旋翼机总体设计的几个问题

旋翼机总体设计的几个问题摘要：结合自转旋翼特性及旋翼机设计的独特性，在直升机空气动力学和飞行动力学原理的基础上修改并建立了计算模型，解决了旋翼机气动布局、总体参数及旋翼设计等方面的难题。旋翼机的旋翼依靠前方来流吹动始终处于自转状态，因而一旦发动机空中停车，可以直接依靠旋翼自转着陆，而直升机旋翼还需要一个转入自转的过程，所以旋翼机没有直升机的低速回避区，安全性更好。旋翼机由于其旋翼自转，没有自发动机至旋翼的减速和传动装置，也不需要平衡旋翼反扭矩的尾桨，因而结构大大简化。现代自转旋翼飞行器采用旋翼预转技术，起飞前通过简单传动装置将旋翼预先驱转，然后通过离合器切断传动链路后起飞，使得它可以跳跃式或超短距起飞（起飞距离0～30m）；自转旋翼飞行器降落时，通过操纵旋翼锥体后倾，可实现点式着陆，不需要专用机场。因而近十几年来，旋翼机再次成为航空领域关注的热点。一、总体参数、布局及飞行性能1.参数确定旋翼机总体设计参数包括总重Gw、使用载荷Guse、旋翼半径R、旋翼桨尖速度ΩR、旋翼桨叶弦长b、桨盘载荷p、旋翼实度σ、功率载荷q、螺旋桨桨叶半径Rp和螺旋桨桨尖速度ωRp等。根据对已有旋翼机参数的归纳总结，目前使用中的旋翼机大多是小型或轻型的，重量比（空机与总重之比）约0.6。设计任务可以确定总重Gw，也可以确定使用载荷Guse，知道二者之一，便可以求出另一者。为了拥有好的性能，例如停车下降率约为5m/s，一般要求功率载荷q小于4.5kg/hp（59.2N/kw）,桨盘载荷p小于12kg/m2。桨叶片数k可以参考直升机方法确定，目前大多旋翼机采用两片桨叶，安装在跷跷板式桨毂上。典型两片桨叶旋翼，取实度σ为0.034～0.040。如果实度取稍大值，则桨叶挥舞增加，性能改善不多，故一般都取偏小值。由式（1）可以确定旋翼桨叶弦长b，若需要跳飞，预转旋翼桨尖速度要增大至1.5倍左右。螺旋桨直径根据发动机转速来确定，大的直径对爬升率和低速推力很重要，但是如果取得过大，则全机尺寸高，停放不易。螺旋桨一般与发动机输出轴直接连接，所以螺旋桨转速rpm就是发动机轴转速，螺旋桨桨尖速度ωRp和旋翼机前飞速度的合速度一般不超过声速的90%，目前常用的旋翼机螺旋桨桨尖速度（ωRp）max≤290m/s。知道发动机转速后，即可确定螺旋桨桨叶直径。轻小型旋翼机总距角θ一般是固定的，中大型旋翼机的θ也不用经常操纵。θ增加，则最小飞行速度减小，最大飞行速度增加，可用功率增加，但预转较费力，一般θ取3°～5°较理想。旋翼轴后倒角一般取-3°～-12°，取偏小值性能略有改善，但是对跳飞不利。中心铰旋翼要有预锥角，一般约2°~4°。2.性能总体参数与气动、动力学、结构重量、噪声及操稳特性等有密切关系。选取这些参数很繁杂，甚至相互矛盾，如果条件具备，旋翼机也可以像直升机总体参数优化设计一样来优化各参数。旋翼机桨盘载荷p对前飞最大速度Vmax影响很小，但对最小速度Vmin影响很大,p减小，Vmin减小，经济速度、有利速度增大。功率载荷q对Vmin影响较小，对Vmax等影响很大，q减小，Vmax增加，不影响最大航程。实度σ减小，Vmax随之减小，低速段需用功率也减小，所以可用功率增加；增大σ对跳飞有利，对预转速度rpm要求较低。3.布局与部件旋翼机的最基本的部件是机身、发动机、旋翼系统、螺旋桨、尾面以及起落架。为了改善性能，如提高飞行速度等，还可以选择机翼等部件。机身是所有其他部件的连接件，结构可以是焊接管、金属片、复合材料、单管栓接或混合结构方式，最大强度重量比的机身是碳纤维材料或焊接管结构。发动机在飞行中提供独立于旋翼系统的前飞动力，在地面则可以提供旋翼桨叶预转的动力。随着旋翼机的发展，可用于旋翼机的发动机种类也越来越多。车用、船用、航空发动机都可以用于以娱乐、体育爱好为目的研制的旋翼机，而需要取得适航证的旋翼机必须安装权威管理机构认证的发动机。发动机可以是活塞式也可以是涡轮式。