能够悬停的飞行器的旋翼和检测桨叶相对于这种旋翼的叶毂的姿态的方法与流程

本发明涉及一种用于能够悬停的飞行器的旋翼，特别是用于推力换向式飞机(convertiplane)或直升机或具有从传统直升机衍生得到的构造的直升机的旋翼。

本发明还涉及一种用于检测桨叶相对于这样的旋翼的叶毂的姿态的方法。

背景技术：

已知的直升机基本上包括机身、定位于机身顶部的主旋翼和位于机身后端部的尾旋翼。

更详细地，旋翼又包括叶毂和支柱，叶毂可围绕第一轴线旋转并配备有铰接到上述叶毂上的多个桨叶，支柱连接至驱动构件并操作地连接至叶毂以驱动叶毂围绕第一轴线旋转。

存在几种已知类型的旋翼，每种旋翼通过刚性或可弹性变形的连接提供将桨叶铰接到叶毂上的不同实施方式。

根据旋翼的类型，每个桨叶相对于叶毂具有一个或多个旋转自由度。这些自由度可以对应于刚性旋转，或者可以根据叶毂的类型通过桨叶相对于叶毂的弹性变形来实现。

更具体而言，桨叶的三个旋转自由度对应于：

-相对于叶毂且围绕第二挥舞(flapping)轴线的旋转，该第二挥舞轴线横向于叶毂的旋转轴线；和/或

-相对于叶毂且围绕第三轴线的旋转，以改变俯仰(pitch)角，该第三轴线与桨叶的延伸方向一致并因此相对于第二轴线大体成径向；和/或

-相对于叶毂且围绕第四阻力(或摆振(lead-lag))轴线的旋转，该第四阻力轴线平行于旋转轴线并相对于旋转轴线偏离，并且大体垂直于第一挥舞轴线。

以这种方式，可以通过通常称为挥舞角、俯仰角和摆振角的三个角度来确定桨叶的每个部分在空间中相对于叶毂的角度取向。这些角度分别限定在与桨叶的该部分成一体的方向与第二轴线、第三轴线和第四轴线之间。

在完全铰接式旋翼中，上述三个旋转自由度均对应于围绕第二轴线、第三轴线和第四轴线的相应的刚性旋转。

另外，在摇摆式或杠杆式旋翼中，只有与围绕第二轴线和第三轴线的旋转有关的旋转自由度对应于刚性旋转。

在这种类型的旋翼中，桨叶的每个部分都具有：

-分别与围绕第二轴线和第三轴线的两个刚性旋转角度相关联的两个旋转自由度；以及

-与桨叶本身的弹性旋转相关联的一个旋转自由度。

重要的是强调每个桨叶都通过提供上述旋转自由度的一个或多个机械铰链铰接到叶毂上，或者在无铰链式旋翼的情况下通过弹性轴承铰接到叶毂上。

可替代地，在所谓的无轴承式旋翼的情况下，叶毂和桨叶由可弹性变形的材料制成，该材料的柔性能够提供上述自由度。

由于作用在桨叶上的动态力，例如离心力的作用，桨叶或可能存在的弹性轴承弹性变形。由此得出，每个桨叶的横向部分都可以相对于叶毂且平行于上述第一轴线、第二轴线和第三轴线在空间中弹性地运动。

因此，在旋翼的操作期间，桨叶的每个部分都相对于叶毂且平行于上述第一轴线、第二轴线和第三轴线发生弹性位移。

总之，根据旋翼的类型，每个桨叶的每个横向部分都具有：

-通过围绕第二轴线、第三轴线和第四轴线中的一个或多个轴线的刚性或弹性变形的旋转所提供的高达三个旋转自由度；以及

-通过平行于第二轴线、第三轴线和第四轴线中的一个或多个轴线的相应的弹性变形所提供的高达三个平移自由度。

这些自由度的总体限定了桨叶的每个部分相对于叶毂的空间姿态。

在行业内，意识到需要实时确定特别感兴趣的某些桨叶部分相对于叶毂的姿态，即，与旋转自由度有关的旋转角度的值以及与桨叶相对于叶毂的平移自由度有关的弹性变形。

us2014/0061369描述了一种用于确定直升机桨叶的位置的磁性系统。

更确切地说，用于确定桨叶的位置的系统包括由叶毂承载的多个磁体以及由旋翼桨叶承载的霍尔效应磁传感器。

us4,583,862描述了一种用于确定直升机桨叶的姿态的系统，其包括：设置在每个桨叶的一个端部上的光束源以及设置在叶毂上的一对传感器。每个传感器又包括具有光栅的不透明屏幕以及多个检测器，该多个检测器相对于光源放置在屏幕的另一侧。该确定系统基于由检测器所识别的光束的位置来检测桨叶的摆振角度和挥舞角度。

