V-22傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)專利戰(zhàn)略研究

徐京海，劉傳準(zhǔn)

(1.中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001；2.北京航信知識(shí)產(chǎn)權(quán)咨詢有限責(zé)任公司，北京 100101)

0 引言

傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)是一種具備垂直和短距起降能力的旋翼飛行器，在機(jī)翼的翼尖處安裝有可在水平位置與垂直位置之間傾轉(zhuǎn)的旋翼系統(tǒng)：在垂直起降時(shí)，旋翼軸垂直于地面，呈橫列式直升機(jī)狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)垂直起降；在平飛時(shí)，旋翼軸平行于地面，相當(dāng)于固定翼飛機(jī)，能作高速遠(yuǎn)程飛行。傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)既具有普通直升機(jī)垂直起降和空中懸停的能力，又具有固定翼飛機(jī)的高速飛行能力。

V-22傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)于20世紀(jì)80年代由美國(guó)貝爾直升機(jī)公司和波音公司(后稱貝爾&波音公司)聯(lián)合研制，1989年3月19日首飛成功，1999年5月14日交付海軍陸戰(zhàn)隊(duì)，2006年11月16日進(jìn)入美國(guó)空軍服役。該型機(jī)多次在伊拉克、阿富汗和利比亞執(zhí)行作戰(zhàn)和救援任務(wù)，被認(rèn)為是美國(guó)海軍陸戰(zhàn)隊(duì)中安全性最高的旋翼機(jī)，也是目前唯一量產(chǎn)的傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)，具有代表性，并且早期形成的專利多為基礎(chǔ)性專利，專利保護(hù)面廣，因此，以V-22為切入點(diǎn)對(duì)兩家跨國(guó)公司進(jìn)行傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的專利分析是十分重要的。

1 貝爾&波音公司的傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)專利分布

開展對(duì)貝爾&波音公司的傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)在世界范圍內(nèi)的專利分布分析，有助于了解兩家跨國(guó)公司在傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)領(lǐng)域發(fā)展的現(xiàn)狀和對(duì)技術(shù)的保護(hù)情況。同時(shí)，分析不同國(guó)家或地區(qū)在世界范圍內(nèi)的專利布局情況，對(duì)我國(guó)傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的發(fā)展有技術(shù)參考價(jià)值，并且在國(guó)內(nèi)和國(guó)際專利保護(hù)方面也有借鑒意義。

對(duì)貝爾&波音公司進(jìn)行傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)方面的專利檢索結(jié)果表明，截至2021年7月1日，兩家公司已申請(qǐng)并公開專利2134件。布局最多的國(guó)家、地區(qū)和組織依次為美國(guó)、歐專局、中國(guó)、世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織、印度及加拿大。其中，在美國(guó)布局有專利1100余件，占比超50%；在中國(guó)布局有專利158件，見圖1。圖2給出了貝爾&波音公司的專利申請(qǐng)年度分布情況。通過(guò)時(shí)間軸分析，其專利申請(qǐng)主要分為兩個(gè)時(shí)期：2000年之前為技術(shù)積累期，在此期間，由于美國(guó)在軍事方面的巨大需求，貝爾&波音公司開始投入大量的經(jīng)費(fèi)和科研力量進(jìn)行傾轉(zhuǎn)旋翼的設(shè)計(jì)和研究，隨著美國(guó)海軍航空系統(tǒng)司令部與貝爾和波音直升機(jī)公司研發(fā)合同的簽訂，傾轉(zhuǎn)旋翼技術(shù)的專利數(shù)量也在平穩(wěn)地上升；2000年至今為技術(shù)快速發(fā)展期，隨著經(jīng)濟(jì)全球化發(fā)展以及大國(guó)之間的軍力競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激勵(lì)，傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)也得到了快速的發(fā)展，專利申請(qǐng)數(shù)量不斷增加，技術(shù)不斷革新。

