V-22倾转旋翼机专利战略研究

徐京海，刘传准

(1.中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001；2.北京航信知识产权咨询有限责任公司，北京 100101)

0 引言

倾转旋翼机是一种具备垂直和短距起降能力的旋翼飞行器，在机翼的翼尖处安装有可在水平位置与垂直位置之间倾转的旋翼系统：在垂直起降时，旋翼轴垂直于地面，呈横列式直升机状态，可实现垂直起降；在平飞时，旋翼轴平行于地面，相当于固定翼飞机，能作高速远程飞行。倾转旋翼机既具有普通直升机垂直起降和空中悬停的能力，又具有固定翼飞机的高速飞行能力。

V-22倾转旋翼机于20世纪80年代由美国贝尔直升机公司和波音公司(后称贝尔&波音公司)联合研制，1989年3月19日首飞成功，1999年5月14日交付海军陆战队，2006年11月16日进入美国空军服役。该型机多次在伊拉克、阿富汗和利比亚执行作战和救援任务，被认为是美国海军陆战队中安全性最高的旋翼机，也是目前唯一量产的倾转旋翼机，具有代表性，并且早期形成的专利多为基础性专利，专利保护面广，因此，以V-22为切入点对两家跨国公司进行倾转旋翼机的专利分析是十分重要的。

1 贝尔&波音公司的倾转旋翼机专利分布

开展对贝尔&波音公司的倾转旋翼机在世界范围内的专利分布分析，有助于了解两家跨国公司在倾转旋翼机领域发展的现状和对技术的保护情况。同时，分析不同国家或地区在世界范围内的专利布局情况，对我国倾转旋翼机的发展有技术参考价值，并且在国内和国际专利保护方面也有借鉴意义。

对贝尔&波音公司进行倾转旋翼机方面的专利检索结果表明，截至2021年7月1日，两家公司已申请并公开专利2134件。布局最多的国家、地区和组织依次为美国、欧专局、中国、世界知识产权组织、印度及加拿大。其中，在美国布局有专利1100余件，占比超50%；在中国布局有专利158件，见图1。图2给出了贝尔&波音公司的专利申请年度分布情况。通过时间轴分析，其专利申请主要分为两个时期：2000年之前为技术积累期，在此期间，由于美国在军事方面的巨大需求，贝尔&波音公司开始投入大量的经费和科研力量进行倾转旋翼的设计和研究，随着美国海军航空系统司令部与贝尔和波音直升机公司研发合同的签订，倾转旋翼技术的专利数量也在平稳地上升；2000年至今为技术快速发展期，随着经济全球化发展以及大国之间的军力竞争越来越激励，倾转旋翼机也得到了快速的发展，专利申请数量不断增加，技术不断革新。

图1 全球专利布局

图2 专利申请年度分布图

虽然贝尔直升机公司在倾转旋翼方面研发较早，但是其专利申请却相对保守。倾转旋翼机技术方面的专利申请最早由波音公司在六七十年代进行布局。特别是20世纪70年代，波音公司在倾转旋翼整机设计、作动器、无卡紧滚珠丝杠直线执行机构设计方面存储了大量专利技术。直至V-22倾转旋翼机正式首飞之后，贝尔直升机公司才认为时机成熟，1989年在倾转旋翼机的抗堵塞的球形螺丝作动器方面开始了专利技术储备，并全面加快加大倾转旋翼机的专利布局步伐，仅仅用了一两年时间，专利申请数量迅速超越波音。截至目前，倾转旋翼机方面至少80%的专利技术由贝尔直升机公司贡献。在全球范围内，贝尔直升机公司处于专利龙头地位。

2 从专利布局看贝尔&波音公司技术发展脉络

倾转旋翼机相对于常规直升机，最主要的技术点在于倾转控制、机翼设计及动力系统方面的设计。本文从这三个技术点探讨波音&贝尔公司在研发倾转旋翼机方面所构建的技术壁垒，以了解其技术发展的来龙去脉。

