直升機外吊掛貨物掛鉤專利技術分析

徐京海，胡敦遠

(中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001)

0 引言

直升機由于執行多種任務的需要，經常配備外吊掛系統，通過外吊掛系統對大件或笨重的貨物進行運輸，例如吊運火炮、突擊車等進行特種作戰，吊運彈藥、油料、食品等進行物資補給，吊運工程機械、砂石、滅火吊桶等進行搶險救災。外吊掛系統是直升機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、狀態和信息提示、吊索吊網等部件組成，其中貨物掛鉤是系統的重要部件。

直升機的吊掛飛行與非吊掛飛行狀態相比，氣動、重力、振蕩固有頻率等均產生了變化。為保證吊掛飛行的安全，要求外吊掛系統吊運安全可靠，在飛行過程中不能出現吊掛物意外脫落，給地面人財物帶來損傷。外吊掛系統需要滿足快速投放要求，在吊掛飛行過程中，若直升機出現緊急情況，應能快速釋放外掛物，保證直升機的安全。所以外吊掛系統需進行余度設計，具有正常電氣投放、應急電氣投放和手動機構投放功能。貨物掛鉤的吊掛投放驅動有電磁鐵驅動、力矩電機驅動、液壓驅動、爆炸帽驅動和操縱鋼索驅動等多種方式。貨物掛鉤裝置是實現這投放功能的執行部件，通常由承力梁、自鎖連桿機構、彈簧復位機構、應急釋放機構(爆炸帽)、電磁鐵或力矩電機等組成。有的貨物掛鉤還集成稱重傳感器，實時向直升機輸出吊掛載荷，為飛行員提供吊掛載荷的變化情況。

直升機外吊掛系統有單點吊掛和多點吊掛等構型。中型、輕型直升機一般采用單點吊掛，只在直升機重心下方安裝一個貨物掛鉤裝置。為適應更多的貨物種類，獲得更好的吊掛飛行品質，重型直升機會采用多點吊掛，在直升機重心下方安裝主貨物掛鉤，并在對稱直升機重心的位置安裝前、后貨物掛鉤，如美國CH-53E“超級種馬”、CH-53K“種馬王”、CH-47D“支奴干”等。不過，原蘇聯設計的米-26“光環”重型直升機，憑借其強大的動力，依然采用單點吊掛系統。

重型直升機要求的內載及外吊掛一般在10噸左右或更高，提升直升機外吊掛能力是我國重型直升機研究的重要一環。專利技術代表著現有技術中具有創新性的技術。截至2018年6月份，筆者共計檢索到全球專利59件，合并同族后有45項。圖1給出了該技術領域內的專利地域分布趨勢?？梢钥闯?，美國在該技術領域的專利公開數量最多，有27件，占比近一半；中國、歐專局、韓國、加拿大等國家和地區有少量專利布局。

圖1 全球專利布局

1 國內外吊鉤專利技術現狀

國外對該項技術的研發較為領先的兩大直升機巨頭分別為西科斯基公司和貝爾公司，以下分別就兩個公司的貨物掛鉤技術研發現狀進行具體分析。

西科斯基公司的技術研發主要集中于掛鉤機構、自動貨物鉤釋放組件以及用于外部貨鉤系統的機械應急雙釋放機構。機械應急雙釋放機構是西科斯基公司在20世紀90年代研發的一項掛鉤技術，于90年代末期獲得初步成效。這種機械緊急雙重釋放機構與直升機外部貨物吊鉤系統結合使用，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：用于將雙重釋放機構安裝成剛性的接口構件與貨鉤組件的組合結構，與接口構件剛性組合安裝的滑輪軸，安裝成與滑輪軸可旋轉組合的駕駛艙滑輪組件，以及位移傳遞構件，可操作地互連駕駛艙滑輪組件和機艙滑輪組件。機艙滑輪組件功能性地互連到貨鉤組件，并且響應由駕駛艙滑輪組件或機艙滑輪組件產生的機械刺激來操作，以啟動貨鉤組件，拋棄外部附接的貨物。

