレードの回転中に画定された回転翼面の方向で信号ビームを送信する。アンテナのインピーダンスは、各ブレードが回転して信号ビームに入ると変化する。インピーダンスの変化量は、センサの物理的場所およびセンサから信号ビームに入るブレードまでの距離に応じて変化する。アンテナを通過するブレードによって生じる変動インピーダンスは、送信された信号を調節し、各ブレードがセンサの近傍を通過するとき各ブレードの相対的場所の表示を提供する。

例示的実施形態では、ブレード軌跡はマイクロ波ブレードトラッキング装置を使用して決定される（１１０）。別の実施形態では、光学ブレードトラッキング装置がブレード軌跡を決定（１１０）するのに使用されてよい。代替として、ブレードトラッキングシステムを本明細書に記載のように機能させることができる任意の感知装置が使用されてよい。例示的実施形態では、単一ビームのブレードトラッキング装置が、アンテナのインピーダンスの感知した変化に基づき、ブレード軌跡を決定するのに使用される。代替として、多ビームのトラッキング装置が、アンテナのインピーダンスの感知した変化に基づき、ブレード軌跡を決定するのに使用されてもよい。

各ブレード軌跡が決定（１１０）されたあと、第１のブレード偏差が決定される（１２０）。例示的実施形態では、コンピュータ６４（図１に図示）のような制御コンピュータは、その距離がブレードトラッキングセンサ６２（図１に図示）のようなブレードトラッキングセンサから最も遠い距離に位置するブレードを決定する（１２０）。例示的実施形態では、決定（１２０）された距離は、回転ブレードシステムのブレードの回転面に対して垂直に画定される軸に沿って位置する。代替として、決定された距離はブレードトラッキングセンサから測定されるブレードの共通点までの距離である。第１のブレード偏差を決定（１２０）すると、第２のブレード偏差が決定される（１３０）。例示的実施形態では、コンピュータ６４（図１に図示）のような制御コンピュータは、その距離がブレードトラッキングセンサ６２（図１に図示）のようなブレードトラッキングセンサから最も近い距離に位置するブレードを決定する（１３０）。例示的実施形態では、決定（１３０）した距離は、回転ブレードシステムのブレードの回転面に対して垂直に画定される軸に沿って位置する。代替として、決定（１３０）した距離は、ブレードトラッキングセンサから測定されるブレードの共通点までの距離である。

最も遠いブレード（１２０）および最も近いブレード（１３０）が決定されたあと、回転ブレードシステムの振動を低減するのを促進するように選択されたブレードのブレード軌跡を移して、各ブレードの調整アスペクトが変更される（１５０）。たとえば、例示的実施形態では、接近してくる気流に対するロータブレードの迎え角は、ブレードの操縦翼面によって変更される。更に例示的実施形態では、ブレードエアフォイルの形状を変更し、接近してくる気流に対するブレードの迎え角を変化させるのに、トリムタブが使用される。代替として、ブレードの揚力、抗力および／もしくは曲げモーメント、またはブレードに作用し、回転ブレードシステムを本明細書に記載のように継続して機能させられる、任意の他の力もしくはモーメントを変更するのに、任意の制御が使用されてよい。

ブレードの空気力学的アスペクトの変更（１４０）に続いて、次に制御コンピュータは、トラッキングセンサから受信した各ブレードごとの得られるブレードデータを解析することによって、ブレード軌跡が望んだように変更（１４０）され、振動レベルが低減されたかを判定する（１６０）。例示的実施形態では、もしも振動レベルの改善が感知されたら、ブレード軌跡が許容範囲内へ移動するのを促進するように、追加変更（１４０）が実行される。代替として、制御コンピュータは選択したブレード軌跡への変更を中断してよく、新しい軸ブレード位置が決定されてよい（１１０）。例示的方法で、次に別のブレードが選択され（１７０）、工程が繰り返される。

代替方法で、制御コンピュータは、選択したブレードのアスペクトを変更（１４０）したあと任意の点で、個々のブレード軌跡を決定（１１０）するステップに戻り（１８０）、回転翼の振動レベルのさらなる低減を促進するように工程１００を再び開始してよい。

