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单旋翼带(dài)尾(wěi)桨无人直升机的(de)特(tè)性

 

在直升机发(fā)展初期、没有哪(nǎ)一种(zhǒng)布局的(de)直升机占有(yǒu)主导地位,不同的设(shè)计者(zhě)根(gēn)据自己(jǐ)的理解和喜好,设计出各式(shì)各样的垂直飞(fēi)行器,但是经过多(duō)年的实践(jiàn)。其他(tā)布局的直升机大多失去了热衷者,唯有(yǒu)单(dān)旋翼带尾桨的直升机势头未减,占据主导地位,成为(wéi)目前应用(yòng)最为广泛的一(yī)种直升机。多数起飞重量较大的无(wú)人(rén)直升机也都采用此种布局。单旋翼带尾桨(jiǎng)直升(shēng)机构造简单,操纵(zòng)灵便,确有(yǒu)其显(xiǎn)著的(de)优点。

事实上,同(tóng)是单旋翼带尾桨(jiǎng)直升机,不同的(de)机型,虽然(rán)共性的方面很多,但在气动布局上也可能存在(zài)着较大的(de)差(chà)别,其气动部件(jiàn)的形状(zhuàng)、安装部位、部件配置、参数(shù)选择等都可(kě)能(néng)不一样。不同的气(qì)动布局必然会产生不同的气动特点,而不(bú)同的气(qì)动(dòng)特点又会直接影(yǐng)响到直升机的性能和(hé)操纵。国内目前使用的单旋翼带尾(wěi)桨无人直升机机(jī)型较多(duō),对于(yú)无(wú)人机驾驶(shǐ)员来说,了解不同布局的(de)气动特点和设计师的特殊考虑,对(duì)于掌握机型特点是有益的。下面对单旋翼带尾桨直升机的(de)代(dài)动布局特点进行简(jiǎn)要介绍。

1.旋翼(yì)的(de)布局和工作参数选择(zé)

1)旋翼(yì)旋(xuán)转方向

一(yī)般来说,美国的一些直升机喜(xǐ)欢采用俯视逆时针旋翼,法国,俄罗斯等(děng)多(duō)数(shù)国家喜欢采用俯视顺时(shí)针(zhēn)旋翼,我国(guó)直升机中"黑(hēi)鹰"和直-8是俯视逆时针旋翼,其(qí)他机型都是俯(fǔ)视顺时针旋翼。从(cóng)气动特性来说,两者并没有明(míng)显的差别。但(dàn)是,对有人(rén)机来讲,如果采用并列式双驾驶员座舱,并指定左座(zuò)为机长位置,那么还是采(cǎi)用俯视顺(shùn)时针旋翼好些。这主要是在悬停和(hé)起、降中,飞行员的(de)视线方向(xiàng)与飞行员小臂(bì)的移动方向一致,操纵动作(zuò)比较自然的缘故。

2)旋翼轴(zhóu)前倾角

为了降低燃料消耗率,设计师通常把直升机(jī)以巡航速度飞行时的姿态,选(xuǎn)为接近水平姿态,使阻力最小(xiǎo),这样,飞(fēi)行(háng)中旋翼桨盘(pán)就必须前倾,以便(biàn)形成(chéng)足够的水(shuǐ)平(píng)拉力与阻力(lì)相平衡。比较(jiào)方便的做法是(shì)将(jiāng)旋翼(yì)轴设计成向前倾斜(xié)的,前倾角通常(cháng)为5°左右。但(dàn)是前(qián)倾角过大(dà)也不好,会造成消速及悬停时直(zhí)升机的姿(zī)态很大。严格地说,前(qián)倾旋翼轴对悬停操纵与空气动力设计都(dōu)不算有(yǒu)利,今后可能会有更好的解(jiě)决方案。

3)旋翼直径

大的旋翼(yì)直径可以(yǐ)有效地(dì)提高旋翼拉(lā)力,因为旋翼拉力(lì)同旋翼半径的四(sì)次方成正比。旋翼(yì)直径大,则旋翼的桨盘载荷小。这样可以有效地(dì)降(jiàng)低(dī)旋翼(yì)诱(yòu)阻功率。但是,旋翼直径过大(dà),也有其(qí)不利方面,主要(yào)有:直(zhí)升机重量(liàng)增加(jiā)、造价提高、所需(xū)的存放场(chǎng)地(dì)大、在丛林等复杂地貌条件下(xià)机(jī)动能(néng)力差。为此(cǐ),设计师在设计(jì)过程(chéng)中,最终目标是确定最小(xiǎo)的旋翼直径或(huò)者确定最大的桨盘载荷,它必须(xū)既能满足性能要求,又能(néng)满足直(zhí)升(shēng)机的使用(yòng)要求。

