V-22傾轉旋翼機專利戰略研究

徐京海，劉傳準

(1.中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001；2.北京航信知識產權咨詢有限責任公司，北京 100101)

0 引言

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

V-22傾轉旋翼機于20世紀80年代由美國貝爾直升機公司和波音公司(后稱貝爾&波音公司)聯合研制，1989年3月19日首飛成功，1999年5月14日交付海軍陸戰隊，2006年11月16日進入美國空軍服役。該型機多次在伊拉克、阿富汗和利比亞執行作戰和救援任務，被認為是美國海軍陸戰隊中安全性最高的旋翼機，也是目前唯一量產的傾轉旋翼機，具有代表性，并且早期形成的專利多為基礎性專利，專利保護面廣，因此，以V-22為切入點對兩家跨國公司進行傾轉旋翼機的專利分析是十分重要的。

1 貝爾&波音公司的傾轉旋翼機專利分布

開展對貝爾&波音公司的傾轉旋翼機在世界范圍內的專利分布分析，有助于了解兩家跨國公司在傾轉旋翼機領域發展的現狀和對技術的保護情況。同時，分析不同國家或地區在世界范圍內的專利布局情況，對我國傾轉旋翼機的發展有技術參考價值，并且在國內和國際專利保護方面也有借鑒意義。

對貝爾&波音公司進行傾轉旋翼機方面的專利檢索結果表明，截至2021年7月1日，兩家公司已申請并公開專利2134件。布局最多的國家、地區和組織依次為美國、歐專局、中國、世界知識產權組織、印度及加拿大。其中，在美國布局有專利1100余件，占比超50%；在中國布局有專利158件，見圖1。圖2給出了貝爾&波音公司的專利申請年度分布情況。通過時間軸分析，其專利申請主要分為兩個時期：2000年之前為技術積累期，在此期間，由于美國在軍事方面的巨大需求，貝爾&波音公司開始投入大量的經費和科研力量進行傾轉旋翼的設計和研究，隨著美國海軍航空系統司令部與貝爾和波音直升機公司研發合同的簽訂，傾轉旋翼技術的專利數量也在平穩地上升；2000年至今為技術快速發展期，隨著經濟全球化發展以及大國之間的軍力競爭越來越激勵，傾轉旋翼機也得到了快速的發展，專利申請數量不斷增加，技術不斷革新。

圖1 全球專利布局

圖2 專利申請年度分布圖

雖然貝爾直升機公司在傾轉旋翼方面研發較早，但是其專利申請卻相對保守。傾轉旋翼機技術方面的專利申請最早由波音公司在六七十年代進行布局。特別是20世紀70年代，波音公司在傾轉旋翼整機設計、作動器、無卡緊滾珠絲杠直線執行機構設計方面存儲了大量專利技術。直至V-22傾轉旋翼機正式首飛之后，貝爾直升機公司才認為時機成熟，1989年在傾轉旋翼機的抗堵塞的球形螺絲作動器方面開始了專利技術儲備，并全面加快加大傾轉旋翼機的專利布局步伐，僅僅用了一兩年時間，專利申請數量迅速超越波音。截至目前，傾轉旋翼機方面至少80%的專利技術由貝爾直升機公司貢獻。在全球范圍內，貝爾直升機公司處于專利龍頭地位。

2 從專利布局看貝爾&波音公司技術發展脈絡

傾轉旋翼機相對于常規直升機，最主要的技術點在于傾轉控制、機翼設計及動力系統方面的設計。本文從這三個技術點探討波音&貝爾公司在研發傾轉旋翼機方面所構建的技術壁壘，以了解其技術發展的來龍去脈。

