直升機(jī)外吊掛貨物掛鉤專利技術(shù)分析

徐京海，胡敦遠(yuǎn)

(中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

直升機(jī)由于執(zhí)行多種任務(wù)的需要，經(jīng)常配備外吊掛系統(tǒng)，通過外吊掛系統(tǒng)對(duì)大件或笨重的貨物進(jìn)行運(yùn)輸，例如吊運(yùn)火炮、突擊車等進(jìn)行特種作戰(zhàn)，吊運(yùn)彈藥、油料、食品等進(jìn)行物資補(bǔ)給，吊運(yùn)工程機(jī)械、砂石、滅火吊桶等進(jìn)行搶險(xiǎn)救災(zāi)。外吊掛系統(tǒng)是直升機(jī)和外掛貨物之間的橋梁，主要由貨物掛鉤裝置、控制盒和控制電路、狀態(tài)和信息提示、吊索吊網(wǎng)等部件組成，其中貨物掛鉤是系統(tǒng)的重要部件。

直升機(jī)的吊掛飛行與非吊掛飛行狀態(tài)相比，氣動(dòng)、重力、振蕩固有頻率等均產(chǎn)生了變化。為保證吊掛飛行的安全，要求外吊掛系統(tǒng)吊運(yùn)安全可靠，在飛行過程中不能出現(xiàn)吊掛物意外脫落，給地面人財(cái)物帶來?yè)p傷。外吊掛系統(tǒng)需要滿足快速投放要求，在吊掛飛行過程中，若直升機(jī)出現(xiàn)緊急情況，應(yīng)能快速釋放外掛物，保證直升機(jī)的安全。所以外吊掛系統(tǒng)需進(jìn)行余度設(shè)計(jì)，具有正常電氣投放、應(yīng)急電氣投放和手動(dòng)機(jī)構(gòu)投放功能。貨物掛鉤的吊掛投放驅(qū)動(dòng)有電磁鐵驅(qū)動(dòng)、力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、爆炸帽驅(qū)動(dòng)和操縱鋼索驅(qū)動(dòng)等多種方式。貨物掛鉤裝置是實(shí)現(xiàn)這投放功能的執(zhí)行部件，通常由承力梁、自鎖連桿機(jī)構(gòu)、彈簧復(fù)位機(jī)構(gòu)、應(yīng)急釋放機(jī)構(gòu)(爆炸帽)、電磁鐵或力矩電機(jī)等組成。有的貨物掛鉤還集成稱重傳感器，實(shí)時(shí)向直升機(jī)輸出吊掛載荷，為飛行員提供吊掛載荷的變化情況。

直升機(jī)外吊掛系統(tǒng)有單點(diǎn)吊掛和多點(diǎn)吊掛等構(gòu)型。中型、輕型直升機(jī)一般采用單點(diǎn)吊掛，只在直升機(jī)重心下方安裝一個(gè)貨物掛鉤裝置。為適應(yīng)更多的貨物種類，獲得更好的吊掛飛行品質(zhì)，重型直升機(jī)會(huì)采用多點(diǎn)吊掛，在直升機(jī)重心下方安裝主貨物掛鉤，并在對(duì)稱直升機(jī)重心的位置安裝前、后貨物掛鉤，如美國(guó)CH-53E“超級(jí)種馬”、CH-53K“種馬王”、CH-47D“支奴干”等。不過，原蘇聯(lián)設(shè)計(jì)的米-26“光環(huán)”重型直升機(jī)，憑借其強(qiáng)大的動(dòng)力，依然采用單點(diǎn)吊掛系統(tǒng)。

重型直升機(jī)要求的內(nèi)載及外吊掛一般在10噸左右或更高，提升直升機(jī)外吊掛能力是我國(guó)重型直升機(jī)研究的重要一環(huán)。專利技術(shù)代表著現(xiàn)有技術(shù)中具有創(chuàng)新性的技術(shù)。截至2018年6月份，筆者共計(jì)檢索到全球?qū)＠?9件，合并同族后有45項(xiàng)。圖1給出了該技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的專利地域分布趨勢(shì)?？梢钥闯觯绹?guó)在該技術(shù)領(lǐng)域的專利公開數(shù)量最多，有27件，占比近一半；中國(guó)、歐專局、韓國(guó)、加拿大等國(guó)家和地區(qū)有少量專利布局。

