[发明专利]一种用于旋转机翼飞机的多输入多输出动力系统及控制方法

说明书

本发明提出一种用于旋转机翼飞机的多输入多输出动力系统及控制方法，包括旋翼、提供前飞动力的螺旋桨、在旋转机翼飞机固定翼飞行模式阶段为螺旋桨提供动力的主动力源、在旋转机翼飞机垂直起降阶段与主动力源共同为旋翼提供动力的辅动力源，以及从主动力源到螺旋桨的前传动机构和从主动力源、辅动力源到旋翼的主传动机构。本发明采用多个动力来源，如燃油发动机与电动机，通过动力系统变速装置将多个动力源进行功率汇流及分流，并根据旋转机翼飞机的不同飞行阶段，采用不同的控制策略进行功率再分配，形成多输入功率汇流分流和通过控制分配实现多输出需求的综合动力系统，达到既可以满足旋翼模式的大功率需求，也可以在固定翼模式使动力系统工作在最优经济状态。

技术领域

本发明涉及旋转机翼飞机技术领域，尤其涉及中大型旋转机翼飞机的动力匹配技术，具体来说是一种用于旋转机翼飞机的多输入多输出动力系统及控制方法。

背景技术

旋转机翼飞机是一种兼具直升机的垂直起降性能和固定翼飞机的高速巡航性能的新型无人飞机。专利号为ZL201110213680.1，名称为《一种飞行模式可变的旋转机翼飞机》的中国专利就是一种典型机型。该飞机具有三翼面的气动布局。其中，主机翼在直升机飞行模式下，可以作为旋翼旋转为飞机提供需要的拉力，同时，当飞机具有一定飞行速度后，又可以锁定为固定翼，实现固定翼的高效率飞行。因此，在起飞和降落阶段，飞机采用旋翼飞行模式，在巡航和任务阶段，采用固定翼飞行模式。

该飞机经过多年研究，目前需要继续设计大、中型旋转机翼无人机，在这一阶段，申请人在实际研究过程中遇到以下问题：

旋转机翼飞机在旋翼模式所需功率较大，而固定翼模式所需功率相对较小，如果使用一个单一动力装置难以保证其工作在最优状态。

例如，若使用一个燃油发动机同时作为两种模式下的驱动力，在旋翼模式下可以发挥发动机的最大功率，而在巡航阶段发动机可能会处于接近慢车的不利工作状态，动力浪费严重，并且发动机效率和使用寿命下降。

又如，若使用一台电动机同时作为两种模式下的驱动力，由于电池的能量密度较低，飞机固定翼模式的巡航时间会大大缩短。

容易想到的是，在旋转机翼飞机中采用类似于目前油电混合动力汽车驱动方式的动力模式，但实际分析发现，类似于油电混合动力汽车的驱动及传动系统在旋转机翼飞机中应用时，还存在很多问题：

1、结构质量很重，例如现有实现不同动力源接入和断开的摩擦式离合器结构就非常重，难以满足旋转机翼飞机起飞重量要求。

2、油电混合动力汽车中的电力驱动部分实际上还是仅仅起到辅助节油的作用，设计状态单一；而旋转机翼飞机存在多个飞行阶段，在不同飞行阶段下，其对应的输入功率需求是不同的，所以要根据不同飞行阶段的需求对多个输入源进行综合设计，设计状态复杂。

3、油电混合动力汽车的动力系统输出是单一输出，输出形式简单，不适用于旋转机翼飞机的多输出需求；而在旋转机翼飞机中，由于存在多个飞行阶段，在动力系统上需要有主旋翼、前拉/后推螺旋桨、尾桨等动力输出装置，有必须在设计时进行区别于现有油电混合动力汽车单一输出的多输出设计。而且考虑到旋转机翼飞机在不同飞行阶段中，实际使用的动力输出装置是不同的，存在动力输出装置切换的过程，因此在进行多输出设计时，既要能够进行多输出之间的动态分配，又要能够避免动力输出装置动态切换时出现的耦合问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种用于旋转机翼飞机的多输入多输出动力系统及控制方法，采用多个动力来源，如燃油发动机与电动机等，通过动力系统变速装置将多个动力源进行功率汇流及分流，并根据旋转机翼飞机的不同飞行阶段，采用不同的控制策略进行功率再分配，形成多输入功率汇流分流和通过控制分配实现多输出需求的综合动力系统，达到既可以满足旋翼模式的大功率需求，也可以在固定翼模式使动力系统工作在最优经济状态。

本发明的技术方案为：