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单旋翼带(dài)尾(wěi)桨无人直(zhí)升机的特性

 

在直升机(jī)发展初期、没有(yǒu)哪一种布局的直升机占有主(zhǔ)导地位(wèi),不(bú)同的设计者根据自(zì)己的理解和喜(xǐ)好,设计出各式各样的垂直飞行器,但是经过多年的实践。其他布局的(de)直升机大多失去了热(rè)衷者,唯有单旋翼带尾(wěi)桨的直升机势(shì)头未减,占据主导地位,成为目前应用最为广泛的一(yī)种(zhǒng)直升机。多数(shù)起飞重量较大的(de)无人直升机也都采用此(cǐ)种(zhǒng)布局(jú)。单旋翼带尾(wěi)桨(jiǎng)直(zhí)升机(jī)构造简单,操纵灵便(biàn),确有其显(xiǎn)著的优点。

事实上,同是(shì)单旋翼带尾桨(jiǎng)直升机,不同的机(jī)型,虽然共性的方面很多,但(dàn)在(zài)气动布局上(shàng)也可能存在着较大的差别,其气动部件的形(xíng)状(zhuàng)、安装部位、部件配置、参数选(xuǎn)择(zé)等都(dōu)可能不一(yī)样。不同(tóng)的气动(dòng)布局(jú)必然会产生(shēng)不同(tóng)的气动特点,而不同(tóng)的气动(dòng)特点(diǎn)又会直(zhí)接影响到直升机的性能和(hé)操纵。国内目(mù)前使用的(de)单(dān)旋翼带尾桨无人直(zhí)升机机型较多,对(duì)于无(wú)人机驾驶员来说,了解不同布局的气动特(tè)点和设计师的特殊(shū)考虑(lǜ),对于掌握机(jī)型特点是有益的(de)。下面对单旋翼带尾桨直(zhí)升机的代动布(bù)局(jú)特点(diǎn)进(jìn)行(háng)简(jiǎn)要介(jiè)绍。

1.旋翼的布局和工作参数选择

1)旋翼旋转方向

一(yī)般来(lái)说,美国的一些直(zhí)升(shēng)机(jī)喜欢采用俯视逆时针旋翼,法国,俄(é)罗(luó)斯等多数国家喜欢采(cǎi)用俯视(shì)顺时针旋翼(yì),我国直升机(jī)中"黑(hēi)鹰"和直-8是俯视逆时针旋翼,其他机型都是(shì)俯视顺(shùn)时针旋翼。从气动特(tè)性来说,两者并没有明显的差别。但是(shì),对有人(rén)机来讲,如果采用并列式(shì)双驾驶员座舱,并指定左座为机长位置,那么(me)还是采用俯视(shì)顺时针旋翼好些(xiē)。这主要(yào)是在(zài)悬停和起、降(jiàng)中(zhōng),飞行员的(de)视线方(fāng)向与飞行员小臂的移动方向(xiàng)一致,操纵动作比较自然的缘故。

2)旋(xuán)翼轴前倾(qīng)角(jiǎo)

为了降低燃料消耗率,设计师通常(cháng)把直升机以巡航速(sù)度飞(fēi)行时的姿态,选为接近水平姿(zī)态,使阻力最小,这样,飞行中旋翼桨盘就必须前倾,以便形成足够的水平拉力与阻(zǔ)力相平衡。比较(jiào)方便的做法是将旋翼轴设计成向前倾(qīng)斜的,前倾角通(tōng)常(cháng)为(wéi)5°左右。但是前(qián)倾角(jiǎo)过大也不(bú)好,会造(zào)成消(xiāo)速及(jí)悬(xuán)停时(shí)直升机(jī)的姿态很(hěn)大。严格地说,前倾旋翼轴对悬停操纵与(yǔ)空(kōng)气动力设计都不(bú)算有利(lì),今后可能(néng)会有更好的解决(jué)方(fāng)案。

3)旋翼直径

大的(de)旋翼(yì)直径(jìng)可以有效(xiào)地提高旋翼(yì)拉力,因为旋翼拉力同旋翼半径的四次方成正比。旋翼(yì)直径大,则旋翼(yì)的桨(jiǎng)盘载荷小。这样可以有效地降低旋翼诱阻功率。但是(shì),旋翼直径过大,也有(yǒu)其不利(lì)方面,主要(yào)有:直升机重量增加、造价提高、所需(xū)的存放场地大、在丛林等复(fù)杂地貌条件下机动能(néng)力差(chà)。为此,设计师在设计过程(chéng)中(zhōng),最(zuì)终(zhōng)目(mù)标(biāo)是确(què)定最小的旋翼直(zhí)径或(huò)者确定最大的桨盘载荷(hé),它必须既能满足性能(néng)要(yào)求(qiú),又能满足直升机(jī)的使用要求。

4)旋(xuán)翼桨叶的平面形状(zhuàng)

