用于反转同轴桨毂主轴整流罩的逆转动系统

本发明涉及一种用于具有反转同轴螺旋桨(rotor)系统的旋翼 (rotary-wing)飞机的桨毂整流罩(fairing)系统，更具体地，涉及一种逆 转动(de-rotation)系统，其转动地将安装在上毂整流罩与下毂整流罩之 间的主轴整流罩进行稳定。

典型地，与旋翼飞机上的桨毂有关的气动阻力占据综合飞机阻力 的显著份额，对于传统的单桨直升机典型地为25％-30％。对于具有反 转同轴螺旋桨系统的旋翼飞机来说，螺旋桨系统的阻力增加，主要是 由于双桨毂及两者之间的互连主轴的缘故。对于高速旋翼飞机来说， 由反转同轴螺旋桨系统引起的增加的阻力可能引起相对显著的动力 障碍。

双反转同轴螺旋桨系统的气动阻力是由三个主要构件产生的：上 桨毂组件、下桨毂组件以及互连主螺旋桨主轴组件。每个毂的阻力成 分大约为40％，而互连主螺旋桨组件的阻力成分为20％。典型地，桨 毂整流罩结构安装在上桨毂与下桨毂中的每一个上，从而使旋翼飞机 上的综合阻力得以减小。然而，对于上桨毂组件与下桨毂组件之间的 互连主螺旋桨主轴则典型地暴露出来。

为了多种原因，包括但不限于减小的阻力以及较低的可见性的原 因，已经开发出成形主轴整流罩，用于遮盖暴露出的互连主螺旋桨主 轴。

主轴整流罩借助轴承结构而安装到反转同轴螺旋桨系统上，该反 转同轴螺旋桨系统位于完全转动的环境中，该环境位于上毂整流罩与 下毂整流罩之间，从而使主轴整流罩在前飞状态时与机身对齐，但在 低速机动飞行的过程中可自由地与相对风场对齐。

在前飞的过程中，气流将轴承结构上的主轴整流罩相对于转动互 连主螺旋桨主轴而稳定化。然而，在悬停与低速机动飞行的过程中， 作用于轴承结构上的摩擦力可能趋向于导致主轴整流罩不合需要地 与主螺旋桨系统一同转动。主轴整流罩的转动可能增加阻力，并且降 低了成形主轴整流罩具有的低可见性好处。

因此，需要提供一种逆转动系统，用于位于完全转动环境内的主 轴整流罩，该完全转动环境位于反转同轴桨毂整流罩系统的上桨毂整 流罩与下桨毂整流罩之间。

发明概要

根据本发明的用于双反转同轴螺旋桨系统的桨毂整流罩系统大 体上包括上毂整流罩、下毂整流罩以及设置于两者之间的主轴整流 罩。桨毂整流罩系统借助轴承结构而附接到反转同轴螺旋桨系统上， 从而使主轴整流罩可借助逆转动系统而转动地放置在方位角位置上， 方位角位置围绕相对于机身的主螺旋桨转动轴线。逆转动系统控制主 轴整流罩围绕转动轴线的位置，从而防止主轴整流罩自由地与螺旋桨 主轴一起转动，在其它情况下可能会引起这种转动。

一种逆转动系统包括带驱动系统，其在飞机达到前向飞行速度的 任何时候而自对齐，在该速度下，气流的力量大于逆转动系统的带与 带轮之间的摩擦力。从而允许逆转动系统设计成用于较低载荷，并且 进而提供了轻巧系统。

另一种逆转动系统包括上板体、下板体、驱动锥体组件以及静态 支撑环组件。上板体与一个螺旋桨主轴一起转动，而下板体则与另一 个螺旋桨主轴一起转动。驱动锥体组件包括多个轴装式斜锥体，其匹 配于上板体与下板体之间。主轴从每个斜锥体径向向外地延伸，并且 安装到静态支撑环组件的静态支撑环上。静态支撑环组件支撑着主轴 整流罩，并且可以制造成C型截面的裂环，以有助于为了维护检查而 进行的拆卸。