旋翼系统主要给旋翼机提供升力和操纵，常用的是全铰接式、半刚性跷跷板式。因不需反扭矩装置，现代旋翼机的主要型式是单一的旋翼。目前旋翼机惯用2片或3片桨叶，广泛应用于直升机的负扭度桨叶对旋翼机来讲，并没有多大优势，所以旋翼机上常用无扭转或正扭转桨叶。个人自制的小型旋翼机常常使用可以连同桨毂桨叶一起扳动倾转的旋翼系统，也可以使用带总距操纵来改变旋翼桨叶俯仰角的旋翼系统。如果桨叶带总距操纵且具有足够的惯量，旋翼机跳飞就有可能实现。旋翼机的螺旋桨可以是拉进式也可以是推进式，也就是说，螺旋桨可以安装在机身头部，也可以安装在尾部。早期的旋翼机是由螺旋桨拉进式固定翼飞机改装而成，用旋翼替代固定机翼或者固定机翼与旋翼复合使用。推进式布局避免了方向舵和平尾位于螺旋桨滑流中，具有更好的操纵性，飞行员也有更好的视野。但是在总体设计中应该充分考虑推进式布局中，由于受机身影响，螺旋桨的工作效率有所降低。和定翼飞机一样，旋翼机尾平面包括垂尾和平尾，提供俯仰和偏航轴向的稳定和操纵。有一些旋翼机，特别是封闭式驾驶舱的旋翼机，航向稳定性很低，为了补偿航向稳定性，安装垂尾是必要的。由于垂尾面积受旋翼桨叶倾转边界和着陆俯仰角度的限制，所以许多旋翼机设计安装了多片垂直安定面和方向舵。如果采用推进式螺旋桨布局，处于螺旋桨滑流中的平尾和垂尾利用效率会更高，特别是在旋翼机起飞和着陆飞行速度比较低的时候。起落架使旋翼机在地面具有机动性。早期的旋翼机一般采用后三点式起落架布局，现今的旋翼机大都采用前三点式起落架布局。旋翼机可以选装机翼，这样就可以实现短距离起飞和以飞机速度巡航，例如Cartercopter旋翼机。采用这类布局，在前飞时，机翼会承担旋翼机绝大多数载荷，旋翼也就被卸载了。如果此时发生发动机停车，旋翼不具有安全着陆的能量，必须相对旋翼机所处的飞行状态采取相应的措施，设法让旋翼尽快进入自转状态。二、纵向稳定性旋翼机的纵向稳定性问题，尤其是飞行员诱发振荡(PIO，PilotInducedOscillation)问题和推力过大（PPO,PowerPushOver）问题是飞行员最关注的问题。PPO问题实质上是指遭遇突风，旋翼机的旋翼升力突然被卸载，旋翼机的螺旋桨推力仍然保持，造成的低头力矩相对过大，旋翼机发生前翻的严重飞行事故。旋翼机纵向稳定性和螺旋桨推力线（本文主要研究推进式布局螺旋桨）与重心相对位置有重要关系。旋翼机稳定与否，取决于螺旋桨推力线的高度。旋翼机的纵向运动可用五个参数描述：空速、机身迎角、俯仰角度、俯仰角速度和旋翼转速，其中最重要的是迎角。旋翼机的纵向俯仰运动取决于螺旋桨推力、平尾力（升力和阻力）、机身阻力和旋翼拉力（升力和阻力）。假如先不考虑平尾气动力，在两种重心设计状态下旋翼机要保持平衡，旋翼拉力力矩必须要和螺旋桨推力力矩组成相反力矩，如图1所示（高、低重心是相对螺旋桨推力线位置而言）。在图1-a中,螺旋桨推力矩是低头力矩，则旋翼拉力矩是抬头力矩。当遇到外界干扰，如突风，旋翼机迎角增加，桨盘迎角也随之增加，则旋翼拉力增加，前行桨叶升力增加多些，后行桨叶升力增加的少些，这样增加了桨叶的周期吹风挥舞，使桨尖平面后倒，如图1-a所示，T1变成T2，力和力臂都有所增加，产生附加力矩，增加的力矩是抬头力矩，又增加了旋翼机迎角。反之，当外界干扰使迎角减小，抬头力矩减小又加速了迎角减小。所以这种重心布置，是俯仰静不稳定的，需要加装平尾。在图1-b中,螺旋桨推力矩是抬头力矩，则旋翼拉力矩是低头力矩。如遇阵风，旋翼机迎角增加，桨盘迎角也随之增加，则旋翼拉力增加，如图1-b所示，T1变成T2，力有所增加，但力臂减小了，相比较还是力的增加是主要的，所以产生附加力矩，增加的力矩是低头力矩，减小了旋翼机迎角，故这种布局，是俯仰静稳定的。综上可知：无平尾低重心旋翼机纵向静不稳定，在PPO问题上是极其危险的，有风和高速状态下不能飞，这种布局不可取；带平尾低重心旋翼机（目前大多轻小型旋翼机的类型）布局要求平尾面积足够大，翼型气动效能好，最好是处在螺旋桨的滑流里；带平尾高重心旋翼机布局最好，不易产生PIO问题，更不会产生PPO问题。