在直升机发展初期、没有(yǒu)哪一种布局的直升机占有主导(dǎo)地位,不同的设计者(zhě)根(gēn)据自己的理解(jiě)和喜好,设计出各式各样的垂(chuí)直飞行器,但是(shì)经过多年的实践。其他布局的(de)直升机大多失去了(le)热衷者,唯有单旋翼带(dài)尾桨的直升机(jī)势(shì)头未减(jiǎn),占据主导地位,成为目前应(yīng)用最为广泛的一种直升机。多数起飞重(chóng)量较(jiào)大的无人直升机也都(dōu)采用(yòng)此种布局(jú)。单旋翼(yì)带尾桨直(zhí)升机构造简单,操纵灵便(biàn),确有其(qí)显著(zhe)的(de)优点。
事实(shí)上(shàng),同(tóng)是(shì)单旋翼带尾桨直(zhí)升机,不同的机型,虽然共性的(de)方面很多,但在气动布局上也可能存在(zài)着(zhe)较大的(de)差别,其气动(dòng)部件的形(xíng)状、安(ān)装部(bù)位、部件配(pèi)置、参(cān)数选择等都可能不一样。不同的(de)气动(dòng)布局必然会产生不同的气动特点(diǎn),而不同的气(qì)动特点又(yòu)会直(zhí)接影响到直升机的性能和操纵。国(guó)内(nèi)目前使用的单旋翼带(dài)尾桨无人直升机(jī)机型较多(duō),对于无(wú)人机(jī)驾(jià)驶员来说,了解不同布局的气动特(tè)点(diǎn)和设计师的(de)特殊考虑,对于掌握机(jī)型(xíng)特点是有益(yì)的(de)。下面对单旋翼带尾(wěi)桨直(zhí)升(shēng)机的代动布局特点进行简要(yào)介(jiè)绍。
1.旋翼的布局(jú)和(hé)工(gōng)作参数选择(zé)
1)旋翼旋转方向
一(yī)般来说(shuō),美国的一些直升机喜欢(huān)采用俯视逆时针(zhēn)旋翼,法国,俄罗斯等多数国家喜欢采用俯视顺时针旋翼,我(wǒ)国直升机中"黑鹰(yīng)"和直-8是俯视逆(nì)时针旋翼,其(qí)他机型都是俯视顺时针旋(xuán)翼。从气动特性来说,两者并(bìng)没有明显的(de)差别。但是,对有人机来讲(jiǎng),如果采用并列式双驾驶员座(zuò)舱,并指定(dìng)左(zuǒ)座为机长位置(zhì),那(nà)么还是采(cǎi)用俯视顺时针(zhēn)旋翼好些。这主要是(shì)在悬停和起、降中,飞行(háng)员的视线方(fāng)向与飞(fēi)行员小臂的移动方向一(yī)致,操纵(zòng)动作比较自然的缘故。
2)旋翼轴前倾角
为(wéi)了降低燃(rán)料消耗率(lǜ),设(shè)计师通常(cháng)把直升(shēng)机以巡航速度飞行(háng)时的姿态(tài),选为接近(jìn)水平姿态,使阻力最小,这(zhè)样,飞(fēi)行中旋翼(yì)桨盘就必须前倾,以便形成足(zú)够的水平拉力与阻力相(xiàng)平衡。比较方便的做法是(shì)将旋翼(yì)轴设计成向前倾斜(xié)的,前(qián)倾角(jiǎo)通常为5°左右。但是前倾(qīng)角(jiǎo)过(guò)大也不(bú)好,会造成消速及悬停时直升机的姿态很(hěn)大。严格地说,前倾旋翼轴(zhóu)对悬停操(cāo)纵与空气动力设计都(dōu)不算有利,今后可(kě)能会有(yǒu)更好(hǎo)的(de)解决方案。
3)旋(xuán)翼直(zhí)径
大的旋翼直(zhí)径可(kě)以有效地提高旋翼拉力,因为旋翼(yì)拉力同旋翼半径的四次方(fāng)成(chéng)正比。旋翼直径大,则旋翼的桨盘(pán)载荷小。这样可以有(yǒu)效地降低旋翼诱阻(zǔ)功率。但是,旋翼直(zhí)径过(guò)大(dà),也(yě)有其不利方面,主(zhǔ)要有:直升机重量增加、造价提高(gāo)、所(suǒ)需的存(cún)放场地大、在丛林等(děng)复杂地貌条件下机动(dòng)能力(lì)差。为此(cǐ),设(shè)计师(shī)在(zài)设计过程中,最终目标是确定最(zuì)小的(de)旋翼直径或者确定最(zuì)大的桨盘载荷,它必须既能满足性能(néng)要求,又能满足直升机的使用要求。
4)旋翼(yì)桨叶的平(píng)面形状(zhuàng)
