CN100393579C - 旋翼飞行器和消除交叉耦合效应的方法 - Google Patents

旋翼飞行器和消除交叉耦合效应的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了用于旋翼飞行器的控制***。这个控制***包括一个分级混合联动装置(53)，从而对于一定量的前-后回旋杆输出产生了一个选定量的左-右侧向回旋杆输出。本发明的分级混合联动装置(53)包括两个支撑连杆和一个枢轴地连接在两个支撑连杆之间的浮接连杆(73)。两个支撑连杆的长度与浮接连杆(73)的长度比值较小，从而响应飞行员的每个前-后输入指令而产生了一个选定的侧向正弦输出、该正弦输出的一个选定旋转、和一个选定倾斜输出。

Description

旋翼飞行器和消除交叉耦合效应的方法
技术领域
本发明涉及旋翼飞行器的控制***。
发明背景
装有四叶片主旋翼的轻型直升机的方向稳定性可受到一种称为“交叉耦合(cross coupling)”现象的影响。交叉耦合使一个停悬直升机在飞行员指令笔直向前或笔直向后飞行时，转向左侧或右侧。然而，一旦直升机实现了向前或向后的移动，向左或向右的牵引就几乎消失了。
由于一旦实现了向前或向后的移动，交叉耦合效应就维持恒定，即不与前-后回旋杆位置(forward-aft cyclic position)成比例，所以安装一个比例混合器不能在较高的速度下纠正交叉耦合。为了纠正交叉耦合，当回旋杆从停悬转变为向前移动时，混合器必需增加一个选定的向左输出值，然后当回旋杆朝完全向前移动时维持这个值。对于向后飞行，当回旋杆从停悬转变为向后移动时，混合器必需增加一个选定的向右输出值，然后当回旋杆朝完全向后移动时维持这个值。四叶片直升机上的交叉耦合效应采用比机械混合器和比例混合器更复杂或昂贵的方法得到了解决。
众所周知，一些军用直升机用作武器瞄准平台。由于这种直升机要求较高程度的方向稳定性，所以它们通常装配有稳定性加强***(SAS)，就是采用陀螺仪检测飞行器的移动，和一个计算机以引导回旋杆控制器上的液压缸，维持方向稳定性。这些SAS***设计成抵消紊流对直升机稳定性的影响，并且还用来纠正交叉耦合效应。SAS***的复杂程度和成本对于军用直升机是可以接受的，但是对于轻型直升机在商业上是不可行的。
因此，非军用的、轻型直升机通常使用一个分级的成形凸轮和一个联动装置来纠正交叉耦合效应。当飞行员向前或向后移动回旋杆时，凸轮提供一个设计好的向右或向左的回旋杆输出。然而对于在飞行器控制***中提供设计好的移动方面，凸轮是最不可取的方法之一，因为碎屑会弄脏凸轮及其随动机构引起控制***堵塞。为了防止堵塞，这些直升机必须包括一个弹簧筒(springcartridge)以补偿(override)凸轮机械。
因此，在解决轻型直升机及其它旋翼飞行器的交叉耦合效应的领域中还存在一些缺陷。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种方法和装置以纠正直升机和其它旋翼飞行器中的交叉耦合效应。
本发明的另一个目的是提供一个具有控制***的旋翼飞行器，该控制***可纠正交叉耦合效应。
