CN112173143B - 一种直升机尾桨失效状态下应急替代装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直升机在尾桨失效状态下应急替代装置及控制方法，在单旋翼带尾桨构型的直升机尾梁末端布置气口喷嘴，压缩气瓶布置在尾梁过渡段或者机身内部；控制气瓶的开关布置在驾驶舱，气瓶控制装置与脚蹬位移传感器电气信号联动，可通过脚蹬位移控制气瓶出气量大小；气口喷嘴受控于控制单元，一般情况下，不用打开气瓶控制开关。对于单旋翼带尾桨构型的直升机，在出现尾桨失效故障时，飞行员可打开气瓶开关，通过脚蹬位移控制气瓶出气量大小，依靠尾部气流开口喷射气流，形成反扭矩作用力，从而维持直升机航向稳定，为应急着陆争取时间，减少直升机损伤概率和提升机内乘员生存几率，避免坠毁事故发生。

Description

一种直升机尾桨失效状态下应急替代装置及控制方法

技术领域

本发明涉及直升机飞行控制领域，具体涉及一种直升机尾桨失效状态下应急替代装置及控制方法。

背景技术

对于单旋翼带尾桨构型的直升机，直升机尾桨主要起到平衡直升机主旋翼转动引起的反扭矩，控制直升机航向的作用。尾桨失效一般指直升机在飞行过程中由于尾桨失效，使飞行员失去对尾桨的控制，导致直升机受主旋翼影响，向一个方向不停的转，无法控制直升机航向。当尾桨失效后，直升机将由于主旋翼的反作用扭矩会使直升机在低速时快速旋转。

尾桨失效一般包括：一类是传动***故障，主要是内部机件疲劳磨损或者尾部猛烈撞击等导致的尾桨传动轴损坏，是尾桨拉力丧失。一类是操纵***故障，主要是内部摩擦力或者外部撞击导致的尾桨操纵线系损坏，尾桨桨距自由变换或者是卡滞在某一桨距位置不能变换，是飞行员失去对尾桨拉力的操纵。还有一类是尾桨桨叶自身损坏，造成操纵困难的情况。

尾桨失效处理一般经历三个阶段：瞬态过渡阶段，机动飞行阶段和着陆阶段，飞行员的主要操作包括提升高度，向上提升，进行改出正向飞行，找到安全的降落点，曲线降落在目标场地，在着陆前向自旋方向横滚获得反扭矩。

尾桨失效时，为保障安全着陆，依赖飞行员的个人特情训练水平和应急处变能力，然而在低空情况下，飞行高度不足，改出时间短，而且在应急情况下，极容易出现飞行员精神紧张，判断错误、操作不当而导致直升机姿态失控，从而发生机毁人亡的重大事故。

发明内容

本发明提出一种直升机在尾桨失效状态下应急替代装置及控制方法，通过控制压缩气瓶的开关和调节出气量的大小，来改变作用与尾梁的反扭矩力大小，从而控制直升机航向；通过改变气口喷嘴的气流朝向，增加飞行员对直升机俯仰上的控制，以有效克服在直升机姿态失控情况下由于不能对直升机进行有效控制而带来的严重后果。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

一种直升机尾桨失效状态下应急替代装置，包括开关显示面板、控制单元、脚蹬位移传感器、气瓶控制装置、充气气瓶、三轴加速度传感器和气口喷嘴，其中：

开关显示面板设置在直升机操纵台上，开关显示面板上有气瓶控制开关、尾桨失效应急状态提示灯；开关显示面板与控制单元和气瓶控制装置连接；其中所述气瓶控制开关用来打开/关闭气瓶供气；应急状态提示灯接受控制单元的控制；

控制单元布置在直升机操纵台下方，与开关显示面板、脚蹬位移传感器、气瓶控制装置、三轴加速度传感器、气口喷嘴相连接；控制单元用于获取脚蹬位移传感器的信号和尾梁末端或者垂尾位置的加速度信号，进行综合处理和判读，当出现尾桨失效的状态时，通过所述应急状态提示灯给飞行员提供应急状态的提醒，并根据脚蹬位移信号和加速度信号，控制气瓶控制装置调节出气风量大小，以及控制气口喷嘴喷出的气流朝向；

脚蹬位移传感器，布置在直升机驾驶舱左脚脚蹬操纵杆下方，用于采集飞行员踩踏脚蹬的位移信号；气瓶控制装置，布置在充气气瓶出气口位置，用于接收气瓶控制开关的信号，打开和关闭充气气瓶的供气口；充气气瓶，布置在直升机尾梁过渡段或者机身内部，用于存储高压惰性气体；三轴加速度传感器，布置在直升机尾梁末端或者垂尾上，用于采集直升机尾梁末端或者垂尾位置处的加速度信号；气口喷嘴，布置在直升机尾梁末端，气口喷嘴通过供气管路与所述充气气瓶连接；其气流喷出方向为垂直于垂尾方向，且能在所述控制单元的控制下，调节气流喷出的方向。

