(57)【要約】【解決手段】ロータのフラッピングを最適化する方法およびシステムは、コレクティブスティック位置および真の対気速度を利用して、コマンドの長手方向スティック位置を決定する。【選択図】      なし
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）サイクリックコントロールスティックの長手方向サイクリック位置を測定するステップと、
ｂ）コレクティブコントロールスティックのコレクティブ位置を測定するステップと、
ｃ）ロータクラフトの対気速度を測定するステップと、
ｄ）ａ）、ｂ）、およびｃ）で行われた測定を使用して、ロータクラフトが同一のトリム状態にトリム調整されるよう、ロータクラフトの飛行制御面を制御するステップと、
を含む、トリム調整中にロータクラフトの飛行を制御する方法。
【請求項２】
前記ロータクラフトが常に同一の前方フラッピングトリム状態にトリム調整される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ロータクラフトは、ロータクラフト内にかかる重心に関係なく同一の前方フラッピングトリム状態にトリム調整される、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記ロータクラフト飛行制御面はロータクラフトエレベータ構造によって提供される、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
安定操縦増強システム（ＳＣＡＳ）を使用して、前記ロータクラフト飛行制御面の制御に使用される長手方向サイクリック信号を生成するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記ＳＣＡＳによって生成された前記信号をサイクリックコントロールスティックの測定された長手方向サイクリック位置と併用して、実際の長手方向スティック位置を導く方法であって、前記実際の長手方向スティック位置を使用して前記ロータクラフト制御面を制御する、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記測定された対気速度および前記測定されたコレクティブスティック位置を使用して、コマンドの長手方向スティック位置を導く、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記コマンドの長手方向スティック位置と前記実際のスティック位置との差を特定し、その差に基づいて誤差信号を生成するステップをさらに含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記誤差に対気速度の関数であるゲインを掛けることによって、前記誤差を対気速度に対応して増減させるステップをさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記誤差信号の大きさを制限するステップをさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記増減および制限された誤差信号を積分するステップをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記誤差信号の大きさが所定のレベルに下がるまで、前記制限された誤差信号を積分し続けるステップをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記誤差信号の大きさがゼロまで減少する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
積分された誤差信号の出力はコマンドのエレベータ入射角であり、それを使用して前記ロータクラフトのロータフラッピングを制御する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
ａ）前記ロータクラフトのコレクティブスティック位置を測定するステップと、
ｂ）前記ロータクラフトの真の対気速度を測定するステップと、
ｃ）前記ロータクラフトのコレクティブスティック位置および真の対気速度を表す信号を生成するステップと、
ｄ）前記ロータクラフトのコレクティブスティック位置および真の対気速度を表す信号に基づいて、コマンドの長手方向スティック位置を決定するステップと、
を含む、ロータクラフトの飛行用パラメータを決定する方法。
【請求項１６】
前記コマンドの長手方向スティック位置に基づいて、ロータフラッピングのパラメータを決定するステップをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
少なくとも一部は、対気速度および前記ロータへのコレクティブおよび長手方向サイクリック入力に基づいてロータフラッピングの大きさを決定するステップをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