us4,465,367描述了一种用于测量直升机桨叶的自由末端相对于桨叶的旋转平面的位移的系统。该测量系统包括频闪灯、放置在每个桨叶末端的反射带以及频闪灯的控制单元。反射带穿过由频闪灯发出的光束允许看到桨叶末端的位置。

ep-a-2778049描述了一种用于测量旋翼桨叶的挥舞角度的系统。该系统包括rvdt型角位移变换器。

us-a-2013/0243597描述了一种用于测量直升机的桨叶相对于第二挥舞轴线或第四阻力轴线的角位置的系统。该测量系统包括插在叶毂与桨叶根部之间的多个有弹性的柔性杆以及与对应的杆相关联的多个应变仪。每个应变仪都被构造成在对应的杆弯曲时检测相关联的桨叶相对于第二挥舞轴线和第四阻力轴线的取向。

在行业内，意识到需要利用尽可能少的部件来确定直升机旋翼的桨叶的位移和旋转，以便于适应不同类型的旋翼，并且要求对桨叶设计进行最少的侵入性修改。

技术实现要素：

本发明的目的是制造一种用于能够悬停的飞行器的旋翼，该旋翼能够以简单且成本低廉的方式满足上述要求。

ep-a-3025958公开了一种根据权利要求1和11的前序部分所述的用于能够悬停的飞行器的旋翼。

ep-a-112031公开了一种位置检测器，其包括：限定细长视场的装置、固定到位置要被检测的旋翼桨叶上并带有参考标记的目标以及扫描视场的传感器。目标能够处于沿视场的任何位置范围内。

上述目的通过本发明实现，只要其涉及根据权利要求1所述的用于能够悬停的飞行器的旋翼。

本发明还涉及一种根据权利要求11所述的、检测至少一个桨叶相对于用于能够悬停的飞行器的旋翼的叶毂的姿态的方法。

附图说明

为了更好地理解本发明，下面仅通过非限制性例子并参照附图来描述优选的实施方式，在附图中：

-图1是具有根据本发明原理制造的、用于能够悬停的飞行器的旋翼的直升机的侧视图；

-图2是图1中的旋翼的局部剖面侧视图，为了清楚起见，移除了一些部件；

-图3是图2中的旋翼的高度放大的立体图；

-图4是图3中的旋翼的俯视图，为了清楚起见，移除了一些部件；

-图5是图3和图4中的旋翼的从下面观察的视图，为了清楚起见，移除了一些部件；

-图6和图7是图3至图5中的旋翼的一些部件的高度放大的前视图；

-图8是图2至图7中的旋翼的一些细节的从下面观察的高度放大的视图；以及

-图9是示出图2至图8中的旋翼的每个桨叶的旋转自由度的图。

具体实施方式

参照图1，附图标记1表示能够悬停的飞行器、特别是直升机，其基本上包括机身2、定位在机身2的顶部并可围绕轴线a旋转的主旋翼3以及位于机身2的一个端部处并可围绕横向于轴线a的轴线旋转的尾旋翼4。

更详细而言，主旋翼3包括叶毂5，叶毂5以轴线a为中心并且承载多个悬臂式安装的桨叶9，桨叶9径向地延伸至轴线a。

主旋翼3还包括可围绕轴线a旋转的支柱6，该支柱6与叶毂5在角度上集成为一体，并且以没有示出的方式与由直升机1承载的驱动构件(例如涡轮机)联接。特别地，支柱6是中空的。

