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单旋翼带(dài)尾(wěi)桨无(wú)人直升机(jī)的特性

 

在(zài)直(zhí)升机发(fā)展初期、没有哪一种布局的直升(shēng)机占有主导(dǎo)地位(wèi),不同(tóng)的设计者根据(jù)自己的理解和喜好,设(shè)计出各式各样(yàng)的垂(chuí)直飞(fēi)行器,但是经过多(duō)年的实践(jiàn)。其他布(bù)局的直升机大多失去(qù)了热(rè)衷(zhōng)者,唯有(yǒu)单旋(xuán)翼带(dài)尾桨(jiǎng)的(de)直升机势头未减,占(zhàn)据主导(dǎo)地位,成为目前(qián)应用最(zuì)为广泛(fàn)的(de)一(yī)种直升机。多数起飞重量较大(dà)的无(wú)人直升机(jī)也(yě)都采用此种布局。单旋翼带尾桨直升(shēng)机构造简单,操纵灵便,确有其显著的(de)优(yōu)点。

事实上,同是单旋(xuán)翼带尾(wěi)桨直升机,不同的机型,虽然共性的方面很多,但在气(qì)动布局上也可能存(cún)在着较大的差(chà)别(bié),其气(qì)动部件的(de)形状、安装部位、部(bù)件(jiàn)配置、参数选(xuǎn)择(zé)等(děng)都可能不一样。不同的气动(dòng)布(bù)局必(bì)然会产生不同的气动特点,而不同(tóng)的气动特点又会直接影(yǐng)响到直升机(jī)的性能和操纵。国内目(mù)前使用(yòng)的单(dān)旋翼带尾(wěi)桨无人直(zhí)升(shēng)机机型(xíng)较多,对于无人机驾驶员来说,了解不(bú)同布(bù)局的气(qì)动(dòng)特点和设(shè)计师的(de)特殊考虑,对于掌握(wò)机型特点是有益的。下面对单(dān)旋(xuán)翼带尾(wěi)桨(jiǎng)直(zhí)升机的代动布局特(tè)点进(jìn)行(háng)简要介(jiè)绍。

1.旋翼的(de)布局和工(gōng)作参数选择

1)旋翼(yì)旋转方向

一般来说,美国的一些直升机喜欢(huān)采用俯(fǔ)视逆时针旋翼(yì),法国(guó),俄罗斯等(děng)多数国(guó)家喜欢采(cǎi)用俯视顺时针(zhēn)旋翼,我(wǒ)国直升机(jī)中"黑鹰"和直-8是(shì)俯视逆时(shí)针旋(xuán)翼,其他机型(xíng)都是俯视顺时针旋翼。从气动特(tè)性(xìng)来说,两者并没有明显的差别。但(dàn)是,对有人机来(lái)讲,如果采用并列式双驾驶(shǐ)员座舱,并指定左座为机(jī)长(zhǎng)位置,那(nà)么(me)还是(shì)采用俯视(shì)顺时针旋翼好些。这主要是在悬停和起、降中,飞行员的视线方向与飞行员小臂的(de)移动方向一致(zhì),操纵(zòng)动作比(bǐ)较自然的缘故。

2)旋翼轴前倾角(jiǎo)

为(wéi)了降低燃料消耗率,设计师通常把直升机(jī)以巡航速(sù)度飞行时的姿态,选为接(jiē)近水平(píng)姿态,使阻力最小,这(zhè)样,飞行(háng)中(zhōng)旋(xuán)翼桨盘(pán)就必须前倾(qīng),以便形成足够的水平(píng)拉(lā)力(lì)与阻力(lì)相平衡。比较方便的做法是将旋翼轴设(shè)计成向前(qián)倾斜的,前倾角通常为5°左右。但是(shì)前倾角过(guò)大也不好(hǎo),会造(zào)成消速及悬停时直升机的姿态很大。严(yán)格(gé)地说,前(qián)倾(qīng)旋翼轴对悬停操纵与空气动力设计(jì)都(dōu)不算有利,今后可能会有更好(hǎo)的解决方(fāng)案。