2.1 傾轉控制

圖3給出了貝爾&波音公司在傾轉控制相關專利的IPC分類情況，主要用于分析專利的技術領域分布情況。其中：在B64C(飛機、直升機領域)方面的專利數量占比最高，專利申請量高達481件，占比76.47%；B64D(用于與飛機配合或裝到飛機上的設備，飛行衣、降落傘、動力裝置或推進傳動裝置在飛機中的配置或安裝)占比次之，專利申請數量130件；其次，在G05D(非電變量的控制或調節系統)、F16F(彈簧、減震器、減振裝置)、F02C(燃氣輪機裝置、噴氣推進裝置的空氣進氣道、空氣助燃的噴氣推進裝置燃料供給的控制)、G06F(電數字數據處理)等方面也有一定量專利布局。貝爾&波音公司在傾轉旋翼機控制技術方面專利分布較為廣泛。通過聚類分析能夠得知，兩家公司在進近控制、飛行控制、發動機艙控制方面專利申請較多，專利數量均在幾十件左右。

圖3 傾轉旋翼機控制專利IPC分類情況

鑒于傾轉旋翼機的飛行控制系統涉及更多的變量，貝爾直升機公司最早采用的傾轉控制系統設置有軟件實現的飛行控制方法，用于對一些適合于特定飛行狀態的控制輸入產生響應。例如，為了改進傾轉旋翼導致的機翼迎角減小現象，和由此對飛行器的垂直速度和/或飛行高度產生不希望的變化，貝爾直升機公司在2000年之后對該系統進行了改進，提出了一種新的用于傾轉旋翼機飛行控制的方法和裝置。該方法和裝置用于響應縱向速度控制信號自動傾轉發動機艙，從而產生縱向推力矢量分量用于控制飛行器的縱向速度；同時，自動傾斜器被該裝置驅動，從而將機身保持在希望的俯仰姿態。該方法和裝置還用于響應橫向速度控制信號，自動驅動每副旋翼的自動傾斜器，從而產生橫向推力矢量分量用于控制飛行器的橫向速度，從而將機身保持在希望的滾轉姿態。

2.2 旋翼系統

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

圖4 機翼系統關鍵詞聚類示意圖

傾轉旋翼機在低速飛行條件下，需要襟翼向下偏轉以使流動分離最小化，減小對旋翼升力的干擾。隨著速度的提高，由于動壓的增加，升力增大，需要較少的襟翼向下轉動來產生所需的升力。貝爾直升機公司結合波音公司的多段式外吹襟翼的短距起降(STOL)飛行器機翼設計，以及充當擾流板的控制器設計技術，于20世紀80年代末期研發了一套傾轉旋翼的襟翼系統。該襟翼系統設計有特制的后緣，可使襟翼與機翼協同工作；襟翼密封件設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構控制(圖5)。當襟翼偏轉時，該系統自動地將襟翼密封件定位在期望的位置；通過風洞試驗等測試手段驗證，可以確定最佳的襟翼形狀和密封結構，使得傾轉旋翼機在低速和過渡階段性能得到綜合優化。

圖5 飛行器機翼剖視圖

2.3 動力系統

傾轉旋翼機飛行時需要傾轉調節發動機艙的角度，調節范圍達到90°以上，其安全性可靠性非常重要，也是傾轉旋翼機新技術專利布局的重點之一。圖6為動力系統方面的專利聚類圖，可見貝爾&波音公司對動力系統相對重視。專利布局包括指示系統、儀器儀表、照明系統、離合器等方向。V-22傾轉旋翼機的發動機具有相互備份能力，其電氣和液壓系統冗余源以及輔助動力單元備份動力均是專利布局熱點。專利布局熱點也是研發投入的重點，對后續研發的傾轉旋翼機具有良好的借鑒作用，例如貝爾直升機公司布局的一種相互備份的驅動系統專利，見圖7。

圖6 動力系統聚類圖

圖7 傾轉旋翼機驅動系統專利圖

專利引證結果表明，在之后的三十年間，貝爾直升機公司的動力系統大概每隔10～15年進行一次革新。在上述專利技術的基礎上，貝爾直升機公司通過兩輪研發，在操縱模式設計專利技術上研發了一套具有集成包絡保護的多模式傾轉發動機艙控制系統。該系統通過提供的半自動發動機艙控制和自動模式切換，減少了控制交互，即發動機艙傾轉相關的飛行操縱，使得飛行操縱得到質的提升。