回転ブレードシステムの振動レベルを低減する例示的実施形態は、詳細に前述してある。回転アセンブリによって生じる振動レベルを低減するのを促進するために、ブレードにリアルタイムの調整を可能にするように、本明細書に記載の例示的方法が継続的に実行されてよい。上記振動低減システムおよび方法は、ブレードトラッキングセンサを使用し、そのブレード軌跡がブレードトラッキングセンサに最も近い回転ブレードシステムのブレードおよびそのブレード軌跡がこれに最も遠くに位置する回転ブレードシステムのブレードを決定し、各ブレードの空気力学的アスペクトを調節することによって、回転ブレードシステムによって生じる振動を低減するのを促進するステップが含まれる。したがって、他のブレードに対する絶対的ブレード高さの規模を感知し算定する複雑な電子機器の必要性の縮小が促進されている。更に、本明細書に記載のシステムおよび方法は、正確な相対的ブレード高さの判定を必要とするシステムより、簡便であり全体的により効果的なセンサを提供する。

本明細書に記載のシステムおよび方法は、回転ブレードシステムにより生じる振動レベルを低減するのを促進するように使用されるセンサとの関連で説明しているが、そのシステムおよび方法はロータブレードのバランスをとることに限定されるものではないと理解されている。同様に、示されているシステムの構成部品は本明細書に記載してある具体的な実施形態に限定されるものではなく、むしろ、システム構成部品は本明細書に記載の他の構成部品とは独立および分離して利用することができる。

本明細書で使用されているように、単数形で列挙され、用語「ａ」または「ａｎ」で始まる要素またはステップは、除外することが明確に列挙されていない限り、複数の前記要素またはステップを除外するものではないことを理解されたい。更に、本発明の「一実施形態」への言及は、列挙した特徴も組み込む追加の実施形態の存在を除外すると解釈することを意図したものではない。

本発明は様々な具体的実施形態に関して説明してきたが、当業者には本発明は特許請求の範囲の精神および範囲内であれば変更を伴って実行することができることは理解されよう。

１０ ヘリコプタ
２０ 胴体
３０ 回転ブレードシステム
３５ 回転翼
４０ ロータブレード
４１ 中心ハブ
４２ 回転翼端
４４ 基部
４６ 操縦翼面
４８ 空気
５０ ティップパスプレーン／回転翼面
６０ ブレードトラッキングシステム
６１ センサ筺体
６２ ブレードトラッキングセンサ
６４ 制御コンピュータ
６６ アンテナ

Claims (20)