圖1 全球?qū)＠季?/p>

1 國(guó)內(nèi)外吊鉤專利技術(shù)現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)較為領(lǐng)先的兩大直升機(jī)巨頭分別為西科斯基公司和貝爾公司，以下分別就兩個(gè)公司的貨物掛鉤技術(shù)研發(fā)現(xiàn)狀進(jìn)行具體分析。

西科斯基公司的技術(shù)研發(fā)主要集中于掛鉤機(jī)構(gòu)、自動(dòng)貨物鉤釋放組件以及用于外部貨鉤系統(tǒng)的機(jī)械應(yīng)急雙釋放機(jī)構(gòu)。機(jī)械應(yīng)急雙釋放機(jī)構(gòu)是西科斯基公司在20世紀(jì)90年代研發(fā)的一項(xiàng)掛鉤技術(shù)，于90年代末期獲得初步成效。這種機(jī)械緊急雙重釋放機(jī)構(gòu)與直升機(jī)外部貨物吊鉤系統(tǒng)結(jié)合使用，包括用于拋棄外部附接貨物的貨物吊鉤組件。貨物吊鉤組件包括：用于將雙重釋放機(jī)構(gòu)安裝成剛性的接口構(gòu)件與貨鉤組件的組合結(jié)構(gòu)，與接口構(gòu)件剛性組合安裝的滑輪軸，安裝成與滑輪軸可旋轉(zhuǎn)組合的駕駛艙滑輪組件，以及位移傳遞構(gòu)件，可操作地互連駕駛艙滑輪組件和機(jī)艙滑輪組件。機(jī)艙滑輪組件功能性地互連到貨鉤組件，并且響應(yīng)由駕駛艙滑輪組件或機(jī)艙滑輪組件產(chǎn)生的機(jī)械刺激來操作，以啟動(dòng)貨鉤組件，拋棄外部附接的貨物。

如圖2所示，由a)到b)為貨物應(yīng)急拋放過程。其中，滑輪22連接到駕駛艙，為主動(dòng)件，帶動(dòng)壓銷50′和從動(dòng)輪32運(yùn)動(dòng)。

圖2 應(yīng)急雙釋放機(jī)構(gòu)透視圖

直到2010年之后，西科斯基的另一項(xiàng)新的外部掛鉤才獲得突破性進(jìn)展。當(dāng)時(shí)，研發(fā)人員發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有吊掛飛行狀態(tài)下，外吊掛貨物對(duì)直升機(jī)平穩(wěn)飛行存在較大影響，主要原因在于傳統(tǒng)的外部貨物鉤系統(tǒng)將貨鉤定位在飛機(jī)機(jī)身的下腹部?jī)?nèi)。安裝在腹部的貨鉤將掛鉤系統(tǒng)載荷轉(zhuǎn)移到飛機(jī)機(jī)艙的開放貨物空間周圍，然后傳遞到飛機(jī)機(jī)身的上部。這種方式雖然對(duì)于吊掛貨物簡(jiǎn)單、有效，但這種間接載荷路徑可能會(huì)響應(yīng)某些飛行載荷，并在機(jī)身上施加不良應(yīng)力。而其他傳統(tǒng)貨鉤系統(tǒng)則將框架結(jié)構(gòu)定位在飛機(jī)機(jī)艙的上部，雖然這提供了通過機(jī)身的更直接的負(fù)載路徑，但懸架可以在機(jī)艙內(nèi)擺動(dòng)，使得機(jī)身腹部需要相對(duì)較大的開口以適應(yīng)該運(yùn)動(dòng)?；谏鲜鋈毕?，研發(fā)團(tuán)隊(duì)在下框架界面和上框架界面之間設(shè)置了一個(gè)張力構(gòu)件(圖3)。該張力構(gòu)件可操作地在下框架界面和上框架界面之間傳遞張力負(fù)荷，從而使得機(jī)身腹部的開口可以開得相對(duì)較小。