如圖2所示，由a)到b)為貨物應急拋放過程。其中，滑輪22連接到駕駛艙，為主動件，帶動壓銷50′和從動輪32運動。

圖2 應急雙釋放機構透視圖

直到2010年之后，西科斯基的另一項新的外部掛鉤才獲得突破性進展。當時，研發人員發現，現有吊掛飛行狀態下，外吊掛貨物對直升機平穩飛行存在較大影響，主要原因在于傳統的外部貨物鉤系統將貨鉤定位在飛機機身的下腹部內。安裝在腹部的貨鉤將掛鉤系統載荷轉移到飛機機艙的開放貨物空間周圍，然后傳遞到飛機機身的上部。這種方式雖然對于吊掛貨物簡單、有效，但這種間接載荷路徑可能會響應某些飛行載荷，并在機身上施加不良應力。而其他傳統貨鉤系統則將框架結構定位在飛機機艙的上部，雖然這提供了通過機身的更直接的負載路徑，但懸架可以在機艙內擺動，使得機身腹部需要相對較大的開口以適應該運動?；谏鲜鋈毕?，研發團隊在下框架界面和上框架界面之間設置了一個張力構件(圖3)。該張力構件可操作地在下框架界面和上框架界面之間傳遞張力負荷，從而使得機身腹部的開口可以開得相對較小。

圖3 具有張力構件的貨物掛鉤

同一時期，西科斯基公司的具有自動貨鉤釋放組件的系統研發也獲得突破。通常垂直起降飛機可以有三個外部貨物掛鉤(懸掛點)，可以在飛機底部縱向移動。一個位于飛機重心前方的中心線上(前鉤)，一個位于中心線上飛機重心(中央吊鉤)位置，一個在重心后方(尾鉤)的中心線上。在單點懸掛系統中，外部貨物可以獨立連接到任何吊鉤上，每個吊鉤攜帶最多三個獨立連接的貨物負載。然而，在多點懸掛的情況下，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。這種安排穩定了偏航軸線上的貨物，從而顯著降低了貨物左右擺動的能量。

參考圖4，具有貨鉤釋放系統(105)的直升機(100)，貨鉤釋放系統連接到三點懸掛系統(110)上。直升機可以利用兩個貨鉤吊墜連接到附接到懸架系統(110)的兩個單獨的外部貨物(115/120)。在其中一個方案中，貨鉤釋放系統(105)包括可操作地連接到飛行控制計算機(160)(“FCC 160”)和手動貨鉤控制接口(150)的自動貨物釋放吊帶組件(170)上。手動貨鉤控制接口(150)包括艙鉤控制器、線束和連接器(未示出)，耦合到位于直升機的機艙中的現有飛機部件上。另一個方案中，自動貨物釋放吊帶組件(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，以便實現手動貨物釋放。繼電器(210)在線路(230)上接收到電流時建立或斷開與線路的連接。手動貨鉤控制接口(150)用于接收來自客艙鉤控制器的緊急信號，還用于手動緊急釋放連接到相應貨鉤組件的一個或兩個負載。

圖4 自動貨鉤釋放組件

貝爾直升機公司在貨物掛鉤技術領域的研究集中在20世紀90年代初期或者更早，研發團隊由EDWIN Z帶領。獲得的成果主要包括用于懸掛負載的自動致動的貨物掛鉤裝置和手動引導系統，鉗狀貨物鉤裝置與自動裝載部件，以及具有自動裝載和卸載裝置能力的鉗式貨物掛鉤這幾方面。

自動致動及手動引導系統，提供了一種帶有上部和下部以及樞軸銷和輪轂的改進的電纜撬鉤裝置，能夠比以前的設計更好地抓取負載電纜。它的夾鉗式配置可以結合磁性錘頭，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時幫助迫使其下部(包括鉗口)分離。為確保負載電纜被夾住，從樞軸銷的一個或兩個輪轂懸掛一塊棒狀磁體。一個黑色金屬負載電纜被懸掛的磁鐵吸引，并保持到位，直到裝置的鉗口關閉。參考圖5，一人拿著一根帶有鉤子的長桿將設備引導到負載電纜的位置，當吊鉤到達連接到負載電纜時，該設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。

自動裝載方面，貝爾直升機研發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。細長構件1和2通過銷10樞轉在一起，并在下部相互重疊。上部1′可能需要加強以確保可以攜帶期望的懸掛貨物。管狀支撐構件15用于打開掛鉤，彈簧21用于復位。管狀支撐構件15的強度只需能支撐裝置20和所遇到的任何動態力，并防止其在側面傾倒。構件15能夠在孔24′內旋轉，其中止動件28用于將構件15的角運動限制到大約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兩家公司分別在貨物掛鉤結構設計及掛鉤釋放方面有著深入研究。國外其它公司的研發方向還包括靜電放電/靜電接地，鏈路，安全等方面。

相比而言，國內在貨物掛鉤方面的研究較少。就目前公開的專利文獻來看，其研發方向主要集中在掛鉤結構設計及控制方法上。例如，哈爾濱飛機工業集團有限責任公司對安全掛鉤組件進行了研究；中航電測儀器股份有限公司開展了貨物掛鉤控制的研究等。