コマンドの長手方向スティック位置および実際の長手方向スティック位置に基づいて、コマンドのエレベータ角を決定するステップをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記実際の長手方向スティック位置は、前記長手方向スティック位置および前記長手方向サイクリックＳＣＡＳ入力を追加することによって決定される、請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２００５年８月３１日提出の米国特許出願１１/２１５，３１７の利益を主張するものであり、その全体を参照することにより本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、海軍省より授与された契約Ｎ０００１９-９６-０１２８の下、政府の支援を得て成された。当該政府は本発明において特定の権利を有する。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
ロータクラフト産業において、例えば屈曲ビームシステムに使用されるようなロータの過剰なフラッピングが、ロータヨークの寿命を著しく縮め得ることが知られている。
【０００４】
最適な飛行制御のためにはロータの屈曲部を曲げる必要があるが、ヨークは極めて高価な交換部品であるため、ヨークの寿命を不要に縮めることなくそのような制御を行うことが望ましい。図１に示されるように、振動ヨーク荷重のわずかな減少がヨークの寿命を著しく延長することが明らかになっている。つまり、累積した振動荷重がヨークの寿命に及ぼす影響は、対数関数である。したがって、平均ヨーク荷重が１０％減少するだけで、ヨークの寿命が約５倍延びることになる。
【０００５】
本発明は、通常の荷重倍数１．０ｇでのトリム飛行中には一般にヨークの疲労ダメージが生じないが、大部分のヨークダメージはマヌーバ中に起こるという認識に基づくものである。特に大部分のダメージは、荷重倍数が１．０ｇ以上になる航空機の上昇マヌーバ中に起こる。これは、一般にそのようなパイロットによるマヌーバが、ロータに対して最も大きい屈曲荷重を最も頻繁にかけることになるためである。表１は、ロータクラフトの使用スペクトル例を示す。表に見られるように、１００飛行時間あたりのプルアウトマヌーバは、プッシュオーバーマヌーバ数を大幅に上回る。例えば、ロータクラフトが正の制限荷重倍数３．５ｇおよび負の制限荷重倍数〜０．５ｇを持つ場合、約２．０ｇの正常な荷重倍数、または１．０ｇの増加をもたらすプルアウトマヌーバの数は、１００飛行時間あたり１５０となる。それに対して、荷重倍数０．０ｇ、または１．０ｇの減少を生じるプッシュオーバーマヌーバの数は１００飛行時間あたり１未満である。
【０００６】
複合ヨークを備える所定のロータシステムの場合、一般にロータを無制限の疲労寿命で維持できるフラッピング角度の範囲がある。この疲労制限は、ロータフラッピングの大きさに適用され、方向または配向にはされない。長手方向のフラッピングは通常、前方飛行中のヘリコプターのロータシステムにおける全体フラッピングに大きく関与する。しかし、飛行状態およびヘリコプターの重心位置によって、フラッピングは前方向または後方向である可能性がある。ヘリコプターが後縁フラッピングしてトリム飛行する（ロータの先端が上方にフラッピングする）場合、上昇マヌーバの影響が最も深刻である。つまり、ヘリコプターが後縁ロータのフラッピングでトリム飛行する場合、ロータシステムは既に、後縁フラッピング疲労制限に向かって偏向された状態で操縦されている。次に、ロータが後縁フラッピング方向に偏向されている状態で上昇マヌーバが実行される場合、フラッピングが疲労制限を越えるので、ロータフラッピングの荷重によって深刻なダメージが生じる。
【０００７】
反対に、ロータが同一の開始トリム状態で前方フラッピング疲労制限に向けて偏向されると、同一の上昇マヌーバによって生成されるヨークの荷重は図３に示されるようにはるかに低くなる。ロータのフラッピングを前方疲労制限に向けて偏向することで、マヌーバによって生成される後縁フラッピングのため、フラッピング疲労制限に近づく、または越える前に上昇マヌーバ中にロータのフラッピンが後方向へ移動するためにクッションを提供する。その結果、ヨークの疲労制限内でロータが作動する時間が著しく増加し、疲労制限を越える頻度およびその度合いが大幅に減少する。
【０００８】
１ｇにおけるトリム飛行状態の場合、長手方向サイクリックコントロール位置、ピッチ姿勢、およびロータのフラッピング状態は、ロータクラフトの重量、重心、高度、および対気速度によって異なる。
【０００９】
例えば航空機の場合、その重心が許容範囲の後縁部分に近いと、先端が上がった位置でトリム調整される傾向があり、望ましくない。
【００１０】
本発明によって有利に、ヘリコプターは、同一の望ましいトリム位置に向けて自動的にトリム調整される。一実施例において、ヘリコプターのロータフラッピングは、前方フラッピング疲労制限に向けて自動的にトリム調整され、上昇マヌーバ中のヨーク荷重のダメージを削減し、全体的なヨークの寿命を延ばす。自動トリミングは、測定された航空機のパラメータのフィードバックに基づいて、エレベータ入射角を調整することにより実現される。測定された航空機パラメータは、ロータのフラッピング状態の指標であり、ロータの最適なフラッピング状態を提供する目標値と比較される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
