一种主动抗风共轴直升机及主动抗风姿态控制方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN107521680A(43)申请公布日2017.12.29(21)申请号201710614760.5(22)申请日2017.07.26(71)申请人北京理工大学地址100081北京市海淀区中关村南大街5号(72)发明人牛三库孙华飞(74)专利代理机构北京理工正阳知识产权代理事务所(普通合伙)11639代理人唐华(51)Int.Cl.B64C27/10(2006.01)B64C17/00(2006.01)权利要求书2页说明书5页附图3页(54)发明名称一种主动抗风共轴直升机及主动抗风姿态控制方法(57)摘要本发明公开的一种主动抗风共轴直升机及主动抗风姿态控制方法，明属于飞行器设计技术领域。本发明公开的一种主动抗风共轴直升机，包括上旋翼、下旋翼、机体；还包括直升机机体俯仰方向风阻反应轮和直升机机体滚转方向风阻反应轮。俯仰方向风阻反应轮安装在共轴直升机俯仰轴上，用于主动抵消不稳定流场引起的共轴直升机在俯仰方向姿态扰动力矩。滚转方向风阻反应轮安装在共轴直升机滚转轴上，用于主动抵消不稳定流场引起的共轴直升机在滚转方向姿态扰动力矩。本发明还公开一种用于主动抗风共轴直升机的主动抗风姿态控制方法。本发明目的是提供一种无平衡锤，无方向盘的主动抗风共轴直升机，提高共轴直升机在恶劣天气不稳定流场中飞行安全性。CN107521680ACN107521680A权利要求书1/2页1.一种主动抗风共轴直升机，包括上旋翼(3)、下旋翼(4)、机体(5)，上旋翼(3)，下旋翼(4)安装于机体(5)上，上旋翼(3)与下旋翼(4)的转动方向相反；其特征在于：还包括直升机机体俯仰方向风阻反应轮(7)和直升机机体滚转方向风阻反应轮(6)；所述的直升机机体俯仰方向风阻反应轮(7)安装在共轴直升机俯仰轴上，用于主动抵消不稳定流场引起的共轴直升机在俯仰方向姿态扰动力矩；所述的直升机机体滚转方向风阻反应轮(6)安装在共轴直升机滚转轴上，用于主动抵消不稳定流场引起的共轴直升机在滚转方向姿态扰动力矩。2.如权利要求1所述的一种主动抗风共轴直升机，其特征在于：所述的直升机机体俯仰方向风阻反应轮(7)安装位置需使用于主动抵消不稳定流场引起的共轴直升机在俯仰方向姿态扰动力矩在螺旋桨升力面上存在分量；所述的直升机机体滚转方向风阻反应轮(7)安装位置需使用于主动抵消不稳定流场引起的共轴直升机在滚转方向姿态扰动力矩在螺旋桨升力面上存在分量。3.如权利要求2所述的一种主动抗风共轴直升机，其特征在于：所述的直升机机体俯仰方向风阻反应轮(7)、直升机机体滚转方向风阻反应轮(6)选结构相同的风阻反应轮，所述的风阻反应轮包括基轮(1)和叶片(2)；当风阻反应轮旋转时，叶片(2)受到风阻的作用；风阻反应轮转动时，空气产生阻碍效应作用于风阻反应轮叶片(2)的迎风面，累积起来形成与风阻反应轮运动相反的力矩；风阻反应轮产生与风阻反应轮转动角速率相反的力矩τ，所述的力矩用于主动抵消不稳定流场。4.如权利要求3所述的一种主动抗风共轴直升机，其特征在于：所述的力矩大小与风阻反应轮的转动角速率、风阻反应轮的结构半径和风阻反应轮的气动阻力系数成正相关，需满足如为公式(1)所示的关系23τ＝-CDωR(1)风阻反应轮的效率表述为公式(2)其中I为风阻反应轮的转动惯量；其中，τ是反应力矩，-表示反应力矩与旋转方向相反，CD是反应力矩系数，ω是反应轮转动角速率，R是反应轮的等效半径。5.如权利要求1、2、3或4所述的一种主动抗风共轴直升机，其特征在于：所述的直升机机体俯仰方向风阻反应轮(7)、直升机机体滚转方向风阻反应轮(6)安装数量根据使用需要而定。6.一种用于主动抗风共轴直升机的主动抗风姿态控制方法，其特征在于：用于权利要求1、2、3或4所述的一种主动抗风共轴直升机，所述的主动抗风共轴直升机在恶劣气象不稳定流场中飞行，当滚转方向受到不稳定流场扰动力矩δφ的影响，根据牛顿第二定律，共轴直升机机体(5)会产生滚转方向上的运动，引起滚转姿态φ波动；控制器Cφ根据机体姿态传感器检测到的滚转姿态φ和滚转指令φc之间的误差以及特定的控制律控制滚转方向风阻反应轮(6)，产生相应的反作用力矩τφ，用以抵消不稳定流场作用的扰动力矩δφ的影响，实现主动抗风；同理，当俯仰方向受到不稳定流场扰动力矩δθ的影响，根据牛顿第二定律，共轴直升机2CN107521680A权利要求书2/2页机体(5)会产生俯仰方向上的运动，引起俯仰姿态θ波动；控制器Cθ根据机体姿态传感器检测到的俯仰姿态θ和滚转指令θc之间的误差以及特定的控制律控制俯仰方向风阻反应轮(7)，产生相应的反作用力矩τθ，用以抵消不稳定流场作用的扰动力矩δθ的影响，实现主动抗风。3CN107521680A说明书1/5