早期(qī)直(zhí)升机的旋翼(yì)多(duō)采用尖削桨叶,即桨叶尖部的弦长比根(gēn)部更(gèng)短一些,这可(kě)使桨盘(pán)诱导速度更为均(jun1)匀,从而改善(shàn)悬(xuán)停性能。采用金属桨叶后,为了制作方(fāng)便,一般旋翼都采用矩形桨叶。近(jìn)些年(nián),复(fù)合材料受到青睐,由于这(zhè)种桨叶按变弦长的(de)要求制(zhì)作没有困难,尖削方案(àn)可(kě)能重新被采用。为了解决(jué)大速度下空气压缩性的影响(xiǎng)和噪音问题,把桨叶(yè)尖部做成后掠形是可取的(de)方案。。黑鹰"直升机就是一个例子。

5)桨叶扭(niǔ)转

采(cǎi)用扭(niǔ)转桨叶可以改善旋翼桨叶拉力分布,但是,大的扭转虽然对悬停有(yǒu)利,但在大(dà)速度(dù)飞行时,会产生振动(dòng)载荷,而(ér)且,大(dà)的扭转对自转也(yě)不利。因此(cǐ),目前桨叶的扭转角(jiǎo)多在-5°~-6。之间。

6)桨(jiǎng)叶翼型和桨叶(yè)片数

一般(bān)来说,理(lǐ)想的(de)翼型应该既有较好的(de)低速性能,又(yòu)有较好的高速性(xìng)能(néng),同时(shí)俯仰力矩也要符合要(yào)求,还要(yào)考(kǎo)虑防(fáng)颤振等特殊要求。这些条(tiáo)件(jiàn)往往相互矛盾。目前来看,相(xiàng)对厚度比(bǐ)较薄的接(jiē)近对称型方案占(zhàn)上风。

至于旋翼的桨叶片(piàn)数,目前多数(shù)单旋翼带尾(wěi)桨无人直升机使用2片桨叶。

2.尾(wěi)桨形式与布局

1)尾桨的安装(zhuāng)位置(zhì)与(yǔ)旋转方向

尾桨的作用是平衡旋翼产生的反(fǎn)扭矩,单旋翼直升机的(de)尾(wěi)桨都是安(ān)装在尾梁后部或尾(wěi)斜梁或垂尾上(shàng),其垂直位置有的比较低,有的则比(bǐ)较高。尾桨的安装(zhuāng)位置低,可(kě)以(yǐ)减小传动系统的复杂性,有助于减(jiǎn)轻结构重量(liàng),但是(shì),尾桨可能处(chù)在旋翼尾流之中,容易发生不利的气动干扰。反过来,尾(wěi)桨的安装位置高,则可以避免或减少气动(dòng)干扰,提(tí)高尾桨效(xiào)率(lǜ),对提高前飞的稳定(dìng)性也是有利(lì)的(de),而且悬停时直(zhí)升机坡度较小(xiǎo),但结构较低置尾桨复杂(zá)。现在看(kàn)来,多数直升(shēng)机都采用高置尾(wěi)桨。

尾桨旋转方向的选择,主要是从减弱(ruò)旋(xuán)翼与尾桨之间(jiān)的气动(dòng)干扰考虑的。一般认为,尾桨采用底部向前的(de)旋(xuán)转方向较为有利,尾桨效率也比较高(gāo)。

2)推式尾桨和拉式尾桨

在(zài)尾桨拉力方向不变的情况(kuàng)下,可以把(bǎ)尾桨安装在垂(chuí)尾的左侧,也可以安装(zhuāng)在垂尾(wěi)的右侧。如(rú)果尾桨拉力方(fāng)向指向(xiàng)直升机(jī)对(duì)称面,则为推式尾桨;如果(guǒ)尾桨拉力是(shì)从对称面向外指的,则为拉式尾桨。采用推式尾桨还(hái)是拉式(shì)尾桨,主要是从尾桨与垂尾的气动干扰方面考虑(lǜ)的。采用拉式(shì)尾(wěi)桨(jiǎng),垂尾处于尾桨(jiǎng)的诱导速度(dù)范围内,在垂尾上必然要(yào)产(chǎn)生一(yī)个与尾桨拉力方向相反的侧(cè)力(lì),这样会降低尾(wěi)桨效(xiào)率,而且,还容易发生(shēng)方向摆动等(děng)现象。虽然推(tuī)式尾桨与垂尾之间也会发(fā)生气动干扰,但总的来看,采用(yòng)推(tuī)式(shì)尾(wěi)桨较为有(yǒu)利。

3)尾桨(jiǎng)桨叶的(de)扭转

尾桨桨叶的扭转可以(yǐ)在一定程度上提高尾桨(jiǎng)的工(gōng)作(zuò)效率,但有(yǒu)可能导致尾桨涡环的产生并(bìng)带来相应的副(fù)作(zuò)用,一般不提倡。

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