为了实现前述发明目的，根据本发明的一个方面，提供一种旋翼飞行器的控制***，包括：一个回旋杆，用于接收飞行员的输入指令；一个转矩管，枢轴地连接到回旋杆上；一个前-后输出连杆，枢轴地连接到转矩管上，用于将飞行员的前-后输入指令传送到主旋翼上；一个分级混合联动装置，枢轴地连接到转矩管上；一个基础连杆，枢轴地连接在分级混合联动装置和一个基础结构之间；一个侧向输出连杆，枢轴地连接到分级混合联动装置上；和一个左-右输出连杆，枢轴地连接到侧向输出连杆上，用于将飞行员的左-右输入指令传送到主旋翼上；其中，分级混合联动装置、基础连杆、和侧向输出连杆构造为响应每个前-后回旋杆输入指令而产生选定的侧向正弦输出、该正弦输出的一个选定旋转、和一个选定倾斜输出；其中所述分级混合联动装置包括：两个支撑连杆，枢轴地连接到转矩管上；和一个浮接连杆，枢轴地连接在两个支撑连杆之间，该浮接连杆具有一个中央参考点；其中，两个支撑连杆的长度与浮接连杆的长度比值设置得能够产生选定的侧向正弦输出。
根据本发明的另一方面，提供一种旋翼飞行器，包括：一个机身；一个机身承载的驱动装置；一个连接到驱动装置上的主旋翼；和一个控制***，包括：一个回旋杆，用于接收飞行员的输入指令；一个转矩管，枢轴地连接到回旋杆上；一个前-后输出连杆，枢轴地连接到转矩管上，用于将飞行员的前-后输入指令传送给主旋翼；一个分级混合联动装置，枢轴地连接到转矩管上；一个基础连杆，枢轴地连接到分级混合联动装置和一个基础结构之间；一个侧向输出连杆，枢轴地连接到分级混合联动装置上；和一个左-右输出连杆，枢轴地连接到侧向输出连杆上，用于将飞行员的左-右输入指令传送给主旋翼；其中，分级混合联动装置、基础连杆、和侧向输出连杆构造为响应每个飞行员的前-后输入指令而产生选定的侧向正弦输出、该正弦输出的一个选定旋转、和一个选定倾斜输出；其中所述分级混合联动装置包括：两个支撑连杆，枢轴地连接到转矩管上；和一个浮接连杆，枢轴地连接在两个支撑连杆之间，该浮接连杆具有一个中央参考点；其中，两个支撑连杆的长度与浮接连杆的长度比值设置得能够产生选定的侧向正弦输出。
根据本发明的又一方面，提供一种用于现有的旋翼飞行器上的分级混合联动装置，该旋翼飞行器具有一个控制***，包括一个用于接收飞行员的输入指令的回旋杆，一个枢轴地连接到该回旋杆上的转矩管，一个前-后输出连杆，其枢轴地连接到转矩管上用于将飞行员的前-后输入指令传送给主旋翼，以及一个侧向输出连杆，其枢轴地连接到转矩管上，用于通过一个左-右输出连杆将飞行员的左-右输入指令传送给主旋翼，该分级混合联动装置包括：两个支撑连杆，适用于枢轴地连接到转矩管上；一个浮接连杆，枢轴地连接在两个支撑连杆之间，该浮接连杆具有一个中央参考点；和一个基础连杆，枢轴地连接在支撑连杆之一上，该基础连杆适用于枢轴地连接到现有的旋翼飞行器的基础结构上；其中两个支撑连杆的长度与浮接连杆的长度比值设置得能够响应飞行员的每个前-后输入指令而产生选定的侧向正弦输出、该正弦输出的一个选定旋转、和一个选定倾斜输出。
根据本发明的又一方面，提供一种消除旋翼飞行器中交叉耦合效应的方法，包括下列步骤：提供一个回旋杆用于接收飞行员的输入指令，并且将飞行员的输入指令传送给一个主旋翼；将转矩管枢轴地连接到回旋杆上；将前-后输出连杆枢轴地连接到转矩管上；将分级混合联动装置枢轴地连接到转矩管上；提供一个分级混合联动装置，具有两个支撑连杆，一个枢轴地连接在两个支撑连杆之间的浮接连杆，和一个浮接连杆上的中央参考点，其中两个支撑连杆的长度与浮接连杆的长度比值设置得能够产生选定的侧向正弦输出；将分级混合联动装置枢轴地连接转矩管上；将基础连杆枢轴地连接在支撑连杆之一和一个基础结构之间；在参考点处将侧向输出连杆枢轴地连接到浮接连杆上；和将左-右输出连杆通过一个曲拐枢轴地连接到侧向输出连杆上；和响应飞行员的每个前-后输入指令，通过分级混合联动装置、基础连杆、和侧向输出连杆，产生一个选定的侧向正弦输出、该正弦输出的一个选定旋转、和一个选定的倾斜输出。