2.1 倾转控制

图3给出了贝尔&波音公司在倾转控制相关专利的IPC分类情况，主要用于分析专利的技术领域分布情况。其中：在B64C(飞机、直升机领域)方面的专利数量占比最高，专利申请量高达481件，占比76.47%；B64D(用于与飞机配合或装到飞机上的设备，飞行衣、降落伞、动力装置或推进传动装置在飞机中的配置或安装)占比次之，专利申请数量130件；其次，在G05D(非电变量的控制或调节系统)、F16F(弹簧、减震器、减振装置)、F02C(燃气轮机装置、喷气推进装置的空气进气道、空气助燃的喷气推进装置燃料供给的控制)、G06F(电数字数据处理)等方面也有一定量专利布局。贝尔&波音公司在倾转旋翼机控制技术方面专利分布较为广泛。通过聚类分析能够得知，两家公司在进近控制、飞行控制、发动机舱控制方面专利申请较多，专利数量均在几十件左右。

图3 倾转旋翼机控制专利IPC分类情况

鉴于倾转旋翼机的飞行控制系统涉及更多的变量，贝尔直升机公司最早采用的倾转控制系统设置有软件实现的飞行控制方法，用于对一些适合于特定飞行状态的控制输入产生响应。例如，为了改进倾转旋翼导致的机翼迎角减小现象，和由此对飞行器的垂直速度和/或飞行高度产生不希望的变化，贝尔直升机公司在2000年之后对该系统进行了改进，提出了一种新的用于倾转旋翼机飞行控制的方法和装置。该方法和装置用于响应纵向速度控制信号自动倾转发动机舱，从而产生纵向推力矢量分量用于控制飞行器的纵向速度；同时，自动倾斜器被该装置驱动，从而将机身保持在希望的俯仰姿态。该方法和装置还用于响应横向速度控制信号，自动驱动每副旋翼的自动倾斜器，从而产生横向推力矢量分量用于控制飞行器的横向速度，从而将机身保持在希望的滚转姿态。

2.2 旋翼系统

贝尔&波音公司在旋翼系统方面的专利数量较多，专利关键词中占比最高的依次为升力系统、旋翼飞行器、旋翼机。关键词聚类如图4所示。

图4 机翼系统关键词聚类示意图

倾转旋翼机在低速飞行条件下，需要襟翼向下偏转以使流动分离最小化，减小对旋翼升力的干扰。随着速度的提高，由于动压的增加，升力增大，需要较少的襟翼向下转动来产生所需的升力。贝尔直升机公司结合波音公司的多段式外吹襟翼的短距起降(STOL)飞行器机翼设计，以及充当扰流板的控制器设计技术，于20世纪80年代末期研发了一套倾转旋翼的襟翼系统。该襟翼系统设计有特制的后缘，可使襟翼与机翼协同工作；襟翼密封件设置在主翼部分和襟翼之间，并由主翼部分和襟翼之间的连接机构控制(图5)。当襟翼偏转时，该系统自动地将襟翼密封件定位在期望的位置；通过风洞试验等测试手段验证，可以确定最佳的襟翼形状和密封结构，使得倾转旋翼机在低速和过渡阶段性能得到综合优化。

图5 飞行器机翼剖视图

2.3 动力系统

倾转旋翼机飞行时需要倾转调节发动机舱的角度，调节范围达到90°以上，其安全性可靠性非常重要，也是倾转旋翼机新技术专利布局的重点之一。图6为动力系统方面的专利聚类图，可见贝尔&波音公司对动力系统相对重视。专利布局包括指示系统、仪器仪表、照明系统、离合器等方向。V-22倾转旋翼机的发动机具有相互备份能力，其电气和液压系统冗余源以及辅助动力单元备份动力均是专利布局热点。专利布局热点也是研发投入的重点，对后续研发的倾转旋翼机具有良好的借鉴作用，例如贝尔直升机公司布局的一种相互备份的驱动系统专利，见图7。