当然のことながら、ロータのフラッピング状態を効率的且つ確実に測定することは困難である。しかし、ロータのフラッピングが二つの構成要素から成ることは知られている。第一構成要素は、スラスト係数ＣＴおよびロータの進行率（μ）である。ＣＴはロータのコレクティブコントロール位置の関数であり、μはヘリコプターの対気速度の関数である。第二のフラッピング構成要素は、ロータへのサイクリックコントロール入力の関数であり、基本的に長手方向にサイクリックである。そのため、総ロータフラッピングは、長手方向サイクリック入力、コレクティブ位置、および測定された（真の）対気速度を使用して正確に推定できる。有利に、これら三つのパラメータは、大部分のロータクラフトにおいて測定され、容易に入手できるパラメータである。
【００１２】
一実施例では、トランスデューサまたはエンコーダを使用して、長手方向サイクリック位置およびコレクティブコントロール位置が測定される。さらに、対気速度トランスデューサを使用して、ヘリコプターの対気速度を測定することができる。したがって、これらのパラメータによってフラッピング状態を特定および制御できる。
【００１３】
本発明に従って採用されるアルゴリズムに基づき、図４に示す制御法則図に従ってエレベータの入射角が制御される。測定されたコレクティブスティック位置（１）および真の対気速度（２）は、二次元テーブル索引関数（５）に適用される。パイロットによって制御／配置される測定コレクティブスティック位置（１）は、電位差計（または他の類似装置）を用いて測定され、コレクティブスティックの変位に比例する電気信号を飛行制御コンピュータに提供する。測定されたコレクティブスティックの位置は、航空機スラストの測定値（スラスト係数）である。（当該技術分野において周知のとおり）真の対気速度（２）は航空機と大気の相対速度であり、飛行制御コンピュータで使用するための真の対気速度計算処理をする対気速度トランスデューサ（例えば、パイロット静的システム、ＬＡＡＤＳコンピュータ、または他の類似装置）からの信号として測定される。
【００１４】
ロータのフラッピングを制御および／または低減するには、まずそのようなフラッピングを測定することが望ましい。しかし、ロータのフラッピングを直接測定することには問題があり、不正確で費用がかかるため、実践的でないことが実証されている。本発明の一側面に従って、本発明者は以下に記載されるように、ロータのフラッピング、長手方向サイクリック入力、コレクティブコントロール入力、および真の対気速度の間に物理的関係が存在することを認めた。
【００１５】
ロータフラッピング全体は、基本的に二つの構成要素から成る。ロータフラッピングの一構成要素は、ロータへのコレクティブ入力と航空機の対気速度に起因して、ロータクラフトの飛行状態により決定される。この構成要素は分析によって決定し、飛行試験データを通じて検証できる。フラッピングの第二構成要素は、ロータへのサイクリックコントロール入力に起因する。この二つの構成要素の合計が、ロータのフラッピング状態を定義する。本発明の一側面は、既知の値である総ロータフラッピングを制御することである。コレクティブ位置および対気速度に起因するフラッピング構成要素はロータクラフトの飛行状態によって決定されるため、ロータへの長手方向サイクリック入力に起因するフラッピング構成要素は、基本的に、この二つの構成要素の合計が目標フラッピング値と等しくなるように決定することができる。結果として生じるコマンドの長手方向サイクリック位置は、コレクティブ位置および対気速度のあらゆる組み合わせに対して決定できる。実際には、目標フラッピング値があらゆる飛行状態に適合するよう、コマンドの長手方向サイクリック位置を決めることができる。結果として、ロータに対する実際の長手方向サイクリック入力を強制的にコマンドの長手方向スティック位置（Ｘ）に合わせて、ロータのフラッピングを制御できる。
【００１６】
したがって、コレクティブスティック位置（１）および真の対気速度（２）を使用して、コマンドの長手方向スティック位置を決定することができ、実際の長手方向スティック位置（Ｙ）と組み合わせて使用して、ロータのフラッピングを間接的に測定できる。より具体的には、本発明の一側面に従って、二次元テーブル索引関数（５）を利用し、コレクティブスティック位置（１）および真の対気速度（２）を表す入力信号に基づいて、コマンドの長手方向サイクリックスティック位置（Ｘ）を導く。コマンドの長手方向サイクリックスティック位置（Ｘ）は、目標フラッピングと高い静的安定性の両方を同時に実現するため、望ましいまたは理想的な長手方向スティック位置と考えられる。二次元テーブル索引関数（５）は、飛行試験シミュレーションおよび分析、飛行試験データのマッピング、および検証によって確立されるデータで構成される。
【００１７】
パイロットによって制御／配置される実際の測定された長手方向サイクリックスティック位置（３）、および飛行制御システムによってロータ（４）に入力される操縦増強システム（ＳＣＡＳ）を加算装置（８）に適用して、航空機のロータに対する合計または実際の長手方向サイクリック入力を決定する。測定された長手方向サイクリックスティック位置（３）は、電位差計（または他の類似装置）を用いて測定され、長手方向サイクリックスティックの変位に比例する飛行制御コンピュータに対する電気信号に変換される。長手方向サイクリックＳＣＡＳ入力は、電位差計（または他の類似装置）を用いて測定され、長手方向サイクリックＳＣＡＳアクチュエータの変位に比例する飛行制御コンピュータに対する電気信号に変換される。
