直升机外吊挂货物挂钩专利技术分析

徐京海，胡敦远

(中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001)

0 引言

直升机由于执行多种任务的需要，经常配备外吊挂系统，通过外吊挂系统对大件或笨重的货物进行运输，例如吊运火炮、突击车等进行特种作战，吊运弹药、油料、食品等进行物资补给，吊运工程机械、砂石、灭火吊桶等进行抢险救灾。外吊挂系统是直升机和外挂货物之间的桥梁，主要由货物挂钩装置、控制盒和控制电路、状态和信息提示、吊索吊网等部件组成，其中货物挂钩是系统的重要部件。

直升机的吊挂飞行与非吊挂飞行状态相比，气动、重力、振荡固有频率等均产生了变化。为保证吊挂飞行的安全，要求外吊挂系统吊运安全可靠，在飞行过程中不能出现吊挂物意外脱落，给地面人财物带来损伤。外吊挂系统需要满足快速投放要求，在吊挂飞行过程中，若直升机出现紧急情况，应能快速释放外挂物，保证直升机的安全。所以外吊挂系统需进行余度设计，具有正常电气投放、应急电气投放和手动机构投放功能。货物挂钩的吊挂投放驱动有电磁铁驱动、力矩电机驱动、液压驱动、爆炸帽驱动和操纵钢索驱动等多种方式。货物挂钩装置是实现这投放功能的执行部件，通常由承力梁、自锁连杆机构、弹簧复位机构、应急释放机构(爆炸帽)、电磁铁或力矩电机等组成。有的货物挂钩还集成称重传感器，实时向直升机输出吊挂载荷，为飞行员提供吊挂载荷的变化情况。

直升机外吊挂系统有单点吊挂和多点吊挂等构型。中型、轻型直升机一般采用单点吊挂，只在直升机重心下方安装一个货物挂钩装置。为适应更多的货物种类，获得更好的吊挂飞行品质，重型直升机会采用多点吊挂，在直升机重心下方安装主货物挂钩，并在对称直升机重心的位置安装前、后货物挂钩，如美国CH-53E“超级种马”、CH-53K“种马王”、CH-47D“支奴干”等。不过，原苏联设计的米-26“光环”重型直升机，凭借其强大的动力，依然采用单点吊挂系统。

重型直升机要求的内载及外吊挂一般在10吨左右或更高，提升直升机外吊挂能力是我国重型直升机研究的重要一环。专利技术代表着现有技术中具有创新性的技术。截至2018年6月份，笔者共计检索到全球专利59件，合并同族后有45项。图1给出了该技术领域内的专利地域分布趋势。可以看出，美国在该技术领域的专利公开数量最多，有27件，占比近一半；中国、欧专局、韩国、加拿大等国家和地区有少量专利布局。

图1 全球专利布局

1 国内外吊钩专利技术现状

国外对该项技术的研发较为领先的两大直升机巨头分别为西科斯基公司和贝尔公司，以下分别就两个公司的货物挂钩技术研发现状进行具体分析。

西科斯基公司的技术研发主要集中于挂钩机构、自动货物钩释放组件以及用于外部货钩系统的机械应急双释放机构。机械应急双释放机构是西科斯基公司在20世纪90年代研发的一项挂钩技术，于90年代末期获得初步成效。这种机械紧急双重释放机构与直升机外部货物吊钩系统结合使用，包括用于抛弃外部附接货物的货物吊钩组件。货物吊钩组件包括：用于将双重释放机构安装成刚性的接口构件与货钩组件的组合结构，与接口构件刚性组合安装的滑轮轴，安装成与滑轮轴可旋转组合的驾驶舱滑轮组件，以及位移传递构件，可操作地互连驾驶舱滑轮组件和机舱滑轮组件。机舱滑轮组件功能性地互连到货钩组件，并且响应由驾驶舱滑轮组件或机舱滑轮组件产生的机械刺激来操作，以启动货钩组件，抛弃外部附接的货物。