概括来说，这些目的通过在控制***中提供一个分级混合联动装置来实现，以便对于一定量的前-后回旋杆输入产生一选定量的左-右侧向回旋杆输出。在优选的实施例中，分级混合联动装置包括两个支撑连杆和一个枢轴地连接在两个支撑连杆之间的浮接连杆。两个支撑连杆的长度与浮接连杆的长度比值较小，从而产生了响应飞行员的每个前-后输入指令的一个选定的侧向正弦输出、该正弦输出的一个选定旋转、和一个选定倾斜输出。
本发明提供了一些重要的优点，包括：(1)重量轻；(2)抵抗堵塞；(3)成本有效。
本发明其它的目的、特征和优势将会在下文的书面说明中显现出来。
附图说明
被认定是本发明特点的新技术特征在所附权利要求中阐明。然而，发明本身、和其优选的使用方式、以及其进一步的目标和优点，在结合附图阅读的时候通过参考下列详细说明，而得到更好的理解。
图1是现有技术的回旋杆控制***联动装置的示意图；
图2是具有根据本发明的分级混合联动装置的回旋杆控制***示意图；
图3是现有技术的瓦特联动装置的示意图；
图4是具有根据本发明的分级混合联动装置的旋翼飞行器控制***的分级混合联动装置的示意图；
图5是与图1和2的回旋杆控制***的与向前和向后移动相关的侧向输出的对比图；
图6是具有根据本发明的分级混合联动装置的旋翼飞行器控制***的机械设计的透视图；和
图7是具有根据本发明的分级混合联动装置的旋翼飞行器控制***的俯视图，显示为安装在旋翼飞行器上的状态。
具体实施方式
参考附图中的图1，说明了现有技术的直升机回旋杆控制***联动装置11。在这种***中，飞行员通过在想要的方向移动回旋杆13指示飞行器的方向，即，前-后，左-右。回旋杆(cyclic)13通过曲拐(bellcrank)和连杆***连接到主旋翼上(未显示)。例如，回旋杆13枢轴地连接到一个转矩管15上。转矩管15枢轴地连接到一个侧向输出连杆17上，侧向输出连杆17通过一个曲拐21枢轴地连接到左-右输出连杆19上。转矩管15还枢轴地连接到一个前-后输出连杆23上。移动的回旋杆13改变旋翼叶片的俯仰，即角度，这使主旋翼按照指令的方向倾斜。
陀螺惯性、空气动力学特性、和结构刚度的影响会结合起来影响回旋杆所指示方向的预计变化。将回旋杆笔直向前移动可以引起直升机向左或向右转向。将回旋杆从完全向前撤回可能引起直升机加速。当与紊流和飞行器载荷的影响相比较时，通常这些不规则现象被认为是次要的，并且没有必要对飞行器进行设计上的改变。然而，如果这些不规则现象对飞行员变得碍事时，通常要求对旋翼、传输机构、和控制装置进行改变。
当对这些部件的改变无效或不可行时，可以安装一个通常称为“混合器”的装置。混合器并不消除不规则现象，相反它们将向左或向右的输入增加给旋翼以抵消不规则现象，并且使这些现象对于飞行员变得不可觉察。当回旋杆前-后移动时，大多数的混合器通过机械连接左-右和前-后控制装置对旋翼增加左-右输入。通常这些混合器是成比例的。例如，20％的向前回旋杆增加2％的向左输入，50％的向前回旋杆增加5％的向左输入，90％的向前增加9％的向左输入。前-后对左-右的比值随混合器的不同而不同，正如所述方向，即向左或向右，随回旋杆向前而增加一样。
如上文阐明的，带有四叶片主旋翼的轻型直升机的方向稳定性可受到一种称为“交叉耦合”的现象的影响。交叉耦合使停悬的直升机在飞行员指令笔直向前飞行或笔直向后飞行时转向右侧或左侧。然而，一旦直升机获得了向前或向后的移动，向右或向左的牵引就几乎消失。
由于一旦实现了向前或向后的移动，交叉耦合效应就保持恒定，即它不与前-后回旋杆的位置成比例，所以安装一个比例混合器不能纠正高速下的交叉耦合。为了纠正交叉耦合，混合器必需在回旋杆从停悬转变为向前移动时增加一个选定的向左输出值，然后当回旋杆朝完全向前移动时维持在这个值。对于向后飞行，混合器必需在回旋杆从停悬转变为向后移动时增加一个选定的向右输出值，然后当回旋杆朝完全向后移动时维持这个值。