另一种逆转动系统可额外地运行成对控制系统进行响应，主轴整 流罩的方位角位置可借助该控制系统而在所有的飞行轮廓中主动地 改变。逆转动系统大体上包括可变扭矩发生器系统、与可变扭矩发生 器系统导通的控制器以及与控制器导通的主轴整流罩位置传感器。逆 转动系统也可以与飞行控制系统导通，以便选择性地且在方位角上在 所有飞行轮廓中相对于机身而放置主轴整流罩，用于比如增加飞机的 机动性。

因此，本发明提供一种逆转动系统，用于位于完全转动环境内的 主轴整流罩，该完全转动环境位于反转同轴桨毂整流罩系统的上桨毂 整流罩与下桨毂整流罩之间。

附图简述

根据当前优选实施例的以下详述，本发明的多种特征与优点将为 那些熟悉本领域的技术人员所清楚。伴随详述的附图可简要地描述如 下：

图1A和图1B为与本发明一起使用的示例性旋翼飞机实施例的概 略示意图；

图1C为根据本发明的安装有桨毂整流罩系统的反转同轴螺旋桨 系统的局部以虚线表达的放大视图；

图2A为反转同轴螺旋桨系统的局部以虚线表达的透视图，展示 了包含于主轴整流罩内的逆转动系统；

图2B为图2A所示的逆转动系统的放大截面图；

图2C为穿过螺旋桨系统转动轴线获取的图2A中的逆转动系统的 截面图；

图3A为另一个逆转动系统的侧面局部截面图；

图3B为图3A中的逆转动系统放大的侧面局部截面图；

图3C为图3A中的逆转动系统的侧面透视图；

图3D为图3A中的逆转动系统的侧面且局部以虚线表达的透视 图；

图3E为图3A中的逆转动系统的俯视示意图；

图4A为穿过螺旋桨系统转动轴线的截面示意图，展示了主动逆 转动系统；

图4B为主动逆转动系统的截面图，展示了可变扭矩发生器系统；

图4C为主动逆转动系统的主视截面图，展示了容纳于沙漏形主 轴整流罩内的锥台型电磁扭矩发生器；

图4D为电磁扭矩发生器的局部透视图；

图4E为用于主动逆转动系统的控制系统的示意图；以及

图5为具有公共中心定子的另一种主动逆转动系统的示意图。

优选实施例详述

图1A和图1B展示了示例性的垂直起飞与降落(VTOL)的旋翼飞 机10，旋翼飞机10具有围绕转动轴线A转动的双反转同轴螺旋桨 (rotor)系统12。飞机10包括支撑着双反转同轴螺旋桨系统12以及可 选的平移推力系统30的机身14，平移推力系统30提供大体上平行于 飞机纵轴线L的平移推力。虽然在所公开的实施例中展示了特定的飞 机配置，然而其它反转同轴螺旋桨系统也将从本发明中获益。

双反转同轴螺旋桨系统12包括上螺旋桨系统16和下螺旋桨系统 18。每个螺旋桨系统16、18包括安装到桨毂(rotor hub)22、24上的多 个螺旋桨桨片20，用于围绕转动轴线A转动。多个主螺旋桨桨片20 大致径向向外地从毂组件22、24突出，并且以为业界的普通技术人 员所知的任何方式而连接到毂组件22、24(示意性地展示于21处)。任 何数量的桨片20可用于螺旋桨系统12。

可以定位于机舱28上方的主变速箱26驱动螺旋桨系统12。平移 推力系统30可被驱动螺旋桨系统12的相同主变速箱26所驱动。主 变速箱26被一个或多个发动机(示意性地展示于E处)所驱动。如图所 示，主变速箱26可插入到气体涡轮发动机E、螺旋桨系统12与平移 推力系统30之间。