更确切地说(图2)，支柱6部分容纳在叶毂5内，并且通过已知类型的连接装置与叶毂5在角度上集成为一体。

重要的是指出存在各种已知类型的旋翼，每种旋翼具有用于将桨叶9铰接到叶毂5上的不同实施方式。

根据旋翼的类型，每个桨叶9的每个横向部分都相对于叶毂5具有一个或多个旋转自由度。

这些旋转自由度通过在图9中通过非限制性例子示出并且对应于：

-俯仰角α，其与围绕轴线b的旋转相关联，该旋转能够改变桨叶9的俯仰角；

-摆振角β，其与围绕平行于轴线a并相对于轴线a偏离的轴线c的旋转相关联，该旋转能够实现桨叶9的摆振运动；以及

-挥舞角γ，其与围绕横向于轴线a、b和c的轴线d的旋转相关联，该旋转能够实现桨叶9的挥舞运动。

根据旋翼3的类型以及桨叶9与叶毂5的铰接，上述角度α、β和γ对应于刚性旋转或通过桨叶9的弹性变形所获得的旋转。

在所示的实施方式中，旋翼3是完全铰接式的，即，角度α、β和γ对应于围绕相应的轴线b、c和d的刚性旋转。

在所示的实施方式中，桨叶9通过弹性轴承24(图3中仅示出其中一个弹性轴承)铰接到叶毂5上。

结果，在旋翼3的操作期间，跟随作用于每个桨叶9上的力、特别是离心力，横向于每个桨叶9的轴线b的部分也沿轴线b、c和d发生弹性位移。

总而言之，可以将六个自由度与每个桨叶9的每个横向部分相关联，其中三个自由度是旋转式的并且对应于α、β和γ角度的值，而另外三个自由度是平移式的并且对应于沿着轴线a、b和c的位移。

在本说明书中，术语“桨叶9的横向部分的姿态”在下文中应表示桨叶9的一部分的上述自由度的值。

旋翼3还包括流动输送器10，其被设计成引导旋翼3上的空气动力学流动，并因此降低空气动力学阻力，并且减小主旋翼洗流(wash)对尾旋翼的影响。

更详细地，流动输送器10是环形的，围绕轴线a延伸并且相对于机身2位于叶毂5的相反侧。

流动输送器10具有“帽状”形状，并由两个彼此轴向相对的表面11和12界定。更具体而言，表面11在与叶毂5相反的一侧轴向界定流动输送器10，而表面12在最靠近叶毂5的一侧轴向界定流动输送器10。

表面11是连续的并且从轴线a开始在径向方向上以与叶毂5的轴向距离减小的方式延伸。

表面12具有以轴线a为中心的环形形状。

表面11和12沿着圆形边缘13接合，圆形边缘13也以轴线a为中心。

表面11和12成形为使得当从轴线a开始在径向方向上延伸时它们的轴向距离减小。

在附图中可以看出，每个桨叶9主要沿着相对于轴线a大体成径向的轴线b延伸，并且包括被设计成限定直升机的支撑/操纵表面的主体16(仅部分在附图中可见)。

旋翼3包括多个紧固在叶毂5上的连接元件17，各个桨叶9的主体16铰接在该连接元件17上。

主体16又包括两个端部20和21，它们沿轴线b彼此相对并且分别位于相对于轴线a的径向内部位置和径向外部位置。

特别地，每个桨叶9的连接元件17大体为c形，并且由一对平行臂18及臂18的连接部分19形成，桨叶3的主体16的径向最内端部紧固在这一对平行臂18之间，臂18的连接部分19被设计用于接合由位于垂直于轴线a的平面上的叶毂5的板23限定的相应的座22(图2)。