圖1 全球?qū)＠季?/p>

圖2 專利申請(qǐng)年度分布圖

雖然貝爾直升機(jī)公司在傾轉(zhuǎn)旋翼方面研發(fā)較早，但是其專利申請(qǐng)卻相對(duì)保守。傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)技術(shù)方面的專利申請(qǐng)最早由波音公司在六七十年代進(jìn)行布局。特別是20世紀(jì)70年代，波音公司在傾轉(zhuǎn)旋翼整機(jī)設(shè)計(jì)、作動(dòng)器、無(wú)卡緊滾珠絲杠直線執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方面存儲(chǔ)了大量專利技術(shù)。直至V-22傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)正式首飛之后，貝爾直升機(jī)公司才認(rèn)為時(shí)機(jī)成熟，1989年在傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的抗堵塞的球形螺絲作動(dòng)器方面開始了專利技術(shù)儲(chǔ)備，并全面加快加大傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的專利布局步伐，僅僅用了一兩年時(shí)間，專利申請(qǐng)數(shù)量迅速超越波音。截至目前，傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)方面至少80%的專利技術(shù)由貝爾直升機(jī)公司貢獻(xiàn)。在全球范圍內(nèi)，貝爾直升機(jī)公司處于專利龍頭地位。

2 從專利布局看貝爾&波音公司技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)

傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)相對(duì)于常規(guī)直升機(jī)，最主要的技術(shù)點(diǎn)在于傾轉(zhuǎn)控制、機(jī)翼設(shè)計(jì)及動(dòng)力系統(tǒng)方面的設(shè)計(jì)。本文從這三個(gè)技術(shù)點(diǎn)探討波音&貝爾公司在研發(fā)傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)方面所構(gòu)建的技術(shù)壁壘，以了解其技術(shù)發(fā)展的來(lái)龍去脈。

2.1 傾轉(zhuǎn)控制

圖3給出了貝爾&波音公司在傾轉(zhuǎn)控制相關(guān)專利的IPC分類情況，主要用于分析專利的技術(shù)領(lǐng)域分布情況。其中：在B64C(飛機(jī)、直升機(jī)領(lǐng)域)方面的專利數(shù)量占比最高，專利申請(qǐng)量高達(dá)481件，占比76.47%；B64D(用于與飛機(jī)配合或裝到飛機(jī)上的設(shè)備，飛行衣、降落傘、動(dòng)力裝置或推進(jìn)傳動(dòng)裝置在飛機(jī)中的配置或安裝)占比次之，專利申請(qǐng)數(shù)量130件；其次，在G05D(非電變量的控制或調(diào)節(jié)系統(tǒng))、F16F(彈簧、減震器、減振裝置)、F02C(燃?xì)廨啓C(jī)裝置、噴氣推進(jìn)裝置的空氣進(jìn)氣道、空氣助燃的噴氣推進(jìn)裝置燃料供給的控制)、G06F(電數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)處理)等方面也有一定量專利布局。貝爾&波音公司在傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)控制技術(shù)方面專利分布較為廣泛。通過(guò)聚類分析能夠得知，兩家公司在進(jìn)近控制、飛行控制、發(fā)動(dòng)機(jī)艙控制方面專利申請(qǐng)較多，專利數(shù)量均在幾十件左右。

圖3 傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)控制專利IPC分類情況

鑒于傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的飛行控制系統(tǒng)涉及更多的變量，貝爾直升機(jī)公司最早采用的傾轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)設(shè)置有軟件實(shí)現(xiàn)的飛行控制方法，用于對(duì)一些適合于特定飛行狀態(tài)的控制輸入產(chǎn)生響應(yīng)。例如，為了改進(jìn)傾轉(zhuǎn)旋翼導(dǎo)致的機(jī)翼迎角減小現(xiàn)象，和由此對(duì)飛行器的垂直速度和/或飛行高度產(chǎn)生不希望的變化，貝爾直升機(jī)公司在2000年之后對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，提出了一種新的用于傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)飛行控制的方法和裝置。該方法和裝置用于響應(yīng)縱向速度控制信號(hào)自動(dòng)傾轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)艙，從而產(chǎn)生縱向推力矢量分量用于控制飛行器的縱向速度；同時(shí)，自動(dòng)傾斜器被該裝置驅(qū)動(dòng)，從而將機(jī)身保持在希望的俯仰姿態(tài)。該方法和裝置還用于響應(yīng)橫向速度控制信號(hào)，自動(dòng)驅(qū)動(dòng)每副旋翼的自動(dòng)傾斜器，從而產(chǎn)生橫向推力矢量分量用于控制飛行器的橫向速度，從而將機(jī)身保持在希望的滾轉(zhuǎn)姿態(tài)。

2.2 旋翼系統(tǒng)

貝爾&波音公司在旋翼系統(tǒng)方面的專利數(shù)量較多，專利關(guān)鍵詞中占比最高的依次為升力系統(tǒng)、旋翼飛行器、旋翼機(jī)。關(guān)鍵詞聚類如圖4所示。

