用于控制飞行器的至少一个旋翼的方法、用于飞行器的控制数据提供单元和具有至少一个旋翼的飞行器与流程

本发明涉及一种用于控制飞行器的至少一个旋翼的方法、用于具有至少一个旋翼的飞行器的控制数据提供单元以及这种飞行器。

背景技术：

1、具有至少一个旋翼的这种飞行器的一个示例是包括主旋翼和尾桨的直升机。直升机的尾桨可以设计成带有护罩，即作为封装旋翼。在这种情况下，旋翼被提供在例如以中空结构的形式沿圆周径向围绕旋翼的护罩或旋翼外壳中。这种中空结构可以具有各种中空室。护罩还形成沿旋翼的轴向延伸的流道。护罩可以减少相对于总声级或宽带声音的声音发射，特别是在朝向旋翼的径向方向上。

2、除其他外，带罩旋翼的声音发射是由在护罩和旋翼桨叶尖端之间的间隙中流动的介质的湍流产生的。以这种方式产生的声音主要具有离散的首选频率，因此带罩旋翼的声音发射通常由音调分量(即声谱中的离散分量)主导。这些单独的音调声音分量通常被人类认为是令人不快的。因此，尽管与非带罩旋翼相比，带罩旋翼可以减少发射的总声能，但由于音调分量，它仍然被认为对人类耳朵不舒服。这也适用于具有带护罩旋翼的其他飞行器的声音发射，例如电动飞行器，如飞行汽车、evtol(竖直起降电动飞机)或无人机。

3、例如，在以下文件中披露了旋翼系统的空气动力学和声学的数值模拟：

4、stadlmair,n.；redmann,d.,hirsch,f.,zappek,v.(2021):"four-stepsimulation toolchain to assess the effectiveness of noise reduction measuresfor shrouded tail-rotors",proceedings of the47th european rotorcraft forum(erf),united kingdom；和

5、you,j.,thouault,n.,breitsamter,c.,and adams,n.,(2012)."aeroacousticanalysis of a helicopter configuration with ducted tail rotor".28th congressof the international council of the aeronautical sciences 2012.

6、为了减少带罩旋翼系统的声音发射，wo 2021/156077 a1提出了一种旋翼外壳，其具有在面向旋翼的周向表面上至少部分可渗透气体的区域，该区域也称为衬垫。旋翼外壳的这种配置与中空结构相结合，可以降低声音频谱中的至少某些频率。

7、中空结构的任何腔室及其与衬垫的组合都具有特性和频率相关的阻抗。这通常导致由旋翼产生的(前进)推力和旋翼的声音发射之间存在复杂且难以解决的关系。

8、例如，如果旋翼桨叶的尖端和护罩之间的距离减小，则可以减少在旋翼桨叶和护罩之间间隙中流动的介质中湍流的发生，即所谓的叶尖涡流，从而减少声音的产生。例如，如果旋翼的旋转速率(转速)减小，则旋翼桨叶的叶尖和护罩之间的有效距离增加，因为由于离心力的减小，旋翼桨叶的径向尺寸略有减小，即旋翼桨叶“拉长”较小，这可能会由于叶尖涡流的增强而对一定转速范围内的带罩旋翼的声音产生带来负面影响。如果转速增加，则可能发生相反的影响。除了这些声音发射的影响外，还存在中空结构的阻抗，可能与具有某些优选频率的衬垫组合。

技术实现思路

1、因此，本发明的目的是提供一种用于控制飞行器的至少一个旋翼的替代或改进方法，以及一种用于具有至少一个旋翼的飞行器的替代或改进的控制数据提供单元，可以借助其实现声音发射的减少，特别是考虑到带罩旋翼的特定声学特性。

2、通过根据权利要求1所述的方法、根据权利要求13所述的控制数据提供单元和根据权利要求14所述的飞行器来实现所述目的。本发明的进一步特征在从属权利要求中给出。其中，根据本发明的方法也可以通过控制数据提供单元和/或飞行器的特征来进一步开发，反之亦然，并且控制数据提供单元和飞行器的特征也可以相互用于进一步开发。

3、根据本发明的方法用于控制飞行器的至少一个旋翼，旋翼被配置为补偿或至少减少作用在飞行器上的扭矩，旋翼具有护罩，并且旋翼的转速和旋翼的至少一片旋翼桨叶的迎角对于旋翼是可调的，特别是独立于飞行器上提供的另一旋翼是可以调节的。该方法包括以下步骤：