更确切地说，每个桨叶9的连接元件17的连接部分19接合叶毂5的相应的座22，并且可以使桨叶9相对于叶毂5铰接。

直升机1还包括被构造成检测桨叶9相对于叶毂5的姿态的传感器单元25。

传感器单元25有利地被构造成获取每个桨叶9相对于叶毂5的姿态的光学图像。

更具体而言，传感器单元25包括一个或多个照相机26(图4、图5和图6)。

传感器单元25还包括控制单元28(仅在图2中示意性示出)，其被编程为处理由照相机26获取的图像并确定桨叶9的姿态。

在本发明的优选实施方式中，传感器单元25包括单个照相机26，以生成每个桨叶9的光学图像。

可替代地，传感器单元25包括两个立体照相机26，以生成每个桨叶9的光学图像。

更确切地说，照相机26安装在流动输送器10的表面12上并面朝相应的桨叶9。

优选地，照相机26旨在获取桨叶9在相应的桨叶9的连接元件17处的姿态的图像。

可替代地，照相机26旨在获取桨叶9在相应的桨叶9的端部20处的姿态的光学图像。

特别地，表面12包括照明装置27，以在光学图像获取步骤期间照亮桨叶9的感兴趣区域。

照明装置27与照相机26获取光学图像同步。

直升机1还包括自动驾驶仪50(仅在图2中示意性示出)，其产生用于桨叶9的控制信号。例如，这些控制信号根据飞行条件和要执行的任务分布调节桨叶9的俯仰角α。

在一个特定的实施方式中，自动驾驶仪50从控制单元28接收包括角度α、β和γ和旋翼3的桨叶9的沿轴线b、c和d的弹性位移的值的输入，并且还基于这些值产生控制信号。

在使用中，驱动支柱6围绕轴线a旋转，从而旋转地驱动叶毂5和桨叶9。

下面描述旋翼3的操作，其中仅考虑一个桨叶9。

桨叶9在受到叶毂5的驱动时相对于叶毂5改变其姿态。

特别地，桨叶9相对于叶毂5并围绕轴线b、c和d旋转角度α、β和γ。

同时，例如桨叶9的每个横向部分在离心力的作用下发生弹性位移，该离心力具有平行于轴线b、c和d的分量。

传感器单元25确定在旋翼3的操作期间的桨叶9的姿态。

更确切地说，照明装置27照亮桨叶9的感兴趣的区域，并且照相机26获取桨叶9在桨叶9的连接元件17处和/或在桨叶9的端部20处的图像。

该图像由控制单元28处理，控制单元28确定桨叶9的姿态。

参照图3，根据本发明的不同实施方式的旋翼总体用附图标记3’表示。旋翼3’类似于旋翼3，在下文中将仅就与旋翼3的不同之处进行描述。在可能的情况下，旋翼3和3’的相应或等同的部分应使用相同的附图标记表示。

特别地，旋翼3’与旋翼3的不同之处在于，照相机26’承载在叶毂5的板23上，容纳在板23和相关桨叶9的连接元件17之间限定的空间中，并且被构造成获取对应的连接元件17的相应图像。

在所示的情况下，照相机26’是微型照相机。

旋翼3’的操作类似于旋翼3的操作，因此不再详细描述。

由对旋翼3、3’和根据本发明的方法的检验，它们可以实现的优点很明显。

特别地，传感器单元25被构造成获取与桨叶9相对于叶毂5的姿态相关联的图像，即，角度α、β和γ及桨叶9的多个部分的刚性或弹性位移的值。

由此得出，传感器单元25能够检测与桨叶9的所有旋转或平移自由度相对应的旋转和/或位移的值。

对桨叶9的所有自由度的这种检测是用少量部件进行的，并且不需要在桨叶9上应用可能影响动态和流体动力学行为的额外的结构或检测器。

另外，传感器单元25以非接触式的方式工作，因此具有高度可靠性的特点。

无论是使用物理铰链还是无铰链，传感器单元25都可以容易地应用于不同类型的旋翼3和3’，例如全铰接式、半铰接式或刚性的旋翼3和3’。

此外，传感器单元25能够检测桨叶9的多个部分相对于叶毂5沿着相应的延伸轴线b的弹性位移的值。在无铰链的方案中通过弹性轴承24将桨叶9铰接到叶毂5上或在无轴承的方案中通过弹性元件将桨叶9铰接到叶毂5上的情况下，这些位移表示上述弹性部件的磨损和劣化的程度。由此得出，传感器单元25能够提供这些弹性轴承24的操作状态的实时指示。

最后，由传感器单元25检测到的桨叶9的姿态可以有效地用作直升机1的自动驾驶仪50的输入数据。以这种方式，自动驾驶仪50处理与旋翼3或3’相关联的信号，该信号比与机身2的姿态相关联的信号具有更高的通带并且通常用作自动驾驶仪50的输入数据。因此，自动驾驶仪50比通常用在已知类型的直升机中的已知类型的自动驾驶仪具有更好的速度和精度特性。

最后，还清楚的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对前述旋翼3或3’及方法进行修改和变型。

特别地，传感器单元25可以应用于尾旋翼4而不是旋翼3或3’。

代替完全铰接，旋翼3可以是刚性的、半铰接式的，杆杠式的(see-saw)、无铰链式的或无轴承式的，或者在任何情况下被构造成通过不同于旋翼3或3’的刚性或弹性变形的连接来实现桨叶9的上述自由度。

旋翼3或3’可应用于推力换向式飞机或由直升机衍生得到的构造。