现在参考附图中的图2，说明了具有根据本发明的分级混合联动装置51的旋翼飞行器控制***。控制***51通过使用独特的分级混合联动装置53纠正了交叉耦合效应。分级混合联动装置53提供了一种方法，该方法产生一个修正的分级机械输出作为线性机械输入的响应。分级混合联动装置53对于一定量的前-后回旋杆输入增加了一个选定量的左-右侧向回旋杆输出。这在不使用凸轮、滑块、电力装置或液利装置的情况下实现。
控制***51包括一个回旋杆55用于接收来自飞行员的方向指令。回旋杆55通过一个曲拐和连杆***连接到一个主旋翼(未显示)上。回旋杆55枢轴地连接到转矩管57上。转矩管57通过分级混合联动装置53枢轴地连接到侧向输出连杆59上。分级混合联动装置53通过一个基础连杆(ground link)62固定到机身60上。侧向输出连杆59通过一个曲拐63枢轴地连接到左-右输出连杆61上。转矩管57还枢轴地连接到前-后输出连杆65上。移动回旋杆55改变旋翼叶片的俯仰，这使主旋翼在指令的方向倾斜。
现在参考附图中的图3，说明了现有技术瓦特联动装置71的正弦输出。瓦特联动装置通常用于产生机械装置中的直线移动，而不使用直线滑动表面。瓦特联动装置71包括一个短的浮接连杆73，浮接连杆73被两个长得多的连杆75和77支撑，而连杆75和77分别固定在基础枢轴79和81上。位于浮接连杆73中央位置的参考点83的移动，在其移动发生偏移前，被限制到限制范围内的一条直线，如移动线85所示。
这个限制范围由支撑连杆75和77的长度与浮接连杆73的长度比值决定。比值越大，偏移前的线性移动量越大。使用这种瓦特联动装置给出直线移动的设备通常尽量使支撑连杆75和77的长度与浮接连杆73的长度比值尽可能的大。另一方面，分级混合联动装置53有意构造为使支撑连杆的长度与浮接连杆的长度比值尽可能小。
现在参考附图中的图4，说明了分级混合联动装置53。由于是一个修正的瓦特联动装置，所以分级混合联动装置53产生一个正弦输出。分级混合联动装置53包括一个短的浮接连杆91，浮接连杆91被另外两个短连杆93和95支撑，连杆93和95分别固定在基础枢轴97和99上。位于浮接连杆73中央位置的参考点101的移动，在其移动发生偏移前，被限制到限制范围内的一条直线，如移动线103所示。
分级混合联动装置53的正弦曲线分量采用的是通常认为较差的瓦特联动装置设计。分级混合联动装置53有意设计为使支撑连杆93和95的长度与浮接连杆91的长度比值尽可能小。这个小的比值产生了很小范围的直线移动。由于改进的瓦特联动装置的运动学特点，在这个小范围的直线移动之外，参考点101遵循一个正弦曲线路径。这个正弦曲线移动提供了分级混合联动装置53输出的第一分量。
分级混合联动装置53输出的第二分量是正弦曲线输出的旋转与小倾斜输出的结合。这个旋转通过将分级混合联动装置53的支撑连杆93和95枢轴地连接到转矩管59、并且与侧向输出连杆59成选定角度而实现。向前和向后的移动通过转矩管59相对于固定的基础连杆62的移动输入给分级混合联动装置53。小倾斜输出通过转变侧向输出连杆59角度(angling)而被增加，以提供与前和后回旋杆输入成比例的侧向输出。这些联动装置的结合随着回旋杆55向前移动产生了一个分级侧向输出，并且随着回旋杆55向后移动产生一个相反的侧向输出。