4)旋翼(yì)桨叶的(de)平面形(xíng)状

早期直(zhí)升(shēng)机的旋翼多采用尖(jiān)削桨叶,即桨叶尖部的(de)弦长比根部更短一些,这(zhè)可使桨盘诱导(dǎo)速(sù)度更为均匀,从而改善悬停性能(néng)。采用金属桨(jiǎng)叶后,为了制作方便,一般旋翼都采用矩形桨叶。近些年,复合材料受到青(qīng)睐,由于这种桨叶按变弦长的要求制作没有(yǒu)困难,尖(jiān)削方案可(kě)能(néng)重新被采用。为了解决大速度下空气压缩(suō)性(xìng)的影响和噪音问(wèn)题,把(bǎ)桨叶尖部做成后掠形是可取的方案。。黑(hēi)鹰"直升机就是一个例子。

5)桨叶(yè)扭转

采用(yòng)扭(niǔ)转(zhuǎn)桨叶可以改善旋翼桨叶拉(lā)力(lì)分布,但是,大的扭转虽然(rán)对悬停(tíng)有利(lì),但在大(dà)速度飞行时,会产(chǎn)生振(zhèn)动载(zǎi)荷,而且,大的扭(niǔ)转对自(zì)转也不利。因此,目前桨叶的(de)扭转角多在-5°~-6。之间。

6)桨叶翼(yì)型和(hé)桨叶片数

一般(bān)来说,理想的翼型应该既有较好的低速性能,又有较好的高速性能(néng),同(tóng)时俯仰力矩也要符合要求,还要考虑防颤振等特殊要求。这些条件往往相(xiàng)互矛盾。目(mù)前来看,相对厚度比较薄的接近(jìn)对(duì)称型(xíng)方案占上风。

至于旋翼的桨(jiǎng)叶片数,目前(qián)多数单旋翼带尾(wěi)桨无人直升机使用2片(piàn)桨叶。

2.尾桨(jiǎng)形式与布局(jú)

1)尾桨的安装位置与旋转方向(xiàng)

尾桨的作用是平衡旋翼产(chǎn)生(shēng)的反扭(niǔ)矩,单旋(xuán)翼直升机的(de)尾桨都是安装在尾梁(liáng)后部或尾斜(xié)梁或垂尾上,其垂直位置有的比较低(dī),有的则比较高(gāo)。尾桨的(de)安装位置低,可(kě)以减小传动系统的复杂性,有助(zhù)于减轻结构重量,但是(shì),尾(wěi)桨可能处在旋翼尾流(liú)之中,容易(yì)发生不利的气动干扰(rǎo)。反过来,尾桨(jiǎng)的安装位置高,则可以(yǐ)避免或减(jiǎn)少气动干扰(rǎo),提(tí)高尾桨(jiǎng)效(xiào)率,对提高前(qián)飞的稳定(dìng)性也是有利(lì)的,而且(qiě)悬停时直升机坡度较小,但结构较低置尾(wěi)桨复杂。现在看来,多数直升机都采(cǎi)用高(gāo)置尾桨。

尾桨旋(xuán)转(zhuǎn)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(rèn)为,尾桨采用底部向前的旋转方向(xiàng)较(jiào)为有利(lì),尾(wěi)桨效率也比较(jiào)高。

2)推式尾桨和拉式尾桨

在尾桨拉力(lì)方向不变的情(qíng)况下(xià),可以(yǐ)把尾桨安装在垂尾的左侧,也可(kě)以安装在垂尾(wěi)的右侧。如果(guǒ)尾桨拉力方向指向直升机对称面,则为(wéi)推式(shì)尾桨;如果尾桨拉力是从对称面向外指的,则为拉式尾桨。采用(yòng)推(tuī)式尾桨还是拉式尾桨,主要是从尾桨与垂尾的(de)气动干扰方面(miàn)考(kǎo)虑的。采用拉式尾(wěi)桨,垂尾(wěi)处于(yú)尾桨的(de)诱导速度(dù)范围内,在(zài)垂尾上必然要(yào)产生一个与(yǔ)尾桨拉力方向相反的侧力,这样(yàng)会降低尾(wěi)桨效(xiào)率,而且(qiě),还容易发生方(fāng)向摆动(dòng)等现象。虽然(rán)推式(shì)尾桨与垂尾之间也会发生(shēng)气动干扰,但总的来看,采(cǎi)用推式尾桨(jiǎng)较为有利。

3)尾桨桨叶的扭(niǔ)转(zhuǎn)

尾桨(jiǎng)桨(jiǎng)叶的扭转可以在一定程度上提高尾桨的工作效率(lǜ),但(dàn)有(yǒu)可能导致尾桨涡环的产生并带来(lái)相应的副作用,一般不提倡。

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