1. 軸の周りで回転可能な少なくとも２つのブレードを含む回転ブレードシステムの振動を低減するための方法であって、前記少なくとも２つのブレードが調整可能なアスペクトを含む、方法において、
   ブレードトラッキングセンサに対する各ブレードの軸位置を決定するステップと、
   ブレードの回転軸に沿って第１の方向に、前記ブレードトラッキングセンサから最も長い距離で変位した第１のブレードを決定するステップと、
   前記回転ブレードシステムの振動を低減することを促進するために、前記第１のブレードが前記ブレードトラッキングセンサから前記第１の方向に最も長い距離にあるブレードでなくなるまで、前記第１のブレードの軸位置を変化させるために前記第１のブレードのアスペクトを変更するステップと、
   を含む、方法。
2. 前記回転ブレードシステムの前記振動が低減されたかを判定するステップと、
   前記回転ブレードシステムの振動が更に低減されるのを促進するように、変更する別のブレードを選択するステップと、
   を更に含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記回転軸に沿って第２の方向に、最も長い距離で変位した第２のブレードを決定するステップを更に含む、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記ブレードに設けられた少なくとも１つのトリムタブを使用して、前記第１および第２のブレードの前記調整可能なアスペクトを変更するステップを更に含む、請求項３に記載の方法。
5. 前記第１および第２のブレードの前記調整可能なアスペクトを変更するステップが、揚力、抗力、および曲げモーメント係数の少なくとも１つの変化が実現されるように、各ブレードの迎え角およびエアフォイル形状の少なくとも１つを変更するステップを更に含む、請求項４に記載の方法。
6. 各ブレードの軸位置を決定するステップが、単一ビームブレードトラッカおよび多ビームブレードトラッカの少なくとも１つを使用して位置を決定するステップを更に含む、請求項１から５のいずれかに記載の方法。
7. 各ブレードの軸位置を決定するステップが、マイクロ波ブレードトラッカおよび光学ブレードトラッカの少なくとも１つを使用して位置を決定するステップを更に含む、請求項１から５のいずれかに記載の方法。
8. マイクロ波ブレードトラッカを使用して各ブレードの軸位置を決定するステップが、アンテナインピーダンスの変化を使用して前記軸位置を決定するステップを更に含む、請求項７に記載の方法。
9. 回転可能部材の振動を低減するシステムであって、
   ブレードトラッキングセンサと、
   調整可能なアスペクトを含む回転可能部材と、
   制御コンピュータと、
   を含み、前記制御コンピュータが、
   ブレードトラッキングセンサに対する各ブレードの軸位置を決定し、
   ブレードの回転軸に沿って第１の方向に、前記ブレードトラッキングセンサから最も長い距離で変位する第１のブレードを決定し、
   前記回転可能部材の振動を低減することを促進するために、前記第１のブレードが前記ブレードトラッキングセンサから前記第１の方向に最も長い距離にあるブレードでなくなるまで、前記第１のブレードの軸位置を変化させるために前記第１のブレードのアスペクトを変更し、
   前記回転可能部材の振動レベルが低減されたかを判定し、
   前記回転可能部材の振動が更に低減されるのを促進するように、変更すべき別の回転可能部材を選択する
   よう構成されている、
   システム。
10. 前記ブレードトラッキングセンサが単一ビームブレードトラッカおよび多ビームブレードトラッカの少なくとも１つである、請求項９に記載のシステム。
11. 前記ブレードトラッキングセンサが、マイクロ波ブレードトラッカおよび光学ブレードトラッカの少なくとも１つを含む、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記ブレードトラッキングセンサが、アンテナインピーダンスの変化を使用して前記軸位置を決定するように構成される、請求項１１に記載のシステム。
13. 前記回転可能部材がヘリコプタロータブレードを更に含む、請求項９から１２のいずれかに記載のシステム。
14. 前記回転可能部材が、前記ブレードの前記アスペクトの変更を促進するように構成された少なくとも１つのトリムタブを更に含む、請求項９から１３のいずれかに記載のシステム。
15. 前記制御コンピュータが、前記回転軸に沿って第２の方向に、最も長い距離で変位する第２のブレードを決定するように更に構成される、請求項９から１４のいずれかに記載のシステム。
16. 少なくとも２つのヘリコプタロータブレードの振動を低減する方法であって、前記ブレードが軸の周りで回転可能であり調整可能なアスペクトを含む、方法において、
    ブレードトラッキングセンサに対する各ブレードの軸位置を決定するステップと、
    ブレードの回転軸に沿って第１の方向に、前記ブレードトラッキングセンサから最も長い距離で変位する第１のブレードを決定するステップと、
    ブレードの回転軸に沿って第２の方向に、前記ブレードトラッキングセンサから最も長い距離で変位する第２のブレードを決定するステップと、
    前記変位した距離が縮小されるのを促進するために、前記第１のブレードが前記ブレードトラッキングセンサから前記第１の方向に最も長い距離にあるブレードでなくなるまで、前記第１のブレードの軸位置を変化させるために、かつ前記第２のブレードが前記ブレードトラッキングセンサから前記第２の方向に最も長い距離にあるブレードでなくなるまで、前記第２のブレードの軸位置を変化させるために、前記選択された第１および第２のブレード上の操縦翼面を作動させるステップと、
    を含む、方法。
17. 前記少なくとも２つのヘリコプタロータブレードの振動が更に低減されるのを促進するように、変更するための別のブレードを選択するステップを更に含む、請求項１６に記載の方法。
18. 操縦翼面を作動させるステップが、前記ブレード上に設けられた少なくとも１つのトリムタブを作動させるステップを更に含む、請求項１６または１７に記載の方法。
19. 各ブレード上に設けられた少なくとも１つのトリムタブを使用して、前記第１および第２のブレードの前記調整可能なアスペクトを変更するステップを更に含む、請求項１６から１８のいずれかに記載の方法。
20. 操縦翼面を作動させるステップが、揚力、抗力、および曲げモーメント係数の少なくとも１つの変化が実現するように操縦翼面を作動させるステップを更に含む、請求項１６から１９のいずれかに記載の方法。