进一步地，如果尾桨为推力尾桨，则气口喷嘴的出气口布置在当前尾桨同侧；如果尾桨为拉力尾桨，则气口喷嘴的出气口布置在当前尾桨另一侧。

进一步地，所述气口喷嘴为可调式结构，包括上导流板，导流板连杆，下导流板，连杆固定轴，导流板固定轴，喷气嘴，导流方向控制电机；其中：

上导流板和下导流板通过所述导流板固定轴安装在气口喷嘴出气口的前端，上导流板和下导流板之间通过导流板连杆活动式连接；导流板连杆两端各安装一个板连杆固定

轴，两个连杆固定轴分别设置在上导流板、下导流板上；当上导流板出现旋转角度变化的时候，带动下导流板同步跟随运动；

导流方向控制电机，布置在喷气嘴上并与上导流板连接，同时通过信号线缆与控制单元连接；导流方向控制电机接收来自控制单元的信号后，带动上、下导流板角度朝向变化，改变气口喷嘴气流喷出的朝向。

进一步地，所述控制单元中设置有进行信号判读、气瓶出气量大小调节和气口喷嘴气流导向调节的算法，包括：

直升机在飞行过程中，控制单元实时采集脚蹬位移传感器的位移信号，同时实时采集布置在直升机尾梁末端或者平尾上三轴向加速度传感器送出的加速度值；当飞行员正常操纵飞机时，踩踏脚蹬，脚蹬位移传感器会采集到脚蹬位移信号，直升机尾桨会根据脚蹬位移信号的大小跟随调节尾桨桨距值，从而控制尾桨实现直升机航向的变化；与此同时，纵轴方向加速度信号与脚蹬位移信号同步变化，并且变化率一致；此时控制单元不发出任何控制指令；

控制单元判断当脚蹬位移信号变化与纵轴方向加速度信号变化无法在时间上或信号极性、量级上匹配的话，则判定直升机存在尾桨失效的状态，控制单元发出“尾桨失效”状态指令，并控制开关显示面板上尾桨失效应急状态提示灯点亮；

当飞行员看到开关显示面板上尾桨失效应急状态提示灯点亮时，打开开关显示面板上的气瓶控制开关；气瓶控制开关接通后，气瓶控制装置打开充气气瓶的出气口，此时充气气瓶开始向外供气，并将气瓶打开信号发送给控制单元；当控制单元判定直升机处于尾桨失效状态且收到充气气瓶打开信号后，控制单元实时采集脚蹬位移传感器送出的脚蹬位移信号，根据脚蹬位移信号的大小，发送控制指令给气瓶控制装置，从而控制气瓶出气量的大小。

进一步地，所述算法还包括：

当法向加速度传感器采集的法向加速度信号值超过1个g值，则判断直升机尾梁末端和垂尾部分当前的加速度值超限，直升机姿态存在低头和抬头过大，容易失速的风险，则

发送指令给位于气口喷嘴部分的导流方向控制电机，电机运动会带动上导流板和下导流板运动，改变气口喷嘴气流喷出的朝向，从而调节气流喷出形成反作用力的矢量方向，来调节尾梁末端或者垂尾在垂直方向上的受力，从而调节直升机在俯仰上的姿态。

进一步地，所述尾桨失效的状态四种情形判断：

第一种：脚蹬位移信号有变化，但是纵轴方向加速度信号变化极性与脚蹬位移信号相反；

第二种：脚蹬位移信号有变化，但是纵轴方向加速度信号不变化；

第三种：脚蹬位移信号无变化，但是纵轴方向加速度信号却出现明显变化；

第四种：脚蹬位移信号有变化，加速度信号也有变化，但脚蹬位移信号变化率于加速度信号的变化率二者的比值超过2倍时或减小为1/2时。

一种直升机尾桨失效状态下应急替代装置的控制方法，包括：

步骤2.1，直升机在飞行过程中，控制单元通过三轴加速度传感器实时获取直升机尾梁末端位置的纵向加速度，通过脚蹬位移传感器采集的脚蹬位移信号；当直升机正常飞行时，不进行其他操作；当控制单元判定尾桨存在失效的故障时，则进行步骤2.2；

步骤2.2，控制单元发出“尾桨失效”状态指令，并控制开关显示面板上尾桨失效应急状态提示灯点亮，以提醒飞行员进行应急操作；当飞行员打开气瓶控制开关后，进入步骤2.3；

步骤2.3，控制单元发送指令控制气瓶控制装置打开气瓶供气阀门，应急供气；

实时获取三轴加速度传感器采集的纵向加速度值，根据纵向加速度值的大小发送供气流量增大指令至气瓶控制装置，逐渐增加供气流量，直到纵向加速度计采集的值趋近于0，此时稳定供气流量；与此同时，控制单元记录当前的脚蹬位移信号，作为平衡状态的基准，此处记左侧脚蹬在平衡位置时的位移值为A，左侧脚蹬继续踩下则其位移值增加，左侧脚蹬回弹则其位移值减小；