现在参考附图中的图5，说明了与图1和2中所示的回旋杆控制***的前后移动相关的侧向输出对比图111。对比图111是前-后回旋杆位置相对于左-右输出值的变化曲线。如图所示，当在没有分级混合联动装置53的情况下，侧向回旋杆输出相对于前-后回旋杆输入绘制曲线时，产生一条直线113。另一方面，当具有分级混合联动装置53的情况下，侧向回旋杆输出相对于前-后回旋杆输入绘制曲线时，产生一条修正的分级曲线115。随着回旋杆向前移动，曲线115的形状包括一个分级侧向输出，并且随着回旋杆向后移动，曲线115的形状包括一个相反的分级侧向输出。曲线115通过机械混合两个运动学联动装置分量而形成。
现在参考附图中的图6和7，说明了具有根据本发明的分级混合联动装置的旋翼飞行器控制***的机械设计优选实施例。在图6中，控制***51显示为控制***201。在图7中，作为安装在旋翼飞行器上的状态对控制***201进行说明。控制***201包括一个回旋杆203用于接收来自飞行员的方向指令。回旋杆203通过上述的曲拐和连杆***连接到一个主旋翼(未显示)上。回旋杆203枢轴地连接到转矩管205上。转矩管205通过一个分级混合联动装置209枢轴地连接到侧向输出连杆207上。分级混合联动装置209通过一个基础连杆213固定到机身211上。侧向输出连杆207利用一个曲拐217枢轴地连接到左-右输出连杆215上。转矩管205也枢轴地连接到前-后输出连杆219上。移动回旋杆203改变了旋翼叶片的俯仰，这使主旋翼向指令的方向倾斜。
应当理解，本发明可用于最初生产的旋翼飞行器上，或者可以安装在现有的旋翼飞行器上作为改装应用。
很明显，上文描述和说明了具有重要优势的一项发明。虽然本发明以有限数量的形式表示，但是本发明并不局限于这些形式，而是可以在不偏离本发明的宗旨的情况下，修改为各种变化形式和改进形式。

Claims (11)

1.一种旋翼飞行器的控制***，包括：
一个回旋杆，用于接收飞行员的输入指令；
一个转矩管，枢轴地连接到回旋杆上；
一个前-后输出连杆，枢轴地连接到转矩管上，用于将飞行员的前-后输入指令传送到主旋翼上；
一个分级混合联动装置，枢轴地连接到转矩管上；
一个基础连杆，枢轴地连接在分级混合联动装置和一个基础结构之间；
一个侧向输出连杆，枢轴地连接到分级混合联动装置上；和
一个左-右输出连杆，枢轴地连接到侧向输出连杆上，用于将飞行员的左-右输入指令传送到主旋翼上；
其中，分级混合联动装置、基础连杆、和侧向输出连杆构造为响应每个前-后回旋杆输入指令而产生选定的侧向正弦输出、该正弦输出的一个选定旋转、和一个选定倾斜输出；
其中所述分级混合联动装置包括：两个支撑连杆，枢轴地连接到转矩管上；和一个浮接连杆，枢轴地连接在两个支撑连杆之间，该浮接连杆具有一个中央参考点；其中，两个支撑连杆的长度与浮接连杆的长度比值设置得能够产生选定的侧向正弦输出。
2.如权利要求1所述的控制***，其中两个支撑连杆枢轴地连接到转矩管上，并且与侧向输出连杆成选定角度，从而产生了正弦输出的选定旋转。
3.如权利要求1所述的控制***，其中侧向输出连杆相对于转矩管被转变角度(angled)，从而产生了倾斜输出。
4.如权利要求1所述的控制***，其中支撑连杆枢轴地连接到转矩管上，从而使它们的枢轴点形成一个平行四边形；
其中支撑连杆之一枢轴地连接到基础连杆上；和
其中侧向输出连杆在参考点枢轴地连接到分级混合装置上，并且布置成与支撑连杆成一定角度；
从而产生正弦输出的选定旋转和选定倾斜输出。
5.如权利要求1所述的控制***，其中分级混合联动装置的两个支撑连杆的长度与浮接连杆的长度相同。
6.一种旋翼飞行器，包括：
一个机身；
一个机身承载的驱动装置；
一个连接到驱动装置上的主旋翼；和
一个控制***，包括：
一个回旋杆，用于接收飞行员的输入指令；
一个转矩管，枢轴地连接到回旋杆上；