平移推力系统30可安装到机身14的尾部，并且使转动轴线T定 向成大致地水平并且平行于飞机纵轴线L，以便为高速飞行提供推力。 优选地，平移推力系统30包括安装在气动发动机罩34内的推式螺旋 桨32。

参考图1B，螺旋桨系统12包括桨毂整流罩系统36，优选地为集 成式桨毂整流罩系统，其大体上定位于上螺旋桨系统16与下螺旋桨 系统18之间，并且围绕上螺旋桨系统16与下螺旋桨系统18，从而使 桨毂22、24至少局部地包含于其内。桨毂整流罩系统36获得了显著 的阻力减小，其中大规模脉流分离大大地减小。

桨毂整流罩系统36大体上包括上毂整流罩38、下毂整流罩40以 及位于两者之间的主轴整流罩42。优选地，桨毂整流罩系统36为集 成式，以便减小分离的整流罩38、40、42之间的干涉影响，并且消 除结合区域内的过量分离。文中所用的术语“集成式”指的是主轴整 流罩42大体上在上毂整流罩38与下毂整流罩40之间的转动界面处 与上毂整流罩38及下毂整流罩40的轮廓相符。此外，下毂整流罩40 优选地在一个区域内与机身14集成在一起，该区域在旋翼飞机上典 型地称为挂架14D。应当理解：多种配置的整流罩系统可与本发明一 起使用。为了进一步理解桨毂整流罩系统及其相关构件的其它方面， 请参考申请日为2005年5月31日的美国专利申请第11/141,246号， 该申请转让给本发明的受让人，并且其通过引用而整体上结合于此。

参考图1C，主轴整流罩42优选地通过轴承结构43U、43L(示意 性地示出)而附接到反转同轴螺旋桨系统12，从而使主轴整流罩42可 借助逆转动系统44并且相对于机身14而放置到围绕转动轴线A的相 对角度位置上。上轴承43U和下轴承43L可分别靠近主轴整流罩42 的上部和下部而定位。上轴承43U优选地附接到一个螺旋桨主轴12U， 而下轴承43L则附接到另一个螺旋桨主轴12L，从而使轴承反向转动 并且净阻力相对较低。

逆转动系统44控制主轴整流罩42围绕转动轴线A的位置，从而 防止了主轴整流罩42与主轴12U、12L一起自由地转动，在一些飞行 阶段，该转动在其它情况下可能会发生。虽然本发明是结合特定的直 升机实施例进行描述的，应当容易地理解：其它需要转动环境内的静 态安装件的领域也将从本发明中获益。

参考图2A，逆转动系统44A包括齿轮系46，用于至少局部地抵 消主轴整流罩42的转动，该转动在其它情况下可能会发生，因为轴 承结构43U、43L的寄生摩擦的缘故。上带48U和下带48L与齿轮系 46接合，该上带48U和下带48L被平等地驱动，但围绕转动轴线的 方向相反。当上带48U与固定成用于与螺旋桨主轴12U一起转动的上 带驱动部件50U接合的时候，上带48U与螺旋桨主轴12U一起转动。

参考图2B，当下带48L与固定成用于与螺旋桨主轴12L一起转 动的下带驱动部件50L接合的时候，下带48L与螺旋桨主轴12L一起 转动。优选地，上带48U和下带48L为V型带或齿形带。然而，也 可以替换地使用其它部件。此外，应当理解：虽然文中使用了术语 “带”，但也可以类似地使用其它部件。

齿轮系46安装在壳体52内，该壳体52定位于主轴整流罩42内。 壳体50优选地附接到主轴整流罩42的内部，从而使基本上静止的壳 体50将主轴整流罩42维持成相对于机身10而基本上静止。壳体52 优选地通过轴承结构43U、43L(图2C)而附接到反转同轴螺旋桨系统 12，从而使壳体50围绕转动轴线A而与主轴整流罩42一起转动。上 轴承43U和下轴承43L分别靠近壳体52的上部和下部而定位。上轴 承43U附接到一个螺旋桨主轴12U，而下壳体轴承43L则附接到另一 个螺旋桨主轴12L，从而使轴承反向转动并且净阻力相对较低。