控制单元实时获取三轴加速度传感器采集的法向加速度值，根据法向加速度值的大小发送气口喷嘴导流板的旋转方向指令。

进一步地，所述方法还包括：

当法向加速度传感器采集的法向加速度值超过1个g值，则判定直升机尾梁法向加速度值超限，则发送指令给位于气口喷嘴部分的导流方向控制电机，电机运动会带动上导流板转动，改变气口喷嘴气流喷出的朝向，从而调节气流喷出形成反作用力的矢量方向，来调节尾梁末端或者垂尾在垂直方向上的受力；

当法向加速度为正，则控制上下导流板朝向向上，依靠气口喷嘴喷出气流的反作用力的法向分量，来控制尾梁向下运动，从而平时直升机俯仰姿态；同理，当法向加速度为负，则控制上下导流板朝向向下，依靠气口喷嘴喷出气流的反作用力的法向分量，来控制尾梁向上运动；

当上、下导流板方向变动时，控制单元同步控制气瓶控制装置增大供气流量，直到直升机在方位和俯仰上保持平衡；此时，进入步骤2.4。

步骤2.4，当通过气口喷嘴喷出气流的反作用力平衡直升机俯仰和航向上的姿态后，控制单元仍然实时采集脚蹬位移传感器采集的脚蹬位移信号，以感知飞行员的操作意图；当单位时间内两侧脚蹬位移变化，表示飞行员需要控制直升机左转或者右转，则发送供气流量调节指令至气瓶控制装置，调节供气流量。

进一步地，所述当单位时间内两侧脚蹬位移变化，表示飞行员需要控制直升机左转或者右转，具体判断方法为：

实时获取脚蹬位移传感器采集的脚蹬位移值，记为B，以感知飞行员的操作意图；当B大于A，则表明飞行员踩踏了左侧脚蹬，需要左转；当B小于1，则表明飞行员踩踏了右侧脚蹬，需要右转。

进一步地，所述发送供气流量调节指令至气瓶控制装置，调节供气流量的具体控制方法为：

当直升机的尾桨属于拉力尾桨且尾桨位于机身纵轴左侧，如果此时飞行员需要控制直升机左转，则控制单元发送减小供气量的指令给气瓶控制装置；反之，如果要右转，则增大供气量；

当直升机的尾桨属于拉力尾桨且尾桨位于机身纵轴右侧，如果此时飞行员需要控制直升机左转，则控制单元发送增加供气量的指令给气瓶控制装置；反之，如果要右转，则减小供气量；

当直升机的尾桨属于推力尾桨且尾桨位于机身纵轴左侧，如果此时飞行员需要控制直升机左转，则控制单元发送增加供气量的指令给气瓶控制装置；反之，如果要右转，则减小供气量；

当直升机的尾桨属于推力尾桨且尾桨位于机身纵轴右侧，如果此时飞行员需要控制直升机左转，则控制单元发送减小供气量的指令给气瓶控制装置；反之，如果要右转，则增加供气量。

与现有技术相比，本发明具有以下技术特点：

利用本发明装置和控制方法的单旋翼带尾桨构型的直升机，在出现尾桨失效故障时，打开充气气瓶开关，通过脚蹬位移控制气瓶出气量大小，依靠尾部气口喷嘴喷射气流，形成反扭矩作用力，从而维持直升机航向稳定，同时根据直升机俯仰上的姿态变化，改变气口喷嘴的朝向，利用气流反作用力的垂直方向分量，调节直升机俯仰变化，协助飞行员更好的操纵飞机，为应急着陆争取时间，减少直升机坠毁事故发生概率和提高机内乘员生存机率。

附图说明

图1为本发明一个实施例提供的直升机的尾桨失效时的应急替代装置示意图；

图2为气口喷嘴结构示意图。

图中标号说明：1开关显示面板，2控制单元，3脚蹬位移传感器，4气瓶控制装置，5充气气瓶，6供气管线，7信号线缆，8气口喷嘴，81上导流板，82导流板连杆，83连杆固定轴，84下导流板，85导流板固定轴，86喷气嘴，87导流方向控制电机。

具体实施方式

本发明提出的一种直升机在尾桨失效状态下应急替代装置及控制方法，在单旋翼带尾桨构型的直升机尾梁末端布置气口喷嘴，压缩气瓶布置在尾梁过渡段或者机身内部。耐高压气管由气瓶出气口延伸至机尾，设计好气流开口。控制气瓶的开关布置在驾驶舱，气瓶控制装置与脚蹬位移传感器电气信号联动，可通过脚蹬位移控制气瓶出气量大小。气口喷嘴受控于控制单元，一般情况下，不用打开气瓶控制开关。对于单旋翼带尾桨构型的直升机，在出现尾桨失效故障时，飞行员可打开气瓶开关，通过脚蹬位移控制气瓶出气量大小，依靠尾部气流开口喷射气流，形成反扭矩作用力，从而维持直升机航向稳定，为应急着陆争取时间，减少直升机损伤概率和提升机内乘员生存几率，避免坠毁事故发生。

