在直升机发展初期、没有哪一种布局的直升(shēng)机占有主(zhǔ)导地位,不(bú)同的设计者根据(jù)自(zì)己的理解和喜好,设计(jì)出各式(shì)各样的垂直飞(fēi)行器,但是经(jīng)过(guò)多年(nián)的(de)实践。其他(tā)布局的直升(shēng)机大多失去了热衷者,唯有单旋翼带(dài)尾桨的直升(shēng)机势头未减,占据主导地(dì)位,成为(wéi)目(mù)前应用最为(wéi)广(guǎng)泛的一(yī)种直升机。多数起飞重(chóng)量较大的无人(rén)直(zhí)升机也都采用此种布局。单旋翼带尾(wěi)桨直(zhí)升机构造简单,操纵灵便,确有其显著(zhe)的优点。
事实上,同是单旋翼带尾桨直升机,不同的机(jī)型,虽然(rán)共性的方面很多(duō),但(dàn)在气动布局上也可能存在(zài)着较大(dà)的差别,其气动部件的形状、安装(zhuāng)部位、部件配置、参数选择(zé)等(děng)都可能不一样。不同的气动(dòng)布局必然会产生不同(tóng)的气动特点,而不(bú)同的气动(dòng)特点又会直接影响到直升机的性能和操(cāo)纵。国内目前使用的单旋翼带尾桨无人直升机(jī)机型较多,对于无人机驾驶员(yuán)来(lái)说(shuō),了(le)解不同布局(jú)的气动(dòng)特点和设计师的特殊考虑(lǜ),对(duì)于掌握机(jī)型特点是有益的。下面(miàn)对单旋翼带尾桨(jiǎng)直升机(jī)的代(dài)动(dòng)布局(jú)特(tè)点进行简要介绍。
1.旋翼的布局和工作参(cān)数选择
1)旋翼旋转方向
一般(bān)来说(shuō),美国的一些直升机喜欢(huān)采用(yòng)俯视(shì)逆时针旋翼,法国,俄罗斯等多数国(guó)家喜(xǐ)欢(huān)采(cǎi)用俯视顺时针旋翼,我(wǒ)国直(zhí)升机中"黑(hēi)鹰"和直-8是俯(fǔ)视逆(nì)时针旋翼,其他机型都(dōu)是俯视顺时针(zhēn)旋(xuán)翼。从气动特性(xìng)来说,两者并没有明显的差别(bié)。但是,对有人机(jī)来讲(jiǎng),如果采用并列式(shì)双驾驶员座舱,并指定左座为机(jī)长位置,那(nà)么还是采用俯(fǔ)视顺时针旋翼好(hǎo)些(xiē)。这(zhè)主(zhǔ)要是在悬停和(hé)起(qǐ)、降中,飞行员的(de)视线方(fāng)向与飞行员(yuán)小臂的移动方向(xiàng)一致,操纵动(dòng)作比较自然(rán)的缘故。
2)旋(xuán)翼轴(zhóu)前倾(qīng)角
为了(le)降低燃料消耗率,设计师通常把直升(shēng)机以巡航速度飞行(háng)时的姿态,选为接近(jìn)水平姿态,使阻力最小,这样,飞行中旋翼桨盘就必须(xū)前倾,以便形成足(zú)够的水平(píng)拉力与阻力(lì)相平衡(héng)。比较方便(biàn)的做法是(shì)将旋翼轴设计成向前倾斜的,前倾角通常为5°左右。但是前(qián)倾角过大也不好,会(huì)造成(chéng)消(xiāo)速及悬停时直升机的姿(zī)态很(hěn)大。严格(gé)地说,前倾旋翼轴(zhóu)对悬(xuán)停操纵与空气动力设计都不算(suàn)有利,今后可能会(huì)有更(gèng)好(hǎo)的解决方案。
3)旋翼直径
大的旋(xuán)翼直径可以有(yǒu)效地提高旋翼拉力,因为旋翼拉力同旋翼(yì)半(bàn)径(jìng)的四次方成正比。旋翼直径大,则旋翼的(de)桨盘(pán)载(zǎi)荷小(xiǎo)。这样(yàng)可以有(yǒu)效地降低旋翼诱阻(zǔ)功率。但(dàn)是,旋翼直径过大,也有其不利方面,主(zhǔ)要有:直升机重量增加、造价提高、所(suǒ)需的存放(fàng)场地大、在丛林等复杂地貌条(tiáo)件下机动能力差。为此,设计师(shī)在设(shè)计过程中,最终目标(biāo)是确定最小的旋翼直径或(huò)者确定最大的桨盘(pán)载荷,它必(bì)须既能满足性能要求,又(yòu)能满足直升机(jī)的(de)使用要(yào)求(qiú)。
4)旋翼桨(jiǎng)叶的平面形状