总之，在总体布局设计时应该考虑到：推力螺旋桨布局优点多，视野好，低速时增加尾面效率，但重心靠后，旋翼高；垂尾应该在螺旋桨尾流中，低速效果好，前飞中来流不被机身阻挡；保证在螺旋桨停转时仍有足够的气动效能；桨毂采用下挂式，使各片桨叶的重心连线过铰心，对中心铰旋翼，无俯仰阻尼，应该有平尾；侧翻角要大，因为侧风中着陆时常有侧倾，主轮应该在空机重心之后，前轮尽可能放前，前翻角不小于35°，后翻角不小于45°；重心纵向范围按两种极限状态（乘员的最大、最小人数）计算；选择翼型很重要，特别是旋翼桨叶翼型，翼型适宜可以减少飞行员的操纵负荷。三、自转旋翼特性自转旋翼是旋翼机的典型特征。旋翼机的旋翼气动原理与直升机的相似，所以可将分析直升机旋翼气动特性的方法，根据旋翼机的特点进行修改后用来分析旋翼机。图2是旋翼机巡航飞行时自转旋翼桨盘所受气动力及其分布示意图。靠近桨尖部分的叶素气动合力向后，阻碍桨叶转动，对自转起减缓作用，如图2-c所示；靠近桨根的叶素迎角过大，引起失速，如图2-b所示；中间部分的叶素气动合力向前，驱使桨叶转动，对自转起加速作用，如图2-d所示。当整个桨盘起阻碍作用的气动合力等于起驱动作用的气动合力时，旋翼便处于稳定自转状态，这也是旋翼机的定常工作状态。叶素相对气流的切向速度UT、垂向速度UP和径向速度UR分别为：UT=vxsinψ+vYcosψUP=(-vxcosψ+vYsinψ)sinβ+（vz-vi）cosβUR=(-vxcosψ+vYsinψ)cosβ+（vz-vi）sinβ其中vx、vy、vz分别为来流速度在X、Y、Z三个轴方向的分量，vi为旋翼诱导速度，β和ψ分别为桨叶挥舞角和方位角。通过引入动态入流到叶素理论，并应用数值积分的方法，建立数学模型计算单片桨叶的升力和阻力，然后按坐标分解，积分求出桨轴坐标系中的桨毂力和力矩。为了计算旋翼自转时的稳定转速，需求解非线性方程。旋翼机定常飞行时，螺旋桨推力（靠操纵发动机油门控制）、旋翼纵向和横向周期变距（操纵驾驶杆）、垂尾舵面（操纵脚蹬）是操纵量，总距在旋翼机起飞后一般是不操纵的。所以要使旋翼机做定常飞行，必须通过输入操纵量，让旋翼垂直向上的桨毂力等于重力的同时，并使旋翼处于稳定自转状态，即旋翼上的反扭矩Q也为零：其中Cl为翼型升力系数，Cd为翼型阻力系数，e为铰为伸量（旋翼为跷跷板式时e为零）。通过建模计算，本文得出某型旋翼机单独旋翼飞行动力性能关系及结果如图4、图5、图6、图7所示。当旋翼输入参数旋翼轴后倒角γs=-5*9觷、总距θ0=3*9觷、纵向周期变距θ1c=0*9觷、横向周期变距θ1s=0*9觷时，随着前飞速度的增加，旋翼稳定转速也逐渐增加；当前飞速度一定，而且以上四个参数值只变动一个的情况下，旋翼稳定转速随γs增加而减小，而随θ0、θ1c、θ1s的增加而增加。如图8所示，当总距不变时，随着前飞速度的变化，可以只操纵周期变距杆来稳定旋翼转速，这是旋翼机的主要操作方式。如果设计要求旋翼机具有跳飞性能，则从总体设计阶段开始就要对旋翼系统，特别是桨叶进行相关设计，不能只选择现有旋翼或直升机上所使用的旋翼。旋翼桨叶翼型要选择阻力系数小、升力系数大的，以便于预旋转到高转速，并且具有较大的转动惯量和较低的桨盘载荷，最好要加桨尖配重。四、结束语旋翼机总体设计阶段主要完成如下工作：首先确定旋翼机的主要功能和用途，然后分析旋翼机的参数特性，和现有旋翼机比较性能，再选择发动机、气动布局、结构形式并画出设计图，最后计算各性能等。设计过程中必须要进行一些必要的结构分析，而且上述工作之间很多都是相辅相成的，进程是并行的，需要不断修改和反复。旋翼机总体设计中除了上述几个较重要的问题外，像发动机通过离合器预旋转旋翼的传动系统设计，跳飞特性及旋翼机操纵性和稳定性分析等问题也是需要研究的工作内容。