齿轮系46优选地包括上轴装式带轮56U以及下轴装式带轮56L， 其围绕转动轴线H转动。上轴装式带轮56U以及下轴装式带轮56L 安装在壳体支撑件58内。上轴装式带轮56U以及下轴装式带轮56L 上安装有相应的斜齿轮60U、60L。斜齿轮60U、60L与公共空转齿轮 62啮合。公共空转齿轮62围绕转动轴线C转动，该转动轴线C横向 于转动轴线H。由于斜齿轮60U、60L都具有相同数量的轮齿，公共 空转齿轮62围绕转动轴线C转动，但相对于转动轴线A而维持方位 角(azimuthal)位置，从而使主轴整流罩42维持相对于飞机10的方位 角位置。

因为逆转动系统44A由带驱动，逆转动系统44A在飞机达到前 向飞行速度的任何时候而自纠错，在该速度下，由气流施加的力量大 于带48U与带轮56U、56L之间的摩擦力。即，一旦主轴整流罩42 变为错位，前向飞行速度将再次将主轴整流罩42与飞机10的纵轴线 对齐，在该速度下，由气流施加的力量大于带48U与带轮56U、56L 之间的摩擦力。从而允许逆转动系统44设计成用于较低载荷，并且 因此而提供了轻巧的系统。

此外，应当理解：摩擦力可设定成相对较低，从而使即使低速机 动飞行比如高于预定速度的侧滑操纵同样将会把主轴整流罩42与相 对的风向对齐。

参考图3A，另一种逆转动系统44B至少局部地抵消主轴整流罩 42的转动，该转动在其它情况下可能会发生，由于轴承结构43U、43L 的寄生摩擦的缘故。逆转动系统44B大体上包括上板体64U、下板体 64L、驱动锥体组件66以及静态支撑环组件68。

由于上板体64U固定成用于与螺旋桨主轴12U一起转动，上板 体64U与螺旋桨主轴12U一起转动。由于下板体64L固定成用于与 螺旋桨主轴12U一起转动，下板体64L与螺旋桨主轴12U一起转动。 上板体64U与下板体64L与转动轴线A同心，并且每个包括相应的 斜面70U、70L，其面对相对的斜面70L、70U(同时展示于图3B)。

驱动锥体组件66包括多个轴装式斜锥体72(图3C和图3D)。即， 每个轴装式斜锥体(beveled cone)72包括锥台(frustro-conical)部件74， 该锥台部件74与斜面70U、70L匹配，并且装配于斜面70U、70L之 间。斜锥体72优选地构造成具有外部弹性体表面，该弹性体表面具 有高摩擦系数，而斜面70U、70L则包括表现出高摩擦系数的粗糙接 触表面。

虽然由弹性体进行的摩擦驱动施加于斜锥体72上，并且斜面 70U、70L提供了粗糙的匹配表面，应当理解：弹性体涂层也可以备 选地施加于斜面70U、70L上，而且斜锥体72上可以制备有粗糙表面。 应当进一步理解：多种摩擦驱动材料以及驱动材料之间的界面可备选 地或额外地与本发明一起使用。此外，即使本发明描述为使用摩擦驱 动方法，因为其轻巧、制造容易并且载荷要求低，应当理解：齿轮啮 合，比如斜齿轮或面齿轮啮合可备选地替换摩擦驱动，以便用于要求 较高载荷容量的应用中。

主轴76径向向外地自每个斜锥体72延伸，并且安装到静态支撑 环组件68的静态支撑环78上，用于围绕转动轴线D转动。

静态支撑环组件78优选地制造成C型截面的裂环(图3C)，以有 助于为了维护检查而进行的拆卸。静态支撑环组件78优选地包括驱 动圆锥轴承77(图3C)，用于支撑每个主轴76，以便有助于每个轴装 式斜锥体72围绕相应转动轴线D的转动及对齐。圆锥偏置部件79(图 3D)比如螺旋弹簧优选地定位于驱动圆锥轴承77的转动圈部与斜锥体 72的外侧垂直平坦部之间，用于使斜锥体72朝着驱动板体64U、64L 预加载荷。