【００１８】
次に加算装置（８）からの出力信号および二次元テーブル索引関数（５）からの出力を減算装置（６）に適用する。前記減算装置（６）の信号出力は、コマンドの長手方向サイクリック位置と実際の長手方向サイクリック入力との誤差（Ｚ）である。長手方向スティック位置におけるこの信号誤差（Ｚ）を信号乗算器（７）に適用する。この信号乗算器は、前記誤差に関するゲインを提供する。エレベータの空気力学的効果は、対気速度に正比例する。対気速度が上昇するにつれて、前記エレベータはより効果的になり、長手方向サイクリック位置における所定の誤差を排除するために必要な入射角の変更が低減する。そのため、測定された真の対気速度（２）を一次元テーブル索引関数（９）に適用する。一次元テーブル索引関数（９）からの出力は、信号乗算器（７）によって長手方向サイクリック誤差に適用されるゲインまたは倍率を表す。ゲインの大きさは対気速度が上昇するにつれて減少し、結果として、所定の長手方向サイクリック位置の誤差に対し、より高い速度おいてエレベータ速度が減少する。
【００１９】
信号乗算器（７）の出力は、エレベータの運動速度として考慮してよい。信号乗算器（７）からのこの出力を信号制限器（１０）に提供して、エレベータの運動速度を制御または制限し、それによって航空機の過剰な外乱を回避する。
【００２０】
信号制限器（１０）の出力は、積分器（１１）に供給される。積分器（１１）は、長手方向サイクリックスティック位置の誤差（Ｚ）が十分に低下する（ゼロに至る、またはほぼゼロになる）までコマンドの積分およびエレベータの運動を続ける。つまり、長手方向サイクリック誤差がなくなり、望ましいロータフラッピング状態が得られるまでエレベータの入射角を調整する。積分器（１１）の出力は、コマンドのエレベータ入射角（１２）である。この方法は、ロータのフラッピングをフォワード疲労制限に向けて偏向し、上昇マヌーバ中に、ヨークにほとんどダメージを与えることなく後方のフラッピングを許す能力を提供する。
【００２１】
異なる実施例において、ヘリコプターはそれぞれ望ましいトリム姿勢に自動的にトリム調整される。例えば、ヘリコプターはそのピッチ姿勢が常に水平となるよう、自動的にトリム調整できる。これを行うために、長手方向サイクリック誤差をピッチ姿勢誤差、つまり、航空機の実際のピッチ姿勢と望ましいピッチ姿勢との差と置き換える。
【００２２】
別の実施例において、ヘリコプターが常に選択されたピッチ姿勢（例えば、常に５°下降状態）であって、特定のヘリコプター機能（例えば、攻撃機能）のためにより良い視界が得られるよう、ヘリコプターを自動的にトリム調整できる。別の実施例において、ロータクラフトの先尾翼またはマスト傾斜を使用して、航空機のピッチングモーメントを調整し、望ましいロータフラッピングまたはピッチ姿勢を実現する。
【００２３】
本発明は、上述の利点を実現すると同時に、前記航空機の長手方向の静的安定性を明らかに定義する能力を提供する。本発明において実行される制御アルゴリズムは、測定されたコレクティブコントロール位置および対気速度の関数として、望ましい長手方向サイクリック位置を決定する。その結果、前記アルゴリズムは所定の一括設定について、対気速度に対する長手方向サイクリック勾配を定義する。これは静的縦安定の定義である。この利点は、前記航空機の積極的な姿勢安定性を維持しながら実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】ロータ荷重がロータ疲労寿命にもたらす影響を示すグラフである。
【図２】ロータクラフトの使用スペクトル例を表す。
【図３】公称ロータフラッピングの場合、およびロータがフォワードフラッピングに対して偏向される場合における、様々なマヌーバの重力加速度に対するロータヨークの荷重を示すグラフである。
【図４】本発明の一実施例に従って採用される方法およびシステムを表す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【手続補正書】
【提出日】平成19年12月19日(2007.12.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）サイクリックコントロールスティックの長手方向サイクリック位置を測定するステップと、
ｂ）コレクティブコントロールスティックのコレクティブ位置を測定するステップと、
ｃ）ロータクラフトの対気速度を測定するステップと、
ｄ）ａ）、ｂ）、およびｃ）で行われた測定値を使用して、ロータクラフトが同一の前方フラッピングトリム状態にトリム調整されるよう、ロータクラフトの飛行制御面を制御するステップと、
を含む、トリム調整中にロータクラフトの飛行を制御する方法。
【請求項３】
前記ロータクラフトは、ロータクラフト内にかかる重心に関係なく同一の前方フラッピングトリム状態にトリム調整される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記ロータクラフト飛行制御面はロータクラフトエレベータ構造によって提供される、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