4、(a)限定旋翼的至少第一操作参数值对和至少第二操作参数值对，其分别指定旋翼在由此实现的相同推力值下的不同旋转速度和迎角，

5、(b)确定第一操作参数值对的第一声指数和第二操作参数值对的第二声指数，所述确定包括在测试装置中测量旋翼的声值，

6、(c)存储第一和第二声指数，并将其分配给相应的一操作参数值对，以及

7、(d)参考存储在步骤c)中的分配，并根据第一操作参数值对或第二操作参数值对，作为要选择性地实现的至少第一或第二声指数的函数，在飞行器的操作期间控制旋翼。

8、优选地，在该方法中，对于两个以上的操作参数值对和相应的声指数和/或对于要实现的若干推力值，执行步骤a)至c)。

9、例如，飞行器可以是直升机。或者，飞行器可以是另一种飞行器，例如飞行汽车、evtol(竖直起降电动飞机)或无人机。

10、旋翼不必专门用于扭矩补偿。例如，除了扭矩补偿外，旋翼还可以被配置为产生飞行器的动态提升和/或水平运动。

11、作用在飞行器上的扭矩的补偿或减小特别被理解为意味着抵消飞行器绕其偏航轴(z轴或竖直方向)的旋转，其特别由提供在飞行器上的另一旋翼(例如飞行器的主旋翼)产生。为此，例如，由旋翼产生水平推力，其抵消扭矩。例如，用于扭矩补偿的旋翼可以提供为飞行器的辅助旋翼，特别是尾桨，其例如提供在飞行器的尾梁上，特别是直升机的尾梁。

12、例如，旋翼的至少一个旋翼桨叶的迎角可以对于旋翼单独地调节，即独立于相同旋翼的其他旋翼桨叶而调节。然而，旋翼的所有旋翼桨叶的迎角也可以调节，特别是可以共同调节，即同时为旋翼的所有旋翼桨叶设置相同的迎角。优选地，对于旋翼单独地进行迎角的这种调节，即独立于飞行器上提供的一个或多个其他旋翼并且独立于该旋翼或这些其他旋翼的旋翼桨叶的迎角的任何调节。

13、旋翼的护罩优选地是指周向地围绕旋翼的结构。优选地，护罩限定了在旋翼旋转轴线的轴向上延伸的旋翼的空气管道。例如，护罩可以具有圆柱形或环形，特别是可以设计为圆柱形或环面形外壳。例如，护罩也可以偏离圆柱形或环面形状，并且可以在其空气动力学特性方面进行优化。通常，护罩可以具有任何合适的形状。例如，这种护罩可以减少由于螺旋翼的叶尖处的湍流而产生的推力损失，并提高安全性。或者或此外，通过由护罩形成的管道或空气管道的气流可以产生额外的，并且特别是不可忽略的推力。例如，这种额外的推力可以达到总推力的50％或更多。

14、在步骤(b)中测量的声值特别可以是声压。优选地，例如使用测量装置，特别是一个或多个麦克风，以时间分辨率测量声值或声压。例如，声值也可以是旋翼的音调和/或声音发射的总水平。例如，从声值确定的声指数可以是测量的声值本身，或者例如考虑来自不同的声音传感器或测量装置的若干测量值(即声值)和/或它们彼此之间或相对于旋翼的相对位置的指数。特别是，可以使用适当的数据处理程序从测量的声值确定声指数。

15、所述方法中的声指数的确定特别是通过测量测试装置中旋翼的声值，特别是声压来进行的。测试装置特别可以包括测试站，例如部件测试站或单个部件测试站，其中，例如，旋翼被布置为具有任何其他部件(例如护罩)的部件。这种部件测试站特别配置用于执行声学测量，例如使用诸如声音测量装置的适当测量装置。或者或此外，测试站可以包括风洞。优选地，在测试站上进行步骤(b)中旋翼的声值的测量，其中至少一个用于记录声值的测量装置被布置在相对于测试站中旋翼的位置的预定位置。

