在(zài)直升机发展初期、没有哪一种(zhǒng)布局(jú)的直升机占(zhàn)有主导地位(wèi),不(bú)同的设计者(zhě)根据自己(jǐ)的理解和喜好,设计出各式各样的垂直飞行器,但是经过(guò)多年的实践(jiàn)。其他布局(jú)的直(zhí)升机大多失去了热衷(zhōng)者,唯有单旋翼带尾桨的直升(shēng)机(jī)势头未减(jiǎn),占(zhàn)据(jù)主(zhǔ)导地位,成为目前(qián)应(yīng)用最为广(guǎng)泛的一种直(zhí)升机。多数起飞重量较大的无人直升机也都采用此(cǐ)种布局。单旋翼带尾桨直(zhí)升机(jī)构造简(jiǎn)单,操纵(zòng)灵便,确(què)有其显著的优点。
事实上,同是单(dān)旋(xuán)翼带尾桨直升机,不同(tóng)的机型,虽然共性的方面很多,但在气动(dòng)布(bù)局(jú)上(shàng)也可能存在着较大(dà)的差别,其气动部件的形(xíng)状、安(ān)装部位(wèi)、部件配置(zhì)、参数选择等都可能不(bú)一样。不同(tóng)的气动(dòng)布局必然会产生不同的气动(dòng)特点,而不同的气动特点又会(huì)直接(jiē)影响到直升(shēng)机的性(xìng)能和操(cāo)纵。国内目(mù)前使用的单旋翼带尾桨无人(rén)直(zhí)升(shēng)机(jī)机型较多(duō),对于无(wú)人机驾(jià)驶员来说,了解不同布局的(de)气动特点(diǎn)和设计师的特(tè)殊考虑,对于掌握机型特点是有益(yì)的。下面对单旋翼带尾桨直升(shēng)机的代动布(bù)局特点进行简(jiǎn)要介绍。
1.旋翼的布(bù)局和工作参数选择
1)旋翼旋转(zhuǎn)方向
一般来说,美国的一些直升机喜欢采用俯视逆时针旋(xuán)翼,法国,俄(é)罗斯等多数国家喜欢(huān)采(cǎi)用俯视(shì)顺时(shí)针旋翼,我国直升机(jī)中(zhōng)"黑鹰"和(hé)直-8是俯(fǔ)视逆(nì)时针旋翼,其(qí)他机型(xíng)都是俯视顺时针(zhēn)旋翼(yì)。从气动特性来说(shuō),两者并(bìng)没有明显的差别。但是,对(duì)有(yǒu)人机来讲,如果(guǒ)采用并列式双驾驶(shǐ)员座(zuò)舱,并指定左座(zuò)为机长位置,那么还是采用俯(fǔ)视顺(shùn)时(shí)针旋翼好些。这主要是(shì)在(zài)悬停(tíng)和起、降中,飞(fēi)行员的视线(xiàn)方向与飞行员小臂的移(yí)动方向一致,操纵动作比较自然的(de)缘故。
2)旋翼轴前倾角
为了降低燃料消耗率,设计师通常把(bǎ)直升(shēng)机(jī)以巡航速度飞行时的姿(zī)态,选(xuǎn)为接近水平姿态,使阻力最小(xiǎo),这样,飞行中旋翼桨盘就(jiù)必须前倾,以便形成(chéng)足够的水平拉(lā)力(lì)与阻力(lì)相平衡。比较方便的(de)做法是将旋翼轴设(shè)计(jì)成(chéng)向前倾斜的,前倾角(jiǎo)通常为5°左右。但是前倾(qīng)角过大也不好,会(huì)造成消速(sù)及(jí)悬停时直升机(jī)的姿态很大。严格地说,前倾旋翼轴对(duì)悬停操纵与空(kōng)气(qì)动力设计都不算(suàn)有(yǒu)利(lì),今后可能会有更好的解决方案。
3)旋(xuán)翼直(zhí)径
大的(de)旋翼(yì)直径可以有(yǒu)效地提高旋翼(yì)拉力,因为旋(xuán)翼拉力(lì)同(tóng)旋(xuán)翼半径的(de)四次方成(chéng)正比。旋翼直径大,则旋翼的桨盘载荷小。这样(yàng)可以有效地降低旋翼诱阻(zǔ)功率(lǜ)。但是,旋翼直(zhí)径过大,也有其不利方面,主要(yào)有:直升机(jī)重(chóng)量增加、造价(jià)提高、所(suǒ)需的存放场地大、在丛林等复杂(zá)地貌条件下机动能力(lì)差。为此,设计(jì)师在设计过(guò)程中,最终目标是确定最小的旋翼(yì)直径(jìng)或者确定最(zuì)大的(de)桨盘载荷,它(tā)必须既(jì)能满足性能(néng)要(yào)求,又能满足直升机的使(shǐ)用要求。