早期直升机的旋翼(yì)多(duō)采用尖削(xuē)桨叶,即桨叶尖(jiān)部的弦长(zhǎng)比根部更(gèng)短一些,这(zhè)可使(shǐ)桨盘诱导速度更为均匀,从而改善悬停性能。采用金属桨叶后,为(wéi)了制作方便,一般旋翼都(dōu)采用(yòng)矩形桨叶(yè)。近些年,复合材料受到青睐,由于(yú)这种桨叶按变弦长的要求制作没(méi)有困难,尖削方案可(kě)能重新(xīn)被采用。为(wéi)了解决大速度(dù)下空气压缩性(xìng)的影响(xiǎng)和噪音问题,把桨叶尖部做成后掠(luě)形是可取的方案。。黑鹰"直(zhí)升机就是一个例子。
5)桨叶扭转(zhuǎn)
采用扭转桨叶(yè)可以改善旋翼(yì)桨叶拉力分布,但是,大的扭转虽然对悬(xuán)停有利,但在大速度飞行时,会产生振动载荷,而且,大的扭转对自转(zhuǎn)也不(bú)利。因此,目前桨叶的扭转角多在-5°~-6。之间。
6)桨叶翼型和桨叶片数
一般来说,理想的翼型应该既有较好(hǎo)的低(dī)速性能,又有较好的高速性能,同(tóng)时俯(fǔ)仰力矩也要符合要求,还要考虑防颤(chàn)振(zhèn)等特(tè)殊要求。这些条件(jiàn)往往相互矛盾。目前来看,相对厚(hòu)度比较薄的接近对称型方(fāng)案(àn)占上(shàng)风。
至于旋翼的桨叶片数,目(mù)前(qián)多数单旋翼(yì)带尾桨无人直升机使用2片桨(jiǎng)叶。
2.尾桨形式(shì)与布局
1)尾桨的(de)安装位置(zhì)与旋转方向
尾(wěi)桨(jiǎng)的作用是平衡旋翼产生(shēng)的反扭矩,单旋(xuán)翼(yì)直升机的尾(wěi)桨都是(shì)安装在尾梁后部或(huò)尾斜梁或垂(chuí)尾上,其(qí)垂直位置有的(de)比较(jiào)低,有的则比较(jiào)高。尾桨(jiǎng)的安(ān)装位(wèi)置低,可以减(jiǎn)小传(chuán)动系(xì)统的复杂性,有助于(yú)减轻结构重量(liàng),但是,尾桨可能处在旋翼尾流之中,容易发生不利的气动干扰。反过来,尾桨的安装位置高,则可以避免或减(jiǎn)少气动(dòng)干扰(rǎo),提高尾桨效率,对(duì)提高前飞(fēi)的(de)稳定性也(yě)是有利的,而且悬停(tíng)时直升机坡(pō)度(dù)较小,但结(jié)构较低置尾(wěi)桨复杂。现在看来(lái),多数(shù)直升机都采用(yòng)高置尾桨。
尾桨旋转方向的(de)选择,主(zhǔ)要是(shì)从(cóng)减弱(ruò)旋(xuán)翼与尾桨之间的(de)气动干扰考(kǎo)虑的。一般认为(wéi),尾桨采用底部向前的旋转方(fāng)向较(jiào)为有利,尾桨效(xiào)率也比较高(gāo)。
2)推式尾桨和拉式(shì)尾桨
在尾桨拉力方向不变的情况下,可以把尾桨安装在垂尾的(de)左侧(cè),也可以安(ān)装在垂尾的(de)右侧。如果尾桨拉力方(fāng)向指向(xiàng)直(zhí)升机对(duì)称(chēng)面,则为(wéi)推式尾桨;如果(guǒ)尾(wěi)桨(jiǎng)拉力是从对称(chēng)面(miàn)向外指(zhǐ)的,则(zé)为拉(lā)式尾(wěi)桨。采(cǎi)用推式尾桨还(hái)是拉式尾桨(jiǎng),主要是从尾桨与垂尾的(de)气(qì)动干扰方面考虑的(de)。采用拉式(shì)尾桨,垂尾(wěi)处(chù)于尾桨的诱导速度范围内,在垂尾(wěi)上必然要产生(shēng)一个与尾桨(jiǎng)拉力方向相反的侧力(lì),这样会降低尾桨效率,而且,还容易发生方向(xiàng)摆动(dòng)等(děng)现(xiàn)象。虽然推式尾桨(jiǎng)与垂(chuí)尾之间也会发(fā)生气动干扰,但(dàn)总的来看,采用推式尾桨(jiǎng)较(jiào)为有利。
3)尾桨桨叶的扭转
尾(wěi)桨桨叶(yè)的(de)扭转可以在一定程度上提高尾桨(jiǎng)的工作(zuò)效率,但有可能(néng)导致尾(wěi)桨涡(wō)环的(de)产生并带来相应的副作用,一般不提倡。

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