图6 动力系统聚类图

图7 倾转旋翼机驱动系统专利图

专利引证结果表明，在之后的三十年间，贝尔直升机公司的动力系统大概每隔10～15年进行一次革新。在上述专利技术的基础上，贝尔直升机公司通过两轮研发，在操纵模式设计专利技术上研发了一套具有集成包络保护的多模式倾转发动机舱控制系统。该系统通过提供的半自动发动机舱控制和自动模式切换，减少了控制交互，即发动机舱倾转相关的飞行操纵，使得飞行操纵得到质的提升。

经过专利技术积累，解决了倾转旋翼机的基本动力问题，对动力的产生、使用、优化等均进行了技术研发及专利保护。因此，在第三阶段，贝尔直升机公司对动力系统的输出方式进行了革新，布局了新的专利，例如通过降低发动机负载来间接提高动力系统的使用寿命及使用时间。这一时期典型的专利例如“具有固定发动机和可旋转组件实现的倾转旋翼机”，即应用于下一代倾转旋翼机V-280的专利技术。该专利用于取消发动机的倾转，减小倾转载荷，进一步提高动力系统的整体效能。

3 专利布局策略分析

从V-22倾转旋翼机专利布局情况来看，贝尔&波音公司已经初步建立专利垄断地位，专利布局涉及的技术面较为广泛，形成了围墙式技术壁垒。虽然专利保护存在地域差异，波音&贝尔公司在美国、欧洲布局的专利技术不能阻碍中国国内企事业单位在本国进行专利产品的生产制造，但会严重阻碍国内企事业单位的产品出口，引发国际专利纠纷。因此，国内企事业单位有必要进行倾转旋翼方面的专利申请，形成自主知识产权保护体系。

专利布局策划是一项复杂而系统的工作，对于企业专利申请策略具有非常重要的意义。目前国内后起之秀的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，在实施上可采用“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”的策略以确定最终的专利布局方案。进一步地，考虑到贝尔&波音公司在倾转旋翼机方面的大量专利技术，国内倾转旋翼机企业应对策略不能简单归类于某种专利布局形式，必须结合中国专利保护制度及多年的其他技术专利申请的实战经验来进行。

3.1 动力系统领域深挖专利布局

在倾转旋翼机的专利申请及保护方面，动力系统、机翼结构设计及气动系统设计属于核心的关键技术部分。在动力系统方面，从上述专利布局情况分析来看，波音&贝尔公司的重点主要在动力系统设计、安全性设计、推进系统载荷优化设计方面。据此分析，其下一步专利布局大概率会围绕动力系统的稳定性、空间性、轻量化、燃料效率、噪声、振动等方面进行。国内企业可以将上述技术作为专利布局的核心点提前布局，通过对直升机和固定翼飞机的动力系统进行相关性研究，借鉴相关专利技术，能够较为容易地进行技术的二次开发，形成具有高度应用前景的专利技术。

3.2 结合计算机辅助设计方法开展专利布局

中国在计算机辅助设计方面的专利申请数量在世界上遥遥领先，特别是随着计算机技术、网络技术的快速发展，计算机辅助设计方面的专利申请量连年增长。在倾转旋翼机设计技术方面，贝尔直升机等国外大型公司的专利主要集中在确切的产品上，而国内企业可不局限于此：在设计方法方面，与遗传算法、区间反馈神经网络等新设计策略相结合；在飞行控制方面，与基于全局稳定的控制策略、基于卡尔曼滤波的整周模糊度快速解算算法等跨界设计方法相结合，为国内企业进行专利布局提供新的思路。

4 结论

通过对贝尔&波音公司在倾转旋翼机领域的专利布局的分析可见，中国是其在欧美之后最大的专利布局国，其主要专利布局领域在于倾转控制、旋翼系统和动力系统。本文在结合国内技术特点的基础上分析得出的专利应对策略主要包括两方面：一方面是在动力系统的稳定性、效率性和安全性等特定技术方面进行深度挖掘和专利布局；另一方面是在倾转旋翼机设计方法上与新的计算机辅助设计技术进行结合开展专利布局。两方面策略结合实施将有效提高国内企业的专利竞争力与影响力。