如图2所示，由a)到b)为货物应急抛放过程。其中，滑轮22连接到驾驶舱，为主动件，带动压销50′和从动轮32运动。

图2 应急双释放机构透视图

直到2010年之后，西科斯基的另一项新的外部挂钩才获得突破性进展。当时，研发人员发现，现有吊挂飞行状态下，外吊挂货物对直升机平稳飞行存在较大影响，主要原因在于传统的外部货物钩系统将货钩定位在飞机机身的下腹部内。安装在腹部的货钩将挂钩系统载荷转移到飞机机舱的开放货物空间周围，然后传递到飞机机身的上部。这种方式虽然对于吊挂货物简单、有效，但这种间接载荷路径可能会响应某些飞行载荷，并在机身上施加不良应力。而其他传统货钩系统则将框架结构定位在飞机机舱的上部，虽然这提供了通过机身的更直接的负载路径，但悬架可以在机舱内摆动，使得机身腹部需要相对较大的开口以适应该运动。基于上述缺陷，研发团队在下框架界面和上框架界面之间设置了一个张力构件(图3)。该张力构件可操作地在下框架界面和上框架界面之间传递张力负荷，从而使得机身腹部的开口可以开得相对较小。

图3 具有张力构件的货物挂钩

同一时期，西科斯基公司的具有自动货钩释放组件的系统研发也获得突破。通常垂直起降飞机可以有三个外部货物挂钩(悬挂点)，可以在飞机底部纵向移动。一个位于飞机重心前方的中心线上(前钩)，一个位于中心线上飞机重心(中央吊钩)位置，一个在重心后方(尾钩)的中心线上。在单点悬挂系统中，外部货物可以独立连接到任何吊钩上，每个吊钩携带最多三个独立连接的货物负载。然而，在多点悬挂的情况下，典型地，前钩附接到货物的前部，而后钩以“Y”形布置附接到货物的后部。这种安排稳定了偏航轴线上的货物，从而显着降低了货物左右摆动的能量。

参考图4，具有货钩释放系统(105)的直升机(100)，货钩释放系统连接到三点悬挂系统(110)上。直升机可以利用两个货钩吊坠连接到附接到悬架系统(110)的两个单独的外部货物(115/120)。在其中一个方案中，货钩释放系统(105)包括可操作地连接到飞行控制计算机(160)(“FCC 160”)和手动货钩控制接口(150)的自动货物释放吊带组件(170)上。手动货钩控制接口(150)包括舱钩控制器、线束和连接器(未示出)，耦合到位于直升机的机舱中的现有飞机部件上。另一个方案中，自动货物释放吊带组件(170)包括继电器(210)，可以在正常飞行条件下选择性地接收信号，以便实现手动货物释放。继电器(210)在线路(230)上接收到电流时建立或断开与线路的连接。手动货钩控制接口(150)用于接收来自客舱钩控制器的紧急信号，还用于手动紧急释放连接到相应货钩组件的一个或两个负载。

图4 自动货钩释放组件

贝尔直升机公司在货物挂钩技术领域的研究集中在20世纪90年代初期或者更早，研发团队由EDWIN Z带领。获得的成果主要包括用于悬挂负载的自动致动的货物挂钩装置和手动引导系统，钳状货物钩装置与自动装载部件，以及具有自动装载和卸载装置能力的钳式货物挂钩这几方面。

自动致动及手动引导系统，提供了一种带有上部和下部以及枢轴销和轮毂的改进的电缆撬钩装置，能够比以前的设计更好地抓取负载电缆。它的夹钳式配置可以结合磁性锤头，顶部的重量和拉伸弹簧共同作用，以便在悬挂货物接触到平台时帮助迫使其下部(包括钳口)分离。为确保负载电缆被夹住，从枢轴销的一个或两个轮毂悬挂一块棒状磁体。一个黑色金属负载电缆被悬挂的磁铁吸引，并保持到位，直到装置的钳口关闭。参考图5，一人拿着一根带有钩子的长杆将设备引导到负载电缆的位置，当吊钩到达连接到负载电缆时，该设备被降低以与其接触，随后在磁铁的帮助下，电缆迅速被抓住并被吊起。

自动装载方面，贝尔直升机研发了一款钳状货物钩装置。图6为具有通过螺纹部分9和9′连接有锤头6和6′的杆5和5′的装置示意图。细长构件1和2通过销10枢转在一起，并在下部相互重叠。上部1′可能需要加强以确保可以携带期望的悬挂货物。管状支撑构件15用于打开挂钩，弹簧21用于复位。管状支撑构件15的强度只需能支撑装置20和所遇到的任何动态力，并防止其在侧面倾倒。构件15能够在孔24′内旋转，其中止动件28用于将构件15的角运动限制到大约60°。

图6 钳状货物钩示意图

可以看出，西科斯基与贝尔直升机两家公司分别在货物挂钩结构设计及挂钩释放方面有着深入研究。国外其它公司的研发方向还包括静电放电/静电接地，链路，安全等方面。

相比而言，国内在货物挂钩方面的研究较少。就目前公开的专利文献来看，其研发方向主要集中在挂钩结构设计及控制方法上。例如，哈尔滨飞机工业集团有限责任公司对安全挂钩组件进行了研究；中航电测仪器股份有限公司开展了货物挂钩控制的研究等。