参见图1和图2，本发明提供的一种直升机在尾桨失效状态下应急替代装置，包括开关显示面板、控制单元、脚蹬位移传感器、气瓶控制装置、充气气瓶、供气管线、信号线缆、气口喷嘴、三轴加速度传感器，其中：

开关显示面板设置在直升机操纵台上，开关显示面板上有气瓶控制开关、尾桨失效应急状态提示灯；开关显示面板与控制单元和气瓶控制装置连接；其中所述气瓶控制开关用来打开/关闭气瓶供气；应急状态提示灯接受控制单元的控制。

控制单元布置在直升机操纵台下方，与开关显示面板、脚蹬位移传感器、气瓶控制装置、三轴加速度传感器、气口喷嘴相连接；控制单元作为主控部分，由直升机的机上直流电源供电，并具备电压转化功能，由控制单元给开关显示面板、脚蹬位移传感器、三轴加速度传感器、气瓶控制装置和气口喷嘴中的导流方向控制电机供电。控制单元内置控制算法，其采集脚蹬位移传感器的信号和尾梁末端或者垂尾位置的加速度信号，进行综合处理和判读，直升机在出现尾桨失效的状态时，给飞行员提供应急状态的提醒，并根据脚蹬位移信号和加速度信号，控制气瓶控制装置调节出气风量大小，以及控制气口喷嘴喷出的气流朝向。

脚蹬位移传感器，布置在直升机驾驶舱左脚脚蹬操纵杆下方，用于采集飞行员踩踏脚蹬的位移信号，用来判定飞行员对直升机航向的操作；因为直升机的左右脚蹬在机械上是反向联动的，当左脚蹬踩下时，右脚蹬会回弹同等的行程量。反之亦然。

气瓶控制装置，布置在充气气瓶出气口位置，用来接收气瓶控制开关的信号，打开和关闭充气气瓶的供气口，并通过接收控制单元发送的指令来调节充气气瓶出气量大小，从而控制气口喷嘴的出气量大小。

充气气瓶，布置在直升机尾梁过渡段或者机身内部，用来存储高压气体，里面预先充入氮气或其他惰性气体；充气气瓶的容量选型根据直升机自身体积重量来定。

供气管线，为耐高压气管，从后机身尾梁内穿过，连接充气气瓶的出气口和气口喷嘴，用来导流充气气瓶喷出的气体到气口喷嘴。

信号线缆，连接三轴加速度信号传感器和控制单元，其用于将三轴加速度传感器采集到的加速度信号传输到控制单元及开关显示面板以作判定和处理；同时连接控制单元与气口喷嘴，用于发送气口喷嘴中各导流板转向的控制指令。

气口喷嘴，布置并固定在直升机尾梁末端，气口喷嘴通过供气管路与充气气瓶连接。其设计气流喷出方向为垂直于垂尾方向，以便较少反作用力的分量损失。如果尾桨为推力尾桨，则气口喷嘴的出气口布置在当前尾桨同侧；如果尾桨为拉力尾桨，则气口喷嘴的出气口布置在当前尾桨另一侧(例如尾桨在垂尾的左侧，则气口喷嘴则布置在垂尾的右侧)；气口喷嘴用于引导气流喷出，以平衡直升机旋翼的反扭矩作用，从而控制直升机航向。

三轴加速度传感器布置在直升机尾梁末端或者垂尾上，用于采集直升机尾梁末端或者垂尾位置处的横向(沿机轴方向)加速度信号、纵向(垂直于机轴，指向右)加速度信号和法向(垂直于机轴，指向上)加速度信号；在三轴加速度传感器中，横向加速度感知和采集直升机向前方向的加速度。纵向加速度传感器感知和采集直升机纵向加速度，即尾梁末端或者垂尾摆动的加速度。法向加速度传感器感知和采集直升机尾梁末端或者垂尾在垂直方向的加速度值。此装置中主要用到纵向加速度传感器和法向的加速度传感器。

在本发明的一个实施例中，对于气口喷嘴，如附图2所示，气口喷嘴为可调式结构，包括上导流板，导流板连杆，下导流板，连杆固定轴，导流板固定轴，喷气嘴，导流方向控制电机；其中导流方向控制电机根据控制单元的信号指令，控制上导流板、下导流板的朝向，以改变喷出气流的方向。气口喷嘴中的上导流板和下导流板初始固定在水平中间位置，不做任何旋转。其中：

上导流板和下导流板通过所述导流板固定轴安装在气口喷嘴出气口的前端，上导流板和下导流板之间通过导流板连杆活动式连接。

导流板连杆两端各安装一个板连杆固定轴，两个连杆固定轴分别设置在上导流板、下导流板上；当上导流板出现旋转角度变化的时候，带动下导流板同步跟随运动。

导流方向控制电机，布置在喷气嘴上并与上导流板连接，同时通过信号线缆与控制单元连接；导流方向控制电机接收来自控制单元的信号后，带动上、下导流板角度朝向变化，改变气口喷嘴气流喷出的朝向。