早(zǎo)期直升机(jī)的旋翼多采(cǎi)用(yòng)尖削(xuē)桨叶(yè),即(jí)桨叶尖部(bù)的(de)弦长比根部更短一些,这可使桨盘诱导速度更为均(jun1)匀,从而改善悬停性(xìng)能。采用金属桨(jiǎng)叶后,为(wéi)了制作(zuò)方便,一般(bān)旋翼都(dōu)采用(yòng)矩形桨叶(yè)。近(jìn)些(xiē)年,复合材料受到青睐,由于这(zhè)种(zhǒng)桨叶(yè)按变弦长(zhǎng)的要求制作没有困难,尖削方案可能重新被采用。为(wéi)了解决大速度下空气压缩性的影(yǐng)响(xiǎng)和噪音问题,把桨叶尖(jiān)部做(zuò)成后掠形是可取的方案。。黑鹰(yīng)"直(zhí)升机就是一个例子。
5)桨叶扭转
采用扭转桨叶可以改善(shàn)旋翼桨叶(yè)拉(lā)力分布,但是,大的扭(niǔ)转虽然(rán)对(duì)悬(xuán)停有利,但在大速度飞行时,会产生振动载荷,而(ér)且,大的(de)扭转对自转也不利。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(piàn)数
一般来说(shuō),理想的翼型应该(gāi)既有较好的低速性(xìng)能(néng),又有较好的高速(sù)性能,同时俯仰(yǎng)力矩也要符(fú)合要求,还(hái)要(yào)考虑防颤(chàn)振等特(tè)殊要求(qiú)。这些条件(jiàn)往往相互矛(máo)盾。目前来(lái)看,相对厚度比较(jiào)薄的(de)接近对称(chēng)型方案占上风。
至于旋翼的桨(jiǎng)叶(yè)片(piàn)数,目前(qián)多数单旋翼带尾桨无人直升机(jī)使(shǐ)用2片(piàn)桨叶(yè)。
2.尾桨形式与布局
1)尾桨的安装位置与旋转方向
尾桨的作用是平衡旋翼产生的反扭矩(jǔ),单旋翼直(zhí)升机的尾桨都是安装在尾梁后部或尾斜梁或垂(chuí)尾上,其垂直位置有的比较低,有的则比较高。尾桨的安装位(wèi)置低,可以减小传动系统(tǒng)的复杂性,有助于减轻结构重量,但是,尾(wěi)桨可能处在旋翼尾流(liú)之中,容易发生不利的气动(dòng)干扰(rǎo)。反(fǎn)过(guò)来,尾(wěi)桨的安装位置高(gāo),则可以避免或减少气动干扰,提高尾桨效率,对提高前飞的稳(wěn)定(dìng)性也(yě)是有利的,而(ér)且悬停时直升机坡度较小(xiǎo),但结(jié)构较低置尾桨复杂。现在看来,多数(shù)直升(shēng)机都采用高置尾(wěi)桨。
尾桨旋转方向的选(xuǎn)择(zé),主要是从减弱旋翼(yì)与尾桨之(zhī)间的气动干扰考虑(lǜ)的。一般认为,尾桨采用底部向前(qián)的旋转方(fāng)向较(jiào)为(wéi)有利,尾桨(jiǎng)效率也比较高。
2)推式尾桨和拉式(shì)尾桨
在尾桨拉力(lì)方向不(bú)变的情(qíng)况下,可以把(bǎ)尾桨安装在垂尾的左侧,也可以安装在垂(chuí)尾的右侧。如(rú)果尾桨拉力方向(xiàng)指向直升机(jī)对称(chēng)面,则为推式尾桨;如果尾(wěi)桨(jiǎng)拉(lā)力是从对称面向外指的(de),则为拉式尾桨。采用推式尾桨还(hái)是(shì)拉(lā)式尾桨,主要(yào)是(shì)从尾桨与垂尾的气(qì)动干扰方面(miàn)考虑的。采用拉式尾(wěi)桨,垂尾处于尾桨的诱(yòu)导(dǎo)速度范围内,在(zài)垂尾上必然(rán)要产生一个与尾(wěi)桨拉力方向相反(fǎn)的侧力,这样会降低尾(wěi)桨效率,而且,还容易发(fā)生方向(xiàng)摆动(dòng)等现象。虽然推式尾桨与垂尾之间也会(huì)发生气动干(gàn)扰,但总的来看,采(cǎi)用推式尾桨较为有利。
3)尾桨桨叶的(de)扭转(zhuǎn)
尾桨桨叶的扭转可以(yǐ)在一定程度上提高(gāo)尾(wěi)桨的工作(zuò)效率,但有可能导(dǎo)致尾桨涡(wō)环的(de)产生并带来(lái)相应的副作用(yòng),一般(bān)不提倡。

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