驱动锥体组件66与驱动板体64U、64L的尺寸定制并配置成使得 螺旋桨主轴12L的转动导致驱动锥体组件66围绕它们各自的轴线 D(图3C)转动，然而，由于螺旋桨主轴12U以大致上与螺旋桨主轴12L 相同的速度但以相反的方向转动，每个轴装式斜锥体72的方位角位 置相对于机身10而大致地保持静止。即，由于每个轴装式斜锥体72 可围绕每个驱动锥体轴线D自由地转动，但基本上防止了围绕螺旋桨 的转动轴线A的方位角运行，附设于其上的静态支撑环组件68基本 上相对于机身10可转动地保持静止(图3A)。

主轴整流罩42安装到静态支撑环组件68上，从而使主轴整流罩 42相对于机身10基本上保持静止。即，通过将主轴整流罩42附设到 静态支撑环组件68而防止了主轴整流罩42与螺旋浆主轴的一起转 动。

主轴整流罩优选地借助偏置组件80(图3E)而安装到静态支撑环 组件68。偏置组件80优选地为对齐部件82，该对齐部件82固定到 主轴整流罩42，并且定位于静态支撑环78的环形沟槽84内，从而使 主轴整流罩42可围绕静态支撑环78转动，因为静态支撑环78由定 中弹簧86所限制，该定中弹簧86定位于静态支撑环78与主轴整流 罩42之间。应当理解：对齐82可具有多种形式，其基本上相对于静 态支撑环78而限定外圈。偏置组件80允许在侧飞的时候，主轴整流 罩42至少局部地与相对的气流对齐，从而降低了逆转动系统44B上 的载荷，同时在悬停的过程中将主轴整流罩42维持于中心位置内。

参考图4A，另一种逆转动系统44C至少局部地抵消了主轴整流 罩42的转动，该转动在其它情况下可能会发生，由于轴承结构43U、 43L的寄生摩擦的缘故。除了可以如上所述的那样对主轴整流罩进行 逆转动之外，逆转动系统44C可以额外地运行成对控制系统进行响应， 主轴整流罩42的方位角位置可在所有的飞行轮廓中借助该控制系统 而主动地改变。

逆转动系统44C大体上包括可变扭矩发生器系统90、与可变扭矩 发生器系统90导通的控制器92以及与控制器92导通的主轴整流罩 位置传感器94。逆转动系统44C优选地与飞行控制系统96导通，以 便选择性地在方位角上(azimuthally)在所有飞行轮廓中相对于机身14 而放置主轴整流罩42。

参考图4B，可变扭矩发生器系统90优选地包括相对于螺旋桨主 轴12U安装的上电磁扭矩发生器98U，以及相对于螺旋桨主轴12L安 装的下电磁扭矩发生器98L。每个电磁扭矩发生器98U、98L可构件 成具有预定程度的锥度，以便适应主轴整流罩的几何形状，该几何形 状表现为“缩颈”形状或“沙漏”形状(图4C)。每个电磁扭矩发生器 98U、98L安装到相应的轴承结构43U、43L。轴承结构43U、43L优 选地为支撑体，这是由于轴承构造的固有强度与典型加工精度的原 因。

每个电磁扭矩发生器98U、98L包括内支撑结构100，其与相应 的螺旋桨主轴12U、12L一起转动；以及安装到主轴整流罩42上的外 支撑结构102，从而使内支撑结构100相对于外支撑结构102而转动。 每个内支撑结构100支撑着多个永磁块104，永磁块104形成了在方 位角上分布的样式(图4D)。外支撑结构102支撑着电磁定子结构106， 该电磁定子结构106包括一个或多个线圈，该线圈接收由永磁块104 与电磁定子结构106之间的相对转动引起的磁通量励磁仿真。形成于 永磁块104与电磁定子结构106之间的磁剪切运行成选择性地在主轴 整流罩42上提供扭矩。磁剪切与流经电磁定子结构106的电流成正 比，因此剪切可快速并精确地通过对流过自身的电流的控制而得以控 制。