圖4 機(jī)翼系統(tǒng)關(guān)鍵詞聚類示意圖

傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)在低速飛行條件下，需要襟翼向下偏轉(zhuǎn)以使流動(dòng)分離最小化，減小對(duì)旋翼升力的干擾。隨著速度的提高，由于動(dòng)壓的增加，升力增大，需要較少的襟翼向下轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)產(chǎn)生所需的升力。貝爾直升機(jī)公司結(jié)合波音公司的多段式外吹襟翼的短距起降(STOL)飛行器機(jī)翼設(shè)計(jì)，以及充當(dāng)擾流板的控制器設(shè)計(jì)技術(shù)，于20世紀(jì)80年代末期研發(fā)了一套傾轉(zhuǎn)旋翼的襟翼系統(tǒng)。該襟翼系統(tǒng)設(shè)計(jì)有特制的后緣，可使襟翼與機(jī)翼協(xié)同工作；襟翼密封件設(shè)置在主翼部分和襟翼之間，并由主翼部分和襟翼之間的連接機(jī)構(gòu)控制(圖5)。當(dāng)襟翼偏轉(zhuǎn)時(shí)，該系統(tǒng)自動(dòng)地將襟翼密封件定位在期望的位置；通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)等測(cè)試手段驗(yàn)證，可以確定最佳的襟翼形狀和密封結(jié)構(gòu)，使得傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)在低速和過(guò)渡階段性能得到綜合優(yōu)化。

圖5 飛行器機(jī)翼剖視圖

2.3 動(dòng)力系統(tǒng)

傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)飛行時(shí)需要傾轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)艙的角度，調(diào)節(jié)范圍達(dá)到90°以上，其安全性可靠性非常重要，也是傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)新技術(shù)專利布局的重點(diǎn)之一。圖6為動(dòng)力系統(tǒng)方面的專利聚類圖，可見貝爾&波音公司對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)相對(duì)重視。專利布局包括指示系統(tǒng)、儀器儀表、照明系統(tǒng)、離合器等方向。V-22傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)具有相互備份能力，其電氣和液壓系統(tǒng)冗余源以及輔助動(dòng)力單元備份動(dòng)力均是專利布局熱點(diǎn)。專利布局熱點(diǎn)也是研發(fā)投入的重點(diǎn)，對(duì)后續(xù)研發(fā)的傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)具有良好的借鑒作用，例如貝爾直升機(jī)公司布局的一種相互備份的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)專利，見圖7。

圖6 動(dòng)力系統(tǒng)聚類圖

圖7 傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)專利圖

專利引證結(jié)果表明，在之后的三十年間，貝爾直升機(jī)公司的動(dòng)力系統(tǒng)大概每隔10～15年進(jìn)行一次革新。在上述專利技術(shù)的基礎(chǔ)上，貝爾直升機(jī)公司通過(guò)兩輪研發(fā)，在操縱模式設(shè)計(jì)專利技術(shù)上研發(fā)了一套具有集成包絡(luò)保護(hù)的多模式傾轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)艙控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)提供的半自動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)艙控制和自動(dòng)模式切換，減少了控制交互，即發(fā)動(dòng)機(jī)艙傾轉(zhuǎn)相關(guān)的飛行操縱，使得飛行操縱得到質(zhì)的提升。

經(jīng)過(guò)專利技術(shù)積累，解決了傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的基本動(dòng)力問(wèn)題，對(duì)動(dòng)力的產(chǎn)生、使用、優(yōu)化等均進(jìn)行了技術(shù)研發(fā)及專利保護(hù)。因此，在第三階段，貝爾直升機(jī)公司對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的輸出方式進(jìn)行了革新，布局了新的專利，例如通過(guò)降低發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載來(lái)間接提高動(dòng)力系統(tǒng)的使用壽命及使用時(shí)間。這一時(shí)期典型的專利例如“具有固定發(fā)動(dòng)機(jī)和可旋轉(zhuǎn)組件實(shí)現(xiàn)的傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)”，即應(yīng)用于下一代傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)V-280的專利技術(shù)。該專利用于取消發(fā)動(dòng)機(jī)的傾轉(zhuǎn)，減小傾轉(zhuǎn)載荷，進(jìn)一步提高動(dòng)力系統(tǒng)的整體效能。