2 技术创新及专利挖掘

专利挖掘是基于技术创新又先于技术创新，布局策划是一项复杂而专业的工作，对企业专利申请策略具有非常重要的意义。目前国内专利布局基本沿用路障式、围栏式、地毯式等展开，以形成对竞争对手的全面狙击。也有采用确定关键部件—确定关键技术—制定初步布局方案—分析规避可能性以确定最终布局方案[1]的。笔者认为，好的专利布局不仅需要考虑竞争对手的技术研发现状，还需要从核心技术及外围技术方面全方位考虑。至于如何将技术与专利挖掘相结合，则又须根据专利申请的实战经验来进行。针对货物挂钩这一直升机关键技术，本文从专利申请常用主题入手，为国内技术创新方向以及申请人专利布局提供些许建议。

1)针对货物挂钩数量、结构、材料进行改进

挂钩的结构以及由该结构所体现的挂钩的释放或挂载方法存在较多的研发可能。对于重型直升机来讲，考虑到挂载强度等问题，可以从挂钩的数量入手进行分析，由多个挂钩的分布及特性可以引申出新的结构特征，由此带来的多吊挂或多挂钩下如何保证多点吊挂的同时释放的问题又会引入到对控制系统的研究；再例如从挂钩的强度入手，可以引申出采用新的材料，或者采用新的过渡结构来提高挂钩强度。

2)针对货物挂钩的用途进行专利布局

现有的货物挂钩所抓取的货物的形式要求比较严格，一般采用绳索式结构进行挂载。考虑到货物结构的不同，针对其特定结构研制具有不同抓取特性及结构形式的新型挂钩势在必行。

3)针对直升机外吊挂对直升机的影响进行挂钩结构的改进

西科斯基公司的研究中就包括了针对外吊挂货物对直升机平稳飞行存在较大影响而进行改进的设计。该设计从宏观连接结构对直升机平稳飞行的影响开展分析。然而平稳飞行是需要多方面考虑的，例如当吊挂重物时，直升机运动及外界干扰等都会引起负载和振荡，这种振荡甚至会带来直升机速度振荡[2]。直升机在吊挂飞行时所受的振动影响如何消除？挂钩是否可以进行减振设计？被动减振还是主动减振？以及振动抑制所涉及的结构，该结构加入到直升机后的动力学分析、试验验证过程等，均是需要考虑的重点。

4)针对直升机控制系统进行改进

从控制原理来讲，控制系统一般包括信号接收、信号处理、信号发送、信号执行四个步骤。西科斯基公司及贝尔直升机公司均在控制货物挂钩挂起及释放方面获得了技术突破。控制过程中的信号处理具有更为广阔的研发及专利布局前景。这可以从发明目的及技术手段实施两方面来讲：前者包括例如如何使抓取或释放更加快速，如何保证多点挂钩同时或延时释放等；后者例如多种算法在挂钩释放过程中的运用。这两者是相辅相成的，瞬间抛放(发射)货物后，吊索张力和吊索摆动角将发生变化。由于总重的急剧减少，直升机在三维空间产生加速[3]。降低摆动幅度可以从信号处理与总控系统的结合入手。对这些过程所涉及的建模、分析及应用都可以进行专利挖掘，例如信号接收步骤中的确定货物挂钩运动到位的方法，是否需要在挂钩上设计信号触发装置等。在控制技术方面，只要理论上具有可行性，无须等到试验验证结束即可优先布局专利。

3 结论

我国近年来的各种型号直升机产品在上市之前都布局了大量专利。针对型号进行专利技术布局具有覆盖面广的优点，但对具体技术聚焦程度不足，不能针对特定技术进行深度挖掘。

通过对西科斯基及贝尔直升机的货物挂钩技术现状分析可以看出，国外竞争对手的研发及专利申请既考虑到了产品的结构，又考虑到了产品的使用或控制方法。考虑到我国专利布局的多样化特性，在货物挂钩技术领域，挂钩结构、挂载方式、挂载结构及方式等，因对机体的影响以及直升机飞行性能影响而涉及的方案设计、建模过程、算法应用、试验验证等，均具有研发基础。由此涉及到的核心技术、外围技术的具体专利布局与企业预算将是企业IPR需要进一步考虑的重心。