控制单元中设置有进行信号判读、气瓶出气量大小调节和气口喷嘴气流导向调节的算法，用于在直升机处于尾桨失效的应急状态下，对直升机尾桨变化进行控制。算法具体为：

(1)直升机在飞行过程中，控制单元实时采集脚蹬位移传感器的位移信号，同时实时采集布置在直升机尾梁末端或者平尾上三轴向加速度传感器送出的加速度值；当飞行员正常操纵飞机时，踩踏脚蹬，脚蹬位移传感器会采集到脚蹬位移信号，直升机尾桨会根据脚蹬位移信号的大小跟随调节尾桨桨距值，从而控制尾桨实现直升机航向的变化；与此同时，纵轴方向加速度信号与脚蹬位移信号同步变化，并且变化率一致；此时控制单元不发出任何控制指令。

(2)控制单元判断当脚蹬位移信号变化与纵轴方向加速度信号变化无法在时间上或信号极性、量级上匹配的话，则判定直升机存在尾桨失效的状态。分四种情形判断：

第一种：脚蹬位移信号有变化，但是纵轴方向加速度信号变化极性与脚蹬位移信号相反；例如踩踏左脚蹬，有意左转，但是采集的纵轴方向加速度信号与之相反。

第二种：脚蹬位移信号有变化，但是纵轴方向加速度信号不变化。

第三种：脚蹬位移信号无变化，但是纵轴方向加速度信号却出现明显变化；例如变化大于设定的阈值。

第四种：脚蹬位移信号有变化，加速度信号也有变化，但脚蹬位移信号变化率于加速度信号的变化率二者的比值超过2倍时或减小为1/2时。

以上四种情形下，控制单元发出“尾桨失效”状态指令，并控制开关显示面板上尾桨失效应急状态提示灯点亮。

当飞行员看到开关显示面板上尾桨失效应急状态提示灯点亮时，可以打开开关显示面板上的气瓶控制开关；气瓶控制开关接通后，气瓶控制装置会打开充气气瓶的出气口，此时充气气瓶开始向外供气，并将气瓶打开信号发送给控制单元；当控制单元判定直升机处于尾桨失效状态且收到充气气瓶打开信号后，控制单元实时采集脚蹬位移传感器送出的脚蹬位移信号，根据脚蹬位移信号的大小，发送控制指令给气瓶控制装置，从而控制气瓶出气量的大小。

当法向加速度传感器采集的法向加速度信号值超过1个g值，则判断直升机尾梁末端和垂尾部分当前的加速度值超限，直升机姿态存在低头和抬头过大，容易失速的风险，则发送指令给位于气口喷嘴部分的导流方向控制电机，电机运动会带动上导流板和下导流板运动，改变气口喷嘴气流喷出的朝向，从而调节气流喷出形成反作用力的矢量方向，来调节尾梁末端或者垂尾在垂直方向上的受力，从而调节直升机在俯仰上的姿态。

气瓶控制装置的控制器中设置有气瓶放气控制算法，用于在直升机尾桨失效后接收控制单元和气瓶控制开关给出的信号进行气瓶控制开关和流量控制，算法具体为：

(1)当气瓶控制开关接通，气瓶控制装置控制气瓶放气阀门打开。

(2)收到控制单元的放气大小信号后，同步控制气瓶放气流量的大小。

第二部分，详细控制方法部分

本方案的原理是在直升机处于尾桨失效的危险情形下，通过采集获取尾梁末端的姿态变化，控制压缩气瓶的供气开关和供气流量，调节气口喷嘴的朝向，通过气流喷出的反作用力来平衡直升机旋翼的反扭矩作用力和调节直升机俯仰方向的姿态，以达到平稳控制直升机姿态的目的。具体步骤如下：

步骤2.1，直升机在飞行过程中，通过三轴加速度传感器实时获取直升机尾梁末端位置的纵向加速度(水平左右摆动方向的加速度)，通过脚蹬位移传感器采集的脚蹬位移信号；当直升机正常飞行时，不进行其他操作。当纵向加速度值和脚蹬位移值存在以下前述的四种情形时，说明直升机尾梁摆动不收脚蹬正常控制，存在尾桨失效的故障。则进行步骤2.2。

步骤2.2，控制单元发出“尾桨失效”状态，并控制开关显示面板上尾桨失效应急状态提示灯点亮，以提醒飞行员进行应急操作；当飞行员打开气瓶控制开关后，进入步骤2.3。

步骤2.3，在该步骤中，控制单元的具体算法为：

控制单元发送指令控制气瓶控制装置打开气瓶供气阀门，应急供气。

实时获取三轴加速度传感器采集的纵向加速度值，根据纵向加速度值的大小发送供气流量增大指令至气瓶控制装置，逐渐增加供气流量，直到纵向加速度计采集的值趋近于0，则表示直升机航向已经稳定，气口喷嘴喷出气流的反作用力已经平衡了主旋翼带来的反扭矩值，此时稳定供气流量。