圖3 具有張力構(gòu)件的貨物掛鉤

同一時(shí)期，西科斯基公司的具有自動(dòng)貨鉤釋放組件的系統(tǒng)研發(fā)也獲得突破。通常垂直起降飛機(jī)可以有三個(gè)外部貨物掛鉤(懸掛點(diǎn))，可以在飛機(jī)底部縱向移動(dòng)。一個(gè)位于飛機(jī)重心前方的中心線上(前鉤)，一個(gè)位于中心線上飛機(jī)重心(中央吊鉤)位置，一個(gè)在重心后方(尾鉤)的中心線上。在單點(diǎn)懸掛系統(tǒng)中，外部貨物可以獨(dú)立連接到任何吊鉤上，每個(gè)吊鉤攜帶最多三個(gè)獨(dú)立連接的貨物負(fù)載。然而，在多點(diǎn)懸掛的情況下，典型地，前鉤附接到貨物的前部，而后鉤以“Y”形布置附接到貨物的后部。這種安排穩(wěn)定了偏航軸線上的貨物，從而顯著降低了貨物左右擺動(dòng)的能量。

參考圖4，具有貨鉤釋放系統(tǒng)(105)的直升機(jī)(100)，貨鉤釋放系統(tǒng)連接到三點(diǎn)懸掛系統(tǒng)(110)上。直升機(jī)可以利用兩個(gè)貨鉤吊墜連接到附接到懸架系統(tǒng)(110)的兩個(gè)單獨(dú)的外部貨物(115/120)。在其中一個(gè)方案中，貨鉤釋放系統(tǒng)(105)包括可操作地連接到飛行控制計(jì)算機(jī)(160)(“FCC 160”)和手動(dòng)貨鉤控制接口(150)的自動(dòng)貨物釋放吊帶組件(170)上。手動(dòng)貨鉤控制接口(150)包括艙鉤控制器、線束和連接器(未示出)，耦合到位于直升機(jī)的機(jī)艙中的現(xiàn)有飛機(jī)部件上。另一個(gè)方案中，自動(dòng)貨物釋放吊帶組件(170)包括繼電器(210)，可以在正常飛行條件下選擇性地接收信號(hào)，以便實(shí)現(xiàn)手動(dòng)貨物釋放。繼電器(210)在線路(230)上接收到電流時(shí)建立或斷開與線路的連接。手動(dòng)貨鉤控制接口(150)用于接收來自客艙鉤控制器的緊急信號(hào)，還用于手動(dòng)緊急釋放連接到相應(yīng)貨鉤組件的一個(gè)或兩個(gè)負(fù)載。

圖4 自動(dòng)貨鉤釋放組件

貝爾直升機(jī)公司在貨物掛鉤技術(shù)領(lǐng)域的研究集中在20世紀(jì)90年代初期或者更早，研發(fā)團(tuán)隊(duì)由EDWIN Z帶領(lǐng)。獲得的成果主要包括用于懸掛負(fù)載的自動(dòng)致動(dòng)的貨物掛鉤裝置和手動(dòng)引導(dǎo)系統(tǒng)，鉗狀貨物鉤裝置與自動(dòng)裝載部件，以及具有自動(dòng)裝載和卸載裝置能力的鉗式貨物掛鉤這幾方面。

自動(dòng)致動(dòng)及手動(dòng)引導(dǎo)系統(tǒng)，提供了一種帶有上部和下部以及樞軸銷和輪轂的改進(jìn)的電纜撬鉤裝置，能夠比以前的設(shè)計(jì)更好地抓取負(fù)載電纜。它的夾鉗式配置可以結(jié)合磁性錘頭，頂部的重量和拉伸彈簧共同作用，以便在懸掛貨物接觸到平臺(tái)時(shí)幫助迫使其下部(包括鉗口)分離。為確保負(fù)載電纜被夾住，從樞軸銷的一個(gè)或兩個(gè)輪轂懸掛一塊棒狀磁體。一個(gè)黑色金屬負(fù)載電纜被懸掛的磁鐵吸引，并保持到位，直到裝置的鉗口關(guān)閉。參考圖5，一人拿著一根帶有鉤子的長(zhǎng)桿將設(shè)備引導(dǎo)到負(fù)載電纜的位置，當(dāng)?shù)蹉^到達(dá)連接到負(fù)載電纜時(shí)，該設(shè)備被降低以與其接觸，隨后在磁鐵的幫助下，電纜迅速被抓住并被吊起。