4)旋(xuán)翼桨叶的(de)平(píng)面形(xíng)状
早(zǎo)期直升机的旋翼多采(cǎi)用尖削桨叶,即桨叶尖部的弦长比(bǐ)根部更短一些,这可使(shǐ)桨盘诱导速度更为(wéi)均匀,从而改善悬停性能。采用金属桨叶后,为了(le)制作(zuò)方便,一般(bān)旋(xuán)翼(yì)都采用矩形桨叶(yè)。近(jìn)些年,复合材料受到青睐,由(yóu)于这(zhè)种桨叶按变弦长的要求制作没有困难,尖(jiān)削方案可能重新被采用。为了解决大速度下(xià)空气压缩(suō)性的(de)影响和噪音(yīn)问题(tí),把桨叶(yè)尖部(bù)做成(chéng)后(hòu)掠形是可取的方案。。黑鹰(yīng)"直升机(jī)就是一个(gè)例子。
5)桨(jiǎng)叶扭转
采用(yòng)扭转桨叶可以改(gǎi)善旋翼桨叶拉力分布,但是,大的扭转虽然对悬停(tíng)有利,但在大速度飞行时,会(huì)产生振动载荷(hé),而且,大的扭转对自(zì)转也不(bú)利。因(yīn)此,目前桨(jiǎng)叶的扭转角多在-5°~-6。之(zhī)间。
6)桨叶翼型和桨叶片数
一般来说,理想的翼(yì)型应该既(jì)有(yǒu)较好的低速性能,又有较好的高速性(xìng)能,同时俯仰力矩也要符(fú)合要求(qiú),还要考(kǎo)虑防颤振等特殊(shū)要(yào)求(qiú)。这些条件往往相互矛盾。目前(qián)来看,相对(duì)厚度比较薄的接近对称型方案占(zhàn)上风。
至于(yú)旋翼的桨叶片(piàn)数,目前多数单旋翼带尾桨无人直升机使用2片桨叶。
2.尾桨形式与布局(jú)
1)尾桨的安装位(wèi)置与(yǔ)旋转方向
尾桨的作用是平衡旋翼产(chǎn)生的反扭矩,单旋翼直升机的(de)尾桨(jiǎng)都是安装在尾梁后部或尾斜梁或垂尾上,其垂直位(wèi)置(zhì)有的比较低,有的则比(bǐ)较高。尾桨的安(ān)装位置(zhì)低,可以减小传动系统的(de)复杂性,有助于减(jiǎn)轻(qīng)结构重量,但是,尾桨可能处在(zài)旋翼尾流之中,容易发生不利的气动干扰。反过来,尾桨的(de)安装位置高,则可以(yǐ)避免(miǎn)或减少气动干扰,提高(gāo)尾桨效率,对提高前飞的稳(wěn)定性也(yě)是有利的,而且悬停时直升机坡度较小,但结构较(jiào)低置尾(wěi)桨复杂。现在看(kàn)来,多(duō)数直升机(jī)都采用高置(zhì)尾桨。
尾桨(jiǎng)旋(xuán)转方向的选择,主要是从减弱旋翼与尾桨之间的气动干扰考虑的。一般认为,尾(wěi)桨采(cǎi)用(yòng)底部向前的旋转方向较为有利,尾桨效(xiào)率也比较高。
2)推式尾桨和拉式尾桨
在尾桨(jiǎng)拉力方向不变的情况下,可以把(bǎ)尾(wěi)桨安装(zhuāng)在(zài)垂尾的左侧(cè),也可以安(ān)装在垂(chuí)尾的(de)右侧。如(rú)果尾桨拉力(lì)方向(xiàng)指向直升机(jī)对称面,则为推式尾桨;如果尾(wěi)桨拉力是从对称(chēng)面向外指的,则为拉式(shì)尾桨。采用推(tuī)式尾桨还是拉式尾桨,主要(yào)是从尾桨与垂尾的气动干(gàn)扰方面考虑的(de)。采(cǎi)用拉式尾(wěi)桨,垂(chuí)尾处于尾桨的(de)诱(yòu)导速(sù)度范(fàn)围内,在垂尾上必然要(yào)产生一个与尾桨拉力方向相反(fǎn)的侧力,这样会降低尾桨效率,而且,还容易发生方向摆动等(děng)现象(xiàng)。虽(suī)然推式(shì)尾桨与垂尾之间也会发生气动(dòng)干扰(rǎo),但总(zǒng)的来看,采(cǎi)用推(tuī)式尾桨较为有利。
3)尾(wěi)桨桨叶的扭转(zhuǎn)
尾桨桨叶的(de)扭转可以在一定程度上提高尾(wěi)桨(jiǎng)的工作效(xiào)率,但有可能导致尾桨(jiǎng)涡环的产生并带来相应的副作用(yòng),一般不(bú)提倡。

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