16、这意味着，特别用于减少飞行器的声音发射的方法不是在飞行器本身的飞行操作期间执行的，而是提前记录和评估相应的数据，即特别是在地面上关于旋翼而执行的。因此，例如，特征图是在该方法中离线生成的，即不是在飞行操作期间生成的，因此在飞行器的真实飞行之前是可用的。因此，该方法特别不同于用于减少声音发射的基于调节的方法，该方法基于飞行期间控制数据的变化，所述控制数据的编号基于飞行期间记录的测量值。这意味着飞行器上不需要复杂和/或昂贵的设备，如麦克风、扬声器、自适应控制器等。

17、此外，不需要用于参考测量的复杂飞行测量活动来实现飞行器声音发射的减少。相反，例如，上述方法可以使用测量来执行，特别是容易执行的扫掠测量，在诸如组件测试站的测试环境中。这还具有的优点是，在该方法中确定的用于在飞行器的飞行操作期间控制旋翼的控制数据可以在必要时随时更换或更新，例如添加进一步的优化点等。

18、例如，旋翼的至少一个旋翼桨叶的转速和迎角的可调节性或单独可调节性可以实现额外的自由度。例如，通过调节桨叶的迎角，可以在不同的旋转速度下实现基本恒定的推力，反之亦然。特别是，这意味着可以通过桨叶的迎角和转速的不同组合来实现预定推力值，也称为操作参数值对。这里描述的方法可用于为推力值选择操作参数值对，该推力值将以这样的方式实现，即可以在飞行操作期间实现诸如第二旋翼、特别是尾桨的旋翼的声音发射的改进，特别是最小化。该方法还允许以简单的方式考虑带罩旋翼的复杂声学特性。特别是，例如，所述方法可以以使得在操作期间以使得利用护罩的频率相关阻尼特性的方式来控制旋翼的方式来有利地应用所述带罩旋翼的频率相关声学特征。因此，优选地，在步骤(d)中以避免不优选地由护罩衰减的旋翼的声音发射的频率的方式控制旋翼。换句话说，在步骤(d)中，优选地当使用衬垫时，以使得旋翼基本上产生具有由护罩衰减的频率的声音发射的方式来控制旋翼。

19、优选地，当飞行器处于悬停飞行时，至少暂时地发生根据步骤(d)的至少一个旋翼的控制。特别是，悬停被理解为飞行器保持在基本不变的水平和竖直位置的状态。例如，当飞行器悬停时，可能需要增加旋翼的桨叶载荷，这可以伴随高音调的声音分量，同时飞行器长时间保持在地面上的相同位置之上。因此，特别需要在悬停时最大限度地减少飞行器的声音发射。

20、优选地，在该方法中，步骤c)中的分配包括声指数的图形和/或表格表示，作为旋翼的旋转速度和/或迎角和/或由此实现的推力值的函数。例如，图形表示可以是一个或多个函数或测量曲线的表示。例如，这可以提供相应值的更简单表示和/或简化测量值的插值。

21、优选地，存储在步骤c)中的分配由进一步的声指数和/或操作参数值对和/或推力值补充，其在数值模拟中和/或通过插值确定。特别是，数值模拟可以包括旋翼系统的空气动力学模拟(计算流体动力学，cfd)和/或旋翼系统的声学模拟(计算气动声学，caa)。例如，这种模拟和/或插值可以减少测量工作。这种数值模拟的示例在开头提到的文献中进行了描述。

22、优选地，在步骤d)中，选择用于控制旋翼的声指数，使得实现旋翼的声音发射的减少。为此，例如，可以在测试环境中控制旋翼，以实现预定推力，并且使用产生所需推力的不同的操作参数值对，并且可以确定相应的声指数。因此，优选地选择确定最小声指数的操作参数值对，用于在飞行模式下对旋翼进行后续控制。例如，这使得以简单的方式减少声音发射成为可能。

23、优选地，声指数包括旋翼的音调和/或声音发射的总水平。例如，通过降低音调，由飞行器在操作期间引起的声音产生可以对人类耳朵显得不那么令人不快。例如，通过降低总水平，可以降低声音发射的总量。

24、声音发射的音调优选地限定为声音发射的峰值声级和宽带噪声级之间的差。优选地，峰值声级在测量频谱的限定频率处确定。例如，峰值声级的限定频率可以是至少一个旋翼桨叶或各旋翼桨叶的特征桨叶通过频率。除其他外，这些特征桨叶通过频率是由旋翼桨叶的数量、它们彼此之间的角距离和旋翼的转速产生的。然而，音调也可以考虑若干频率。在这种情况下，对于多个频率计算相应的峰值声级和宽带噪声级之间的差的算术平均值。特别是，算术平均可以被限制到预定的频率范围。