3 專利布局策略分析

從V-22傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)專利布局情況來(lái)看，貝爾&波音公司已經(jīng)初步建立專利壟斷地位，專利布局涉及的技術(shù)面較為廣泛，形成了圍墻式技術(shù)壁壘。雖然專利保護(hù)存在地域差異，波音&貝爾公司在美國(guó)、歐洲布局的專利技術(shù)不能阻礙中國(guó)國(guó)內(nèi)企事業(yè)單位在本國(guó)進(jìn)行專利產(chǎn)品的生產(chǎn)制造，但會(huì)嚴(yán)重阻礙國(guó)內(nèi)企事業(yè)單位的產(chǎn)品出口，引發(fā)國(guó)際專利糾紛。因此，國(guó)內(nèi)企事業(yè)單位有必要進(jìn)行傾轉(zhuǎn)旋翼方面的專利申請(qǐng)，形成自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)體系。

專利布局策劃是一項(xiàng)復(fù)雜而系統(tǒng)的工作，對(duì)于企業(yè)專利申請(qǐng)策略具有非常重要的意義。目前國(guó)內(nèi)后起之秀的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，在實(shí)施上可采用“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”的策略以確定最終的專利布局方案。進(jìn)一步地，考慮到貝爾&波音公司在傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)方面的大量專利技術(shù)，國(guó)內(nèi)傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)企業(yè)應(yīng)對(duì)策略不能簡(jiǎn)單歸類于某種專利布局形式，必須結(jié)合中國(guó)專利保護(hù)制度及多年的其他技術(shù)專利申請(qǐng)的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行。

3.1 動(dòng)力系統(tǒng)領(lǐng)域深挖專利布局

在傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的專利申請(qǐng)及保護(hù)方面，動(dòng)力系統(tǒng)、機(jī)翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)屬于核心的關(guān)鍵技術(shù)部分。在動(dòng)力系統(tǒng)方面，從上述專利布局情況分析來(lái)看，波音&貝爾公司的重點(diǎn)主要在動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安全性設(shè)計(jì)、推進(jìn)系統(tǒng)載荷優(yōu)化設(shè)計(jì)方面。據(jù)此分析，其下一步專利布局大概率會(huì)圍繞動(dòng)力系統(tǒng)的穩(wěn)定性、空間性、輕量化、燃料效率、噪聲、振動(dòng)等方面進(jìn)行。國(guó)內(nèi)企業(yè)可以將上述技術(shù)作為專利布局的核心點(diǎn)提前布局，通過(guò)對(duì)直升機(jī)和固定翼飛機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)性研究，借鑒相關(guān)專利技術(shù)，能夠較為容易地進(jìn)行技術(shù)的二次開發(fā)，形成具有高度應(yīng)用前景的專利技術(shù)。

3.2 結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法開展專利布局

中國(guó)在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方面的專利申請(qǐng)數(shù)量在世界上遙遙領(lǐng)先，特別是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方面的專利申請(qǐng)量連年增長(zhǎng)。在傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)方面，貝爾直升機(jī)等國(guó)外大型公司的專利主要集中在確切的產(chǎn)品上，而國(guó)內(nèi)企業(yè)可不局限于此：在設(shè)計(jì)方法方面，與遺傳算法、區(qū)間反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等新設(shè)計(jì)策略相結(jié)合；在飛行控制方面，與基于全局穩(wěn)定的控制策略、基于卡爾曼濾波的整周模糊度快速解算算法等跨界設(shè)計(jì)方法相結(jié)合，為國(guó)內(nèi)企業(yè)進(jìn)行專利布局提供新的思路。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)貝爾&波音公司在傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)領(lǐng)域的專利布局的分析可見，中國(guó)是其在歐美之后最大的專利布局國(guó)，其主要專利布局領(lǐng)域在于傾轉(zhuǎn)控制、旋翼系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng)。本文在結(jié)合國(guó)內(nèi)技術(shù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上分析得出的專利應(yīng)對(duì)策略主要包括兩方面：一方面是在動(dòng)力系統(tǒng)的穩(wěn)定性、效率性和安全性等特定技術(shù)方面進(jìn)行深度挖掘和專利布局；另一方面是在傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)設(shè)計(jì)方法上與新的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行結(jié)合開展專利布局。兩方面策略結(jié)合實(shí)施將有效提高國(guó)內(nèi)企業(yè)的專利競(jìng)爭(zhēng)力與影響力。