2 技術創新及專利挖掘

專利挖掘是基于技術創新又先于技術創新，布局策劃是一項復雜而專業的工作，對企業專利申請策略具有非常重要的意義。目前國內專利布局基本沿用路障式、圍欄式、地毯式等展開，以形成對競爭對手的全面狙擊。也有采用確定關鍵部件—確定關鍵技術—制定初步布局方案—分析規避可能性以確定最終布局方案[1]的。筆者認為，好的專利布局不僅需要考慮競爭對手的技術研發現狀，還需要從核心技術及外圍技術方面全方位考慮。至于如何將技術與專利挖掘相結合，則又須根據專利申請的實戰經驗來進行。針對貨物掛鉤這一直升機關鍵技術，本文從專利申請常用主題入手，為國內技術創新方向以及申請人專利布局提供些許建議。

1)針對貨物掛鉤數量、結構、材料進行改進

掛鉤的結構以及由該結構所體現的掛鉤的釋放或掛載方法存在較多的研發可能。對于重型直升機來講，考慮到掛載強度等問題，可以從掛鉤的數量入手進行分析，由多個掛鉤的分布及特性可以引申出新的結構特征，由此帶來的多吊掛或多掛鉤下如何保證多點吊掛的同時釋放的問題又會引入到對控制系統的研究；再例如從掛鉤的強度入手，可以引申出采用新的材料，或者采用新的過渡結構來提高掛鉤強度。

2)針對貨物掛鉤的用途進行專利布局

現有的貨物掛鉤所抓取的貨物的形式要求比較嚴格，一般采用繩索式結構進行掛載?？紤]到貨物結構的不同，針對其特定結構研制具有不同抓取特性及結構形式的新型掛鉤勢在必行。

3)針對直升機外吊掛對直升機的影響進行掛鉤結構的改進

西科斯基公司的研究中就包括了針對外吊掛貨物對直升機平穩飛行存在較大影響而進行改進的設計。該設計從宏觀連接結構對直升機平穩飛行的影響開展分析。然而平穩飛行是需要多方面考慮的，例如當吊掛重物時，直升機運動及外界干擾等都會引起負載和振蕩，這種振蕩甚至會帶來直升機速度振蕩[2]。直升機在吊掛飛行時所受的振動影響如何消除？掛鉤是否可以進行減振設計？被動減振還是主動減振？以及振動抑制所涉及的結構，該結構加入到直升機后的動力學分析、試驗驗證過程等，均是需要考慮的重點。

4)針對直升機控制系統進行改進

從控制原理來講，控制系統一般包括信號接收、信號處理、信號發送、信號執行四個步驟。西科斯基公司及貝爾直升機公司均在控制貨物掛鉤掛起及釋放方面獲得了技術突破?？刂七^程中的信號處理具有更為廣闊的研發及專利布局前景。這可以從發明目的及技術手段實施兩方面來講：前者包括例如如何使抓取或釋放更加快速，如何保證多點掛鉤同時或延時釋放等；后者例如多種算法在掛鉤釋放過程中的運用。這兩者是相輔相成的，瞬間拋放(發射)貨物后，吊索張力和吊索擺動角將發生變化。由于總重的急劇減少，直升機在三維空間產生加速[3]。降低擺動幅度可以從信號處理與總控系統的結合入手。對這些過程所涉及的建模、分析及應用都可以進行專利挖掘，例如信號接收步驟中的確定貨物掛鉤運動到位的方法，是否需要在掛鉤上設計信號觸發裝置等。在控制技術方面，只要理論上具有可行性，無須等到試驗驗證結束即可優先布局專利。

3 結論

我國近年來的各種型號直升機產品在上市之前都布局了大量專利。針對型號進行專利技術布局具有覆蓋面廣的優點，但對具體技術聚焦程度不足，不能針對特定技術進行深度挖掘。

通過對西科斯基及貝爾直升機的貨物掛鉤技術現狀分析可以看出，國外競爭對手的研發及專利申請既考慮到了產品的結構，又考慮到了產品的使用或控制方法?？紤]到我國專利布局的多樣化特性，在貨物掛鉤技術領域，掛鉤結構、掛載方式、掛載結構及方式等，因對機體的影響以及直升機飛行性能影響而涉及的方案設計、建模過程、算法應用、試驗驗證等，均具有研發基礎。由此涉及到的核心技術、外圍技術的具體專利布局與企業預算將是企業IPR需要進一步考慮的重心。