一个前-后输出连杆，枢轴地连接到转矩管上，用于将飞行员的前-后输入指令传送给主旋翼；
一个分级混合联动装置，枢轴地连接到转矩管上；
一个基础连杆，枢轴地连接到分级混合联动装置和一个基础结构之间；
一个侧向输出连杆，枢轴地连接到分级混合联动装置上；和
一个左-右输出连杆，枢轴地连接到侧向输出连杆上，用于将飞行员的左-右输入指令传送给主旋翼；
其中，分级混合联动装置、基础连杆、和侧向输出连杆构造为响应每个飞行员的前-后输入指令而产生选定的侧向正弦输出、该正弦输出的一个选定旋转、和一个选定倾斜输出；
其中所述分级混合联动装置包括：两个支撑连杆，枢轴地连接到转矩管上；和一个浮接连杆，枢轴地连接在两个支撑连杆之间，该浮接连杆具有一个中央参考点；其中，两个支撑连杆的长度与浮接连杆的长度比值设置得能够产生选定的侧向正弦输出。
7.如权利要求6所述的旋翼飞行器，其中两个支撑连杆枢轴地连接到转矩管上，并且与侧向输出连杆成选定角度，从而产生了正弦输出的选定旋转。
8.如权利要求6所述的旋翼飞行器，其中侧向输出连杆相对于转矩管被转变角度，从而产生了倾斜输出。
9.如权利要求6所述的旋翼飞行器，其中支撑连杆枢轴地连接到转矩管上，从而使它们的枢轴点形成一个平行四边形；
其中支撑连杆之一枢轴地连接到基础连杆上；和
其中侧向输出连杆在参考点枢轴地连接到分级混合装置上，并且布置成与支撑连杆成一定角度；
从而产生正弦输出的选定旋转和选定倾斜输出。
10.一种用于现有的旋翼飞行器上的分级混合联动装置，该旋翼飞行器具有一个控制***，包括一个用于接收飞行员的输入指令的回旋杆，一个枢轴地连接到该回旋杆上的转矩管，一个前-后输出连杆，其枢轴地连接到转矩管上用于将飞行员的前-后输入指令传送给主旋翼，以及一个侧向输出连杆，其枢轴地连接到转矩管上，用于通过一个左-右输出连杆将飞行员的左-右输入指令传送给主旋翼，该分级混合联动装置包括：
两个支撑连杆，适用于枢轴地连接到转矩管上；
一个浮接连杆，枢轴地连接在两个支撑连杆之间，该浮接连杆具有一个中央参考点；和
一个基础连杆，枢轴地连接在支撑连杆之一上，该基础连杆适用于枢轴地连接到现有的旋翼飞行器的基础结构上；
其中两个支撑连杆的长度与浮接连杆的长度比值设置得能够响应飞行员的每个前-后输入指令而产生选定的侧向正弦输出、该正弦输出的一个选定旋转、和一个选定倾斜输出。
11.一种消除旋翼飞行器中交叉耦合效应的方法，包括下列步骤：
提供一个回旋杆用于接收飞行员的输入指令，并且将飞行员的输入指令传送给一个主旋翼；
将转矩管枢轴地连接到回旋杆上；
将前-后输出连杆枢轴地连接到转矩管上；
将分级混合联动装置枢轴地连接到转矩管上；
提供一个分级混合联动装置，具有两个支撑连杆，一个枢轴地连接在两个支撑连杆之间的浮接连杆，和一个浮接连杆上的中央参考点，其中两个支撑连杆的长度与浮接连杆的长度比值设置得能够产生选定的侧向正弦输出；
将分级混合联动装置枢轴地连接转矩管上；
将基础连杆枢轴地连接在支撑连杆之一和一个基础结构之间；
在参考点处将侧向输出连杆枢轴地连接到浮接连杆上；和
将左-右输出连杆通过一个曲拐枢轴地连接到侧向输出连杆上；和
响应飞行员的每个前-后输入指令，通过分级混合联动装置、基础连杆、和侧向输出连杆，产生一个选定的侧向正弦输出、该正弦输出的一个选定旋转、和一个选定的倾斜输出。
CNB038226049A 2002-09-24 2003-09-19 旋翼飞行器和消除交叉耦合效应的方法 Expired - Lifetime CN100393579C (zh)

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