参考图4E，每个电磁扭矩发生器98U、98L与相应的上电流控制 器108U和下电流控制器108L电性导通，该上电流控制器108U和下 电流控制器108L与控制器92导通。控制器92上结合有用于控制主 轴整流罩42的逻辑。控制系统92优选地与飞行系统96(示意性地示 出)导通，以便控制上电流控制器108U和下电流控制器108L。

控制系统92与定位于主轴整流罩42内的方位角位置传感器114 电性导通。方位角位置传感器114优选地与定位于机身14内的参考 发射器116无线导通。传感器114和发射器116优选地提供与两者之 间的间隔成正比例的信号。信号优选地基本上随主轴整流罩42的角 位移而单调，从而使从预定参考位置开始且在第一方向内的位移为正 值，而相对方向内的位移则为负值。从发射器116发射的信号可以仅 仅为比如高频电磁波场，其振幅在空间上变化(并且优选地，振幅与频 率都在空间上变化)，以便提供传感器114所要求的空间变化，从而产 生单调信号。应当理解：“电磁波场”可以包括多种电场，包括光波 场，因此光学传感器(包括观察直接地刷在机身上的预选样式的光学传 感器)可与本发明一起使用。更优选地，由电磁扭矩发生器98U、98L 产生的电流的一部分可用来给控制系统108供电。

在运行时，控制系统92可选择性地通过相应的电阻元件R1、R2 而消耗由电磁扭矩发生器98U、98L中的其中一个产生的电能，从而 使差分磁剪切力产生于电磁扭矩发生器98U与98L之间。即，相应的 电阻元件R1、R2选择性地吸收由相应的电磁扭矩发生器98U、98L 产生的磁剪切力的一部分。

差分磁剪切力导致主轴整流罩42与电磁扭矩发生器98U、98L中 提供相对较大力量的一个一起转动。即，由上电磁扭矩发生器98U与 下电磁扭矩发生器98L产生的扭矩差异导致净扭矩，该净扭矩作用成 使得主轴整流罩42围绕转动轴线A转动。控制系统92上结合有用于 控制主轴整流罩42的逻辑，并且作为对传感器114产生的信号的响 应，而将控制信号供应给上电流控制器108U和下电流控制器108L。

参考图5，另一种逆转动系统44D包括单个电磁扭矩发生器120， 其具有位于上电磁转子盘124U与下电磁转子盘124L之间的公共中心 定子122。经过公共中心定子122的上层126U和下层126L的电流方 向相反，从而使所产生的并且作用于上电磁转子盘124U与下电磁转 子盘124L上的电磁扭矩的方向也相反。因为仅仅需要单个电流控制 器，可获得相对简单的系统。

应当理解：相对的位置术语比如“前向”、“后向”、“上”、 “下”、“上方”、“下方”等是以所展示的结构姿态为参考的，并 且不应当认为是以其它方式进行限制。

应当理解：虽然特定的构件结构公开于所展示的实施例中，其它 结构也将从本发明中受益。

虽然特定的步骤顺序已被展示、描述并要求保护，应当理解：除 非另行指示，步骤可以任何次序执行，且步骤可分离或组合起来，并 且也将从本发明中受益。

以上描述为示例性的，而不是由描述中的限定所限定。考虑到以 上启发，本发明的许多修改与变型是可能的。本发明的优选实施例已 被公开，然而，本领域的技术人员应当认识到一定的修改将落入本发 明范围。因此，应当理解：在附加权利要求的范围内，发明可以特定 描述方式之外的其它方式实施。为此，应当研究以下权利要求，以便 确定本发明的真正范围和内容。

发明背景