自動(dòng)裝載方面，貝爾直升機(jī)研發(fā)了一款鉗狀貨物鉤裝置。圖6為具有通過螺紋部分9和9′連接有錘頭6和6′的桿5和5′的裝置示意圖。細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件1和2通過銷10樞轉(zhuǎn)在一起，并在下部相互重疊。上部1′可能需要加強(qiáng)以確?？梢詳y帶期望的懸掛貨物。管狀支撐構(gòu)件15用于打開掛鉤，彈簧21用于復(fù)位。管狀支撐構(gòu)件15的強(qiáng)度只需能支撐裝置20和所遇到的任何動(dòng)態(tài)力，并防止其在側(cè)面傾倒。構(gòu)件15能夠在孔24′內(nèi)旋轉(zhuǎn)，其中止動(dòng)件28用于將構(gòu)件15的角運(yùn)動(dòng)限制到大約60°。

圖6 鉗狀貨物鉤示意圖

可以看出，西科斯基與貝爾直升機(jī)兩家公司分別在貨物掛鉤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及掛鉤釋放方面有著深入研究。國(guó)外其它公司的研發(fā)方向還包括靜電放電/靜電接地，鏈路，安全等方面。

相比而言，國(guó)內(nèi)在貨物掛鉤方面的研究較少。就目前公開的專利文獻(xiàn)來看，其研發(fā)方向主要集中在掛鉤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制方法上。例如，哈爾濱飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司對(duì)安全掛鉤組件進(jìn)行了研究；中航電測(cè)儀器股份有限公司開展了貨物掛鉤控制的研究等。

2 技術(shù)創(chuàng)新及專利挖掘

專利挖掘是基于技術(shù)創(chuàng)新又先于技術(shù)創(chuàng)新，布局策劃是一項(xiàng)復(fù)雜而專業(yè)的工作，對(duì)企業(yè)專利申請(qǐng)策略具有非常重要的意義。目前國(guó)內(nèi)專利布局基本沿用路障式、圍欄式、地毯式等展開，以形成對(duì)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的全面狙擊。也有采用確定關(guān)鍵部件—確定關(guān)鍵技術(shù)—制定初步布局方案—分析規(guī)避可能性以確定最終布局方案[1]的。筆者認(rèn)為，好的專利布局不僅需要考慮競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的技術(shù)研發(fā)現(xiàn)狀，還需要從核心技術(shù)及外圍技術(shù)方面全方位考慮。至于如何將技術(shù)與專利挖掘相結(jié)合，則又須根據(jù)專利申請(qǐng)的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行。針對(duì)貨物掛鉤這一直升機(jī)關(guān)鍵技術(shù)，本文從專利申請(qǐng)常用主題入手，為國(guó)內(nèi)技術(shù)創(chuàng)新方向以及申請(qǐng)人專利布局提供些許建議。

1)針對(duì)貨物掛鉤數(shù)量、結(jié)構(gòu)、材料進(jìn)行改進(jìn)

掛鉤的結(jié)構(gòu)以及由該結(jié)構(gòu)所體現(xiàn)的掛鉤的釋放或掛載方法存在較多的研發(fā)可能。對(duì)于重型直升機(jī)來講，考慮到掛載強(qiáng)度等問題，可以從掛鉤的數(shù)量入手進(jìn)行分析，由多個(gè)掛鉤的分布及特性可以引申出新的結(jié)構(gòu)特征，由此帶來的多吊掛或多掛鉤下如何保證多點(diǎn)吊掛的同時(shí)釋放的問題又會(huì)引入到對(duì)控制系統(tǒng)的研究；再例如從掛鉤的強(qiáng)度入手，可以引申出采用新的材料，或者采用新的過渡結(jié)構(gòu)來提高掛鉤強(qiáng)度。

2)針對(duì)貨物掛鉤的用途進(jìn)行專利布局

現(xiàn)有的貨物掛鉤所抓取的貨物的形式要求比較嚴(yán)格，一般采用繩索式結(jié)構(gòu)進(jìn)行掛載。考慮到貨物結(jié)構(gòu)的不同，針對(duì)其特定結(jié)構(gòu)研制具有不同抓取特性及結(jié)構(gòu)形式的新型掛鉤勢(shì)在必行。