与此同时，控制单元会记录当前的脚蹬位移信号，作为平衡状态的基准，此处约定左侧脚蹬在平衡位置时的位移值为A，左侧脚蹬继续踩下则其位移值增加，左侧脚蹬回弹则其位移值减小。

控制单元实时获取三轴加速度传感器采集的法向加速度值，根据法向加速度值的大小发送气口喷嘴导流板的旋转方向指令。

当法向加速度传感器采集的法向加速度值超过1个g值，则判定直升机尾梁法向加速度值超限，说明尾梁出现了不受控的上摆和下摆，直升机姿态存在低头和抬头姿态变化过大，容易出现失速的风险，则发送指令给位于气口喷嘴部分的导流方向控制电机，电机运动会带动上导流板转动，通过导流板连杆固定轴带动下导流板绕导流板固定轴进行同步转动。通从而改变气口喷嘴气流喷出的朝向，从而调节气流喷出形成反作用力的矢量方向，来调节尾梁末端或者垂尾在垂直方向上的受力。

当法向加速度为正(尾梁向上运动)，则发送导流板朝向向上，依靠气口喷嘴喷出气流的反作用力的法向分量，来控制尾梁向下运动，从而平时直升机俯仰姿态。同理，法向加速度为负(尾梁向下运动)，则发送导流板朝向向下，依靠气口喷嘴喷出气流的反作用力的法向分量，来控制尾梁向上运动。

当导流板方向变动时，对应于垂直尾梁的反作用力会存在作用力的部分分量被用来控制直升机俯仰变化，此时控制单元会同步控制气瓶控制装置增大供气流量，直到直升机在方位和俯仰上保持平衡。此时，进入步骤2.4。

步骤2.4，当通过气口喷嘴喷出气流的反作用力平衡直升机俯仰和航向上的姿态后，控制单元仍然实时采集脚蹬位移传感器采集的脚蹬位移信号，以感知飞行员的操作意图。

在该步骤中，当单位时间内两侧脚蹬位移变化，则表示飞行员需要控制直升机左转或者右转，则发送供气流量调节指令至气瓶控制装置，调节供气流量。

此时，控制单元的算法为：实时获取脚蹬位移传感器采集的脚蹬位移值，记为B，以感知飞行员的操作意图。当B大于A，则表明飞行员踩踏了左侧脚蹬，需要左转。当B小于1，则表明飞行员踩踏了右侧脚蹬，需要右转。

因为对于拉力尾桨，气口喷嘴布置在尾桨对侧，对于推力尾桨，气口喷嘴布置在尾桨同侧，所以，为了实现飞行员对改变直升机航向的操作意图，此时控制单元中的控制算法分以下八种情况考虑：

如上表所述：

(1)当直升机的尾桨属于拉力尾桨且尾桨位于机身纵轴左侧，如果此时飞行员需要控制直升机左转，则控制单元会发送减小供气量的指令给气瓶控制装置。此时气口喷嘴处的气流，反作用力减小，受旋翼的反扭矩作用，尾梁将绕机身法向轴逆时针(俯视)转动，直升机航向将左转。反之，如果要右转，则增大供气量。

同理可知：

(2)当直升机的尾桨属于拉力尾桨且尾桨位于机身纵轴右侧，如果此时飞行员需要控制直升机左转，则控制单元会发送增加供气量的指令给气瓶控制装置。反之，如果要右转，则减小供气量。

(3)当直升机的尾桨属于推力尾桨且尾桨位于机身纵轴左侧，如果此时飞行员需要控制直升机左转，则控制单元会发送增加供气量的指令给气瓶控制装置。反之，如果要右转，则减小供气量。

(4)当直升机的尾桨属于推力尾桨且尾桨位于机身纵轴右侧，如果此时飞行员需要控制直升机左转，则控制单元会发送减小供气量的指令给气瓶控制装置。反之，如果要右转，则增加供气量。

与现有的方法相比，本发明保留了原直升机尾桨，仅作为应急状态下的一种替代方式，通过气流喷出的反作用力平衡主旋翼的反扭矩，来控制航向；本发明使用充气气瓶，不改变原直升机气动外形。本发明提出的气口喷嘴设计，可以调节其气流朝向，增加了飞行员对直升机俯仰状态的控制。

以上实施例仅用于说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种直升机尾桨失效状态下应急替代装置，其特征在于，包括开关显示面板、控制单元、脚蹬位移传感器、气瓶控制装置、充气气瓶、三轴加速度传感器和气口喷嘴，其中：

开关显示面板设置在直升机操纵台上，开关显示面板上有气瓶控制开关、尾桨失效应急状态提示灯；开关显示面板与控制单元和气瓶控制装置连接；其中所述气瓶控制开关用来打开/关闭气瓶供气；应急状态提示灯接受控制单元的控制；