經過專利技術積累，解決了傾轉旋翼機的基本動力問題，對動力的產生、使用、優化等均進行了技術研發及專利保護。因此，在第三階段，貝爾直升機公司對動力系統的輸出方式進行了革新，布局了新的專利，例如通過降低發動機負載來間接提高動力系統的使用壽命及使用時間。這一時期典型的專利例如“具有固定發動機和可旋轉組件實現的傾轉旋翼機”，即應用于下一代傾轉旋翼機V-280的專利技術。該專利用于取消發動機的傾轉，減小傾轉載荷，進一步提高動力系統的整體效能。

3 專利布局策略分析

從V-22傾轉旋翼機專利布局情況來看，貝爾&波音公司已經初步建立專利壟斷地位，專利布局涉及的技術面較為廣泛，形成了圍墻式技術壁壘。雖然專利保護存在地域差異，波音&貝爾公司在美國、歐洲布局的專利技術不能阻礙中國國內企事業單位在本國進行專利產品的生產制造，但會嚴重阻礙國內企事業單位的產品出口，引發國際專利糾紛。因此，國內企事業單位有必要進行傾轉旋翼方面的專利申請，形成自主知識產權保護體系。

專利布局策劃是一項復雜而系統的工作，對于企業專利申請策略具有非常重要的意義。目前國內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，以形成對競爭對手的全面狙擊，在實施上可采用“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”的策略以確定最終的專利布局方案。進一步地，考慮到貝爾&波音公司在傾轉旋翼機方面的大量專利技術，國內傾轉旋翼機企業應對策略不能簡單歸類于某種專利布局形式，必須結合中國專利保護制度及多年的其他技術專利申請的實戰經驗來進行。

3.1 動力系統領域深挖專利布局

在傾轉旋翼機的專利申請及保護方面，動力系統、機翼結構設計及氣動系統設計屬于核心的關鍵技術部分。在動力系統方面，從上述專利布局情況分析來看，波音&貝爾公司的重點主要在動力系統設計、安全性設計、推進系統載荷優化設計方面。據此分析，其下一步專利布局大概率會圍繞動力系統的穩定性、空間性、輕量化、燃料效率、噪聲、振動等方面進行。國內企業可以將上述技術作為專利布局的核心點提前布局，通過對直升機和固定翼飛機的動力系統進行相關性研究，借鑒相關專利技術，能夠較為容易地進行技術的二次開發，形成具有高度應用前景的專利技術。

3.2 結合計算機輔助設計方法開展專利布局

中國在計算機輔助設計方面的專利申請數量在世界上遙遙領先，特別是隨著計算機技術、網絡技術的快速發展，計算機輔助設計方面的專利申請量連年增長。在傾轉旋翼機設計技術方面，貝爾直升機等國外大型公司的專利主要集中在確切的產品上，而國內企業可不局限于此：在設計方法方面，與遺傳算法、區間反饋神經網絡等新設計策略相結合；在飛行控制方面，與基于全局穩定的控制策略、基于卡爾曼濾波的整周模糊度快速解算算法等跨界設計方法相結合，為國內企業進行專利布局提供新的思路。

4 結論

通過對貝爾&波音公司在傾轉旋翼機領域的專利布局的分析可見，中國是其在歐美之后最大的專利布局國，其主要專利布局領域在于傾轉控制、旋翼系統和動力系統。本文在結合國內技術特點的基礎上分析得出的專利應對策略主要包括兩方面：一方面是在動力系統的穩定性、效率性和安全性等特定技術方面進行深度挖掘和專利布局；另一方面是在傾轉旋翼機設計方法上與新的計算機輔助設計技術進行結合開展專利布局。兩方面策略結合實施將有效提高國內企業的專利競爭力與影響力。