安定操縦増強システム（ＳＣＡＳ）を使用して、前記ロータクラフト制御面の制御にも使用される長手方向サイクリック信号を生成するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記ＳＣＡＳによって生成された前記信号を、 測定されたサイクリックコントロールスティックの長手方向サイクリック位置と併用して、実際の長手方向スティック位置を導く方法であって、前記実際の長手方向スティック位置を使用して前記ロータクラフト制御面を制御する、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記測定された対気速度および前記測定されたコレクティブスティック位置を使用して、コマンドの長手方向スティック位置を導く、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記コマンドの長手方向スティック位置と前記実際のスティック位置との差を特定し、その差に基づいて誤差信号を生成するステップをさらに含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記誤差に対気速度の関数であるゲインを掛けることによって、前記誤差を対気速度に対応して増減させるステップをさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記誤差信号の大きさを制限するステップをさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記増減および制限された誤差信号を積分するステップをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記誤差信号の大きさが所定のレベルに下がるまで、前記制限された誤差信号を積分し続けるステップをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記誤差信号の大きさがゼロまで減少する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
積分された誤差信号の出力はコマンドのエレベータ入射角であり、それを使用して前記ロータクラフトのロータフラッピングを制御する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
ａ）前記ロータクラフトのコレクティブスティック位置を測定するステップと、
ｂ）前記ロータクラフトの真の対気速度を測定するステップと、
ｃ）前記ロータクラフトのコレクティブスティック位置および真の対気速度を表す信号を生成するステップと、
ｄ）前記ロータクラフトのコレクティブスティック位置および真の対気速度を表す信号に基づいて、コマンドの長手方向スティック位置を決定するステップと、
を含む、ロータクラフトの飛行用パラメータを決定する方法。
【請求項１６】
前記コマンドの長手方向スティック位置に基づいて、ロータフラッピングのパラメータを決定するステップをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
少なくとも一部は、対気速度および前記ロータへのコレクティブおよび長手方向サイクリック入力に基づいてロータフラッピングの大きさを決定するステップをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
コマンドの長手方向スティック位置および実際の長手方向スティック位置に基づいて、コマンドのエレベータ角を決定するステップをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記実際の長手方向スティック位置は、前記長手方向スティック位置および安定操縦増強システム（ＳＣＡＳ）によって生成された前記長手方向サイクリック入力を追加することによって決定される、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
ａ）サイクリックコントロールスティックの長手方向サイクリック位置を測定するステップと、
ｂ）コレクティブコントロールスティックのコレクティブ位置を測定するステップと、
ｃ）ロータクラフトの対気速度を測定するステップと、
ｄ）ロータクラフトの前記コレクティブスティック位置および前記真の対気速度の測定値に基づいて、コマンドの長手方向スティック位置を決定するステップと、
ｄ）サイクリックコントロールスティックの長手方向サイクリック位置の測定値、および決定されたコマンドの長手方向スティック位置に基づいて、ロータクラフトが同一トリム状態にトリム調整されるように、ロータクラフト飛行制御面を制御するステップと、
を含む、トリム調整中にロータクラフトの飛行を制御する方法。
【請求項２１】
テーブル索引関数を使用して、前記コマンドの長手方向スティック位置を決定する、請求項２０に記載の方法。
【国際調査報告】
2009505900.tif 000007
2009505900.tif 000008