控制单元布置在直升机操纵台下方，与开关显示面板、脚蹬位移传感器、气瓶控制装置、三轴加速度传感器、气口喷嘴相连接；控制单元用于获取脚蹬位移传感器的信号和尾梁末端或者垂尾位置的加速度信号，进行综合处理和判读，当出现尾桨失效的状态时，通过所述应急状态提示灯给飞行员提供应急状态的提醒，并根据脚蹬位移信号和加速度信号，控制气瓶控制装置调节出气风量大小，以及控制气口喷嘴喷出的气流朝向；

脚蹬位移传感器，布置在直升机驾驶舱左脚脚蹬操纵杆下方，用于采集飞行员踩踏脚蹬的位移信号；气瓶控制装置，布置在充气气瓶出气口位置，用于接收气瓶控制开关的信号，打开和关闭充气气瓶的供气口；充气气瓶，布置在直升机尾梁过渡段或者机身内部，用于存储高压惰性气体；三轴加速度传感器，布置在直升机尾梁末端或者垂尾上，用于采集直升机尾梁末端或者垂尾位置处的加速度信号；气口喷嘴，布置在直升机尾梁末端，气口喷嘴通过供气管路与所述充气气瓶连接；其气流喷出方向为垂直于垂尾方向，且能在所述控制单元的控制下，调节气流喷出的方向。

2.根据权利要求1所述的直升机尾桨失效状态下应急替代装置，其特征在于，如果尾桨为推力尾桨，则气口喷嘴的出气口布置在当前尾桨同侧；如果尾桨为拉力尾桨，则气口喷嘴的出气口布置在当前尾桨另一侧。

3.根据权利要求1所述的直升机尾桨失效状态下应急替代装置，其特征在于，所述气口喷嘴为可调式结构，包括上导流板，导流板连杆，下导流板，连杆固定轴，导流板固定轴，喷气嘴，导流方向控制电机；其中：

上导流板和下导流板通过所述导流板固定轴安装在气口喷嘴出气口的前端，上导流板和下导流板之间通过导流板连杆活动式连接；导流板连杆两端各安装一个连杆固定轴，两个连杆固定轴分别设置在上导流板、下导流板上；当上导流板出现旋转角度变化的时候，带动下导流板同步跟随运动；

导流方向控制电机，布置在喷气嘴上并与上导流板连接，同时通过信号线缆与控制单元连接；导流方向控制电机接收来自控制单元的信号后，带动上、下导流板角度朝向变化，改变气口喷嘴气流喷出的朝向。

4.根据权利要求1所述的直升机尾桨失效状态下应急替代装置，其特征在于，所述控制单元中设置有进行信号判读、气瓶出气量大小调节和气口喷嘴气流导向调节的算法，包括：

直升机在飞行过程中，控制单元实时采集脚蹬位移传感器的位移信号，同时实时采集布置在直升机尾梁末端或者平尾上三轴向加速度传感器送出的加速度值；当飞行员正常操纵飞机时，踩踏脚蹬，脚蹬位移传感器会采集到脚蹬位移信号，直升机尾桨会根据脚蹬位移信号的大小跟随调节尾桨桨距值，从而控制尾桨实现直升机航向的变化；与此同时，纵轴方向加速度信号与脚蹬位移信号同步变化，并且变化率一致；此时控制单元不发出任何控制指令；

控制单元判断当脚蹬位移信号变化与纵轴方向加速度信号变化无法在时间上或信号极性、量级上匹配的话，则判定直升机存在尾桨失效的状态，控制单元发出“尾桨失效”状态指令，并控制开关显示面板上尾桨失效应急状态提示灯点亮；

当飞行员看到开关显示面板上尾桨失效应急状态提示灯点亮时，打开开关显示面板上的气瓶控制开关；气瓶控制开关接通后，气瓶控制装置打开充气气瓶的出气口，此时充气气瓶开始向外供气，并将气瓶打开信号发送给控制单元；当控制单元判定直升机处于尾桨失效状态且收到充气气瓶打开信号后，控制单元实时采集脚蹬位移传感器送出的脚蹬位移信号，根据脚蹬位移信号的大小，发送控制指令给气瓶控制装置，从而控制气瓶出气量的大小。

5.根据权利要求4所述的直升机尾桨失效状态下应急替代装置，其特征在于，所述算法还包括：

当法向加速度传感器采集的法向加速度信号值超过1个g值，则判断直升机尾梁末端和垂尾部分当前的加速度值超限，直升机姿态存在低头和抬头过大，容易失速的风险，则发送指令给位于气口喷嘴部分的导流方向控制电机，电机运动会带动上导流板和下导流板运动，改变气口喷嘴气流喷出的朝向，从而调节气流喷出形成反作用力的矢量方向，来调节尾梁末端或者垂尾在垂直方向上的受力，从而调节直升机在俯仰上的姿态。