25、优选地，使用其护罩由相对于旋翼的旋转轴线的周向中空结构形成的旋翼来执行该方法，所述中空结构优选地具有在其面向旋翼的周向表面上至少在其部分上是气体可渗透的区域，所述中空结构进一步优选地被配置为使得通过气体渗透区域穿透到中空结构中的至少一个频率的声波至少部分地被中空结构吸收。旋翼及其护罩也称为旋翼系统。气体渗透区域，例如护罩表面的分段微穿孔，也被称为衬垫，并且例如，可以导致由旋翼的旋转产生的旋翼叶尖涡流被引入护罩的中空结构中。特别是，护罩的这种配置可以实现旋翼声音发射的频率相关阻尼。所描述的方法被证明对于这种旋翼系统特别有利，因为该方法可用于专门选择其在旋翼运行期间的声音产生可通过护罩特别良好地衰减的那些操作参数值对。

26、优选地，飞行器被设计为直升机，旋翼是配置用于绕偏航轴的扭矩补偿和控制的辅助旋翼，进一步优选直升机的尾桨，其中直升机进一步优选地包括单独的驱动器，特别是电动机，其被配置为根据预定的旋转速度设置辅助旋翼旋转。通过为辅助旋翼，特别是尾桨，提供单独的驱动，例如，可以以简单的方式单独调节旋翼的转速。

27、优选地，所述旋翼是飞行器的第一旋翼，并且飞行器包括至少第二旋翼，其被配置为补偿或至少减少作用在飞行器上的扭矩，第二旋翼具有护罩，并且第二旋翼的转速和第二旋翼至少一个旋翼桨叶的迎角，优选第二旋翼所有旋翼桨叶的均一迎角，可对于第二旋翼独立于第一旋翼而调节，并且其中优选地，通过测量至少两个旋翼的总声值，对第一旋翼和至少第二旋翼分别执行步骤a)至d)。换句话说，本发明也适用于具有若干带护罩的旋翼的飞行器，其也称为多旋翼系统。例如，使用若干带罩的旋翼可以为减少声音发射提供额外的自由度，因为例如，有若干组合单独可控旋翼的可能性。

28、根据本发明，提供了一种用于具有至少一个旋翼的飞行器的控制数据提供单元，该旋翼被配置为补偿或至少减少作用在飞行器上的扭矩，旋翼具有护罩，并且旋翼的转速和旋翼的至少一个旋翼桨叶的迎角对于旋翼是可调节的，特别是独立于飞行器上提供的另一旋翼。控制数据提供单元包括

29、(a)限定单元，其用于限定旋翼的至少第一操作参数值对和至少第二操作参数值对，其分别指定旋翼在由此实现的相同推力值下的不同转速和迎角，

30、(b)确定单元，其用于确定第一操作参数值对的第一声指数和第二操作参数值对的第二声指数，其中所述确定包括在测试装置中测量旋翼的声值，

31、(c)存储单元，其用于存储第一和第二声指数，并将其分配给相应的一操作参数值对，以及

32、(d)输出单元，其用于输出用于在飞行器的操作期间控制旋翼的控制数据，控制数据参考存储在存储单元中的分配并作为要选择性地获得的至少第一或第二声指数的函数，指定根据第一操作参数值对或第二操作参数值对而对旋翼进行控制。

33、例如，使用这种控制数据提供单元，可以实现与上述方法相同的效果和优点。

34、根据本发明的飞行器包括至少一个旋翼，该旋翼被配置为补偿或至少减少作用在飞行器上的扭矩，该旋翼具有护罩，并且旋翼的转速和旋翼的至少一个旋翼桨叶的迎角对于旋翼是可调节的，特别是独立于飞行器上提供的另一个旋翼。此外，飞行器具有控制单元，该控制单元在飞行器的操作期间至少暂时使用由根据本发明的控制数据提供单元提供的控制数据来控制至少一个旋翼，并且/或者根据本发明方法的步骤(d)来对其进行控制。优选地，至少在飞行器的悬停飞行期间，使用由控制数据提供单元提供的控制数据和/或根据步骤(d)，控制所述至少一个旋翼。