3)針對(duì)直升機(jī)外吊掛對(duì)直升機(jī)的影響進(jìn)行掛鉤結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

西科斯基公司的研究中就包括了針對(duì)外吊掛貨物對(duì)直升機(jī)平穩(wěn)飛行存在較大影響而進(jìn)行改進(jìn)的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)從宏觀連接結(jié)構(gòu)對(duì)直升機(jī)平穩(wěn)飛行的影響開展分析。然而平穩(wěn)飛行是需要多方面考慮的，例如當(dāng)?shù)鯍熘匚飼r(shí)，直升機(jī)運(yùn)動(dòng)及外界干擾等都會(huì)引起負(fù)載和振蕩，這種振蕩甚至?xí)碇鄙龣C(jī)速度振蕩[2]。直升機(jī)在吊掛飛行時(shí)所受的振動(dòng)影響如何消除？掛鉤是否可以進(jìn)行減振設(shè)計(jì)？被動(dòng)減振還是主動(dòng)減振？以及振動(dòng)抑制所涉及的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)加入到直升機(jī)后的動(dòng)力學(xué)分析、試驗(yàn)驗(yàn)證過程等，均是需要考慮的重點(diǎn)。

4)針對(duì)直升機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)

從控制原理來講，控制系統(tǒng)一般包括信號(hào)接收、信號(hào)處理、信號(hào)發(fā)送、信號(hào)執(zhí)行四個(gè)步驟。西科斯基公司及貝爾直升機(jī)公司均在控制貨物掛鉤掛起及釋放方面獲得了技術(shù)突破。控制過程中的信號(hào)處理具有更為廣闊的研發(fā)及專利布局前景。這可以從發(fā)明目的及技術(shù)手段實(shí)施兩方面來講：前者包括例如如何使抓取或釋放更加快速，如何保證多點(diǎn)掛鉤同時(shí)或延時(shí)釋放等；后者例如多種算法在掛鉤釋放過程中的運(yùn)用。這兩者是相輔相成的，瞬間拋放(發(fā)射)貨物后，吊索張力和吊索擺動(dòng)角將發(fā)生變化。由于總重的急劇減少，直升機(jī)在三維空間產(chǎn)生加速[3]。降低擺動(dòng)幅度可以從信號(hào)處理與總控系統(tǒng)的結(jié)合入手。對(duì)這些過程所涉及的建模、分析及應(yīng)用都可以進(jìn)行專利挖掘，例如信號(hào)接收步驟中的確定貨物掛鉤運(yùn)動(dòng)到位的方法，是否需要在掛鉤上設(shè)計(jì)信號(hào)觸發(fā)裝置等。在控制技術(shù)方面，只要理論上具有可行性，無須等到試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)束即可優(yōu)先布局專利。

3 結(jié)論

我國(guó)近年來的各種型號(hào)直升機(jī)產(chǎn)品在上市之前都布局了大量專利。針對(duì)型號(hào)進(jìn)行專利技術(shù)布局具有覆蓋面廣的優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)具體技術(shù)聚焦程度不足，不能針對(duì)特定技術(shù)進(jìn)行深度挖掘。

通過對(duì)西科斯基及貝爾直升機(jī)的貨物掛鉤技術(shù)現(xiàn)狀分析可以看出，國(guó)外競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的研發(fā)及專利申請(qǐng)既考慮到了產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，又考慮到了產(chǎn)品的使用或控制方法?？紤]到我國(guó)專利布局的多樣化特性，在貨物掛鉤技術(shù)領(lǐng)域，掛鉤結(jié)構(gòu)、掛載方式、掛載結(jié)構(gòu)及方式等，因?qū)C(jī)體的影響以及直升機(jī)飛行性能影響而涉及的方案設(shè)計(jì)、建模過程、算法應(yīng)用、試驗(yàn)驗(yàn)證等，均具有研發(fā)基礎(chǔ)。由此涉及到的核心技術(shù)、外圍技術(shù)的具體專利布局與企業(yè)預(yù)算將是企業(yè)IPR需要進(jìn)一步考慮的重心。