6.根据权利要求4所述的直升机尾桨失效状态下应急替代装置，其特征在于，所述尾桨失效的状态四种情形判断：

第一种：脚蹬位移信号有变化，但是纵轴方向加速度信号变化极性与脚蹬位移信号相反；

第二种：脚蹬位移信号有变化，但是纵轴方向加速度信号不变化；

第三种：脚蹬位移信号无变化，但是纵轴方向加速度信号却出现明显变化；

第四种：脚蹬位移信号有变化，加速度信号也有变化，但脚蹬位移信号变化率于加速度信号的变化率二者的比值超过2倍时或减小为1/2时。

7.一种直升机尾桨失效状态下应急替代装置的控制方法，其特征在于，包括：

步骤2.1，直升机在飞行过程中，控制单元通过三轴加速度传感器实时获取直升机尾梁末端位置的纵向加速度，通过脚蹬位移传感器采集的脚蹬位移信号；当直升机正常飞行时，不进行其他操作；当控制单元判定尾桨存在失效的故障时，则进行步骤2.2；

步骤2.2，控制单元发出“尾桨失效”状态指令，并控制开关显示面板上尾桨失效应急状态提示灯点亮，以提醒飞行员进行应急操作；当飞行员打开气瓶控制开关后，进入步骤2.3；

步骤2.3，控制单元发送指令控制气瓶控制装置打开气瓶供气阀门，应急供气；

实时获取三轴加速度传感器采集的纵向加速度值，根据纵向加速度值的大小发送供气流量增大指令至气瓶控制装置，逐渐增加供气流量，直到纵向加速度计采集的值趋近于0，此时稳定供气流量；与此同时，控制单元记录当前的脚蹬位移信号，作为平衡状态的基准，此处记左侧脚蹬在平衡位置时的位移值为A，左侧脚蹬继续踩下则其位移值增加，左侧脚蹬回弹则其位移值减小；

控制单元实时获取三轴加速度传感器采集的法向加速度值，根据法向加速度值的大小发送气口喷嘴导流板的旋转方向指令。

8.根据权利要求7所述的直升机尾桨失效状态下应急替代装置的控制方法，其特征在于，所述方法还包括：

当法向加速度传感器采集的法向加速度值超过1个g值，则判定直升机尾梁法向加速度值超限，则发送指令给位于气口喷嘴部分的导流方向控制电机，电机运动会带动上导流板转动，改变气口喷嘴气流喷出的朝向，从而调节气流喷出形成反作用力的矢量方向，来调节尾梁末端或者垂尾在垂直方向上的受力；

当法向加速度为正，则控制上下导流板朝向向上，依靠气口喷嘴喷出气流的反作用力的法向分量，来控制尾梁向下运动，从而平时直升机俯仰姿态；同理，当法向加速度为负，则控制上下导流板朝向向下，依靠气口喷嘴喷出气流的反作用力的法向分量，来控制尾梁向上运动；

当上、下导流板方向变动时，控制单元同步控制气瓶控制装置增大供气流量，直到直升机在方位和俯仰上保持平衡；此时，进入步骤2.4.

步骤2.4，当通过气口喷嘴喷出气流的反作用力平衡直升机俯仰和航向上的姿态后，控制单元仍然实时采集脚蹬位移传感器采集的脚蹬位移信号，以感知飞行员的操作意图；当单位时间内两侧脚蹬位移变化，表示飞行员需要控制直升机左转或者右转，则发送供气流量调节指令至气瓶控制装置，调节供气流量。

9.根据权利要求8所述的直升机尾桨失效状态下应急替代装置的控制方法，其特征在于，所述当单位时间内两侧脚蹬位移变化，表示飞行员需要控制直升机左转或者右转，具体判断方法为：

实时获取脚蹬位移传感器采集的脚蹬位移值，记为B，以感知飞行员的操作意图；当B大于A，则表明飞行员踩踏了左侧脚蹬，需要左转；当B小于1，则表明飞行员踩踏了右侧脚蹬，需要右转。

10.根据权利要求7所述的直升机尾桨失效状态下应急替代装置的控制方法，其特征在于，所述发送供气流量调节指令至气瓶控制装置，调节供气流量的具体控制方法为：

当直升机的尾桨属于拉力尾桨且尾桨位于机身纵轴左侧，如果此时飞行员需要控制直升机左转，则控制单元发送减小供气量的指令给气瓶控制装置；反之，如果要右转，则增大供气量；

当直升机的尾桨属于拉力尾桨且尾桨位于机身纵轴右侧，如果此时飞行员需要控制直升机左转，则控制单元发送增加供气量的指令给气瓶控制装置；反之，如果要右转，则减小供气量；

当直升机的尾桨属于推力尾桨且尾桨位于机身纵轴左侧，如果此时飞行员需要控制直升机左转，则控制单元发送增加供气量的指令给气瓶控制装置；反之，如果要右转，则减小供气量；

当直升机的尾桨属于推力尾桨且尾桨位于机身纵轴右侧，如果此时飞行员需要控制直升机左转，则控制单元发送减小供气量的指令给气瓶控制装置；反之，如果要右转，则增加供气量。

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