3)旋翼(yì)直径

大的旋翼直径可以有效地提高旋(xuán)翼拉(lā)力,因为旋翼拉(lā)力同旋翼半(bàn)径的四(sì)次方成正比。旋(xuán)翼直径大,则旋翼的桨(jiǎng)盘载荷小。这样可(kě)以有效地降低旋翼诱阻功率。但(dàn)是(shì),旋(xuán)翼(yì)直径过大(dà),也有(yǒu)其(qí)不利方面,主(zhǔ)要(yào)有:直升机重(chóng)量(liàng)增加、造(zào)价提高(gāo)、所需(xū)的存放(fàng)场地大、在丛林等(děng)复杂地(dì)貌条件下机动能力差(chà)。为(wéi)此,设计师在设计(jì)过程中,最终目标是(shì)确定最小的(de)旋翼直径或者(zhě)确定(dìng)最大(dà)的桨(jiǎng)盘载(zǎi)荷,它必须既能(néng)满足性能要求,又(yòu)能满足(zú)直升机的使用要(yào)求。

4)旋翼桨叶的(de)平面(miàn)形状

早期直升机的旋翼多(duō)采用(yòng)尖削桨(jiǎng)叶(yè),即(jí)桨叶尖部的弦长比根部更短一些,这(zhè)可使桨盘诱导速(sù)度更(gèng)为均匀,从而改善悬停性能。采用金属桨(jiǎng)叶后,为了制作(zuò)方便,一般旋翼都采用矩形桨(jiǎng)叶。近些(xiē)年,复合材料受到青睐(lài),由(yóu)于这种桨叶按变(biàn)弦长(zhǎng)的要求(qiú)制作没有困难,尖(jiān)削方案可(kě)能重新被采(cǎi)用。为了解决大速度下空气压缩(suō)性的影响(xiǎng)和噪音(yīn)问题,把桨叶(yè)尖部做成(chéng)后掠形是可取(qǔ)的方案。。黑鹰"直升机就(jiù)是一个(gè)例(lì)子。

5)桨(jiǎng)叶(yè)扭(niǔ)转

采用扭转桨叶可(kě)以(yǐ)改善旋(xuán)翼(yì)桨叶拉力分布,但是(shì),大的扭转(zhuǎn)虽然对悬(xuán)停有利,但在大速度飞行时,会产生(shēng)振动载荷,而且,大的扭转对自转也不利。因此,目前(qián)桨叶的扭转角多在-5°~-6。之间。

6)桨叶翼型(xíng)和桨叶片数

一般来说,理想的翼(yì)型应该既(jì)有(yǒu)较好的低速性能,又(yòu)有较(jiào)好的高速性能(néng),同时(shí)俯仰力矩也要符合要求,还(hái)要考(kǎo)虑防颤(chàn)振等特殊(shū)要求。这些条件往往相互矛盾。目(mù)前来看,相对厚度比较(jiào)薄的接近对称型方案占上风。

至于旋翼的(de)桨(jiǎng)叶片(piàn)数,目(mù)前多(duō)数单旋翼带尾桨无人直(zhí)升机使(shǐ)用2片桨叶。

2.尾桨形式与布局

1)尾桨的(de)安装位置与旋转方向(xiàng)

尾桨的(de)作用是平衡旋翼产生的反扭矩,单旋翼直升机的(de)尾桨都是安装(zhuāng)在尾梁后(hòu)部或尾(wěi)斜梁(liáng)或垂尾上,其(qí)垂直位置(zhì)有的比较低,有(yǒu)的则比较(jiào)高。尾桨的安装(zhuāng)位置低,可以减小传动系(xì)统的复杂性,有助于减(jiǎn)轻结构重量,但是(shì),尾桨可能处(chù)在旋(xuán)翼尾流(liú)之中,容易发生不利的(de)气(qì)动干扰。反(fǎn)过来,尾桨(jiǎng)的安(ān)装位置高,则可以避免或(huò)减少气动干扰(rǎo),提高(gāo)尾桨效率,对提高前飞的稳定性也是(shì)有利的,而且悬停时直(zhí)升机(jī)坡度较(jiào)小,但结构较低置尾(wěi)桨复杂。现在看来,多数(shù)直升(shēng)机都采用高置(zhì)尾桨。

尾桨旋(xuán)转方向的选择,主要是(shì)从减弱旋翼与尾桨之间的(de)气动干扰考虑的。一般认为,尾桨采用底部向前的旋转方向较为(wéi)有利,尾桨效率也比较(jiào)高。

2)推式尾桨和拉式尾桨

在尾桨拉力(lì)方向不变的情况(kuàng)下,可以把尾桨(jiǎng)安装在(zài)垂(chuí)尾的左侧(cè),也可以安装在垂尾的右侧(cè)。如果尾桨拉力方向指向直升机对称面,则为(wéi)推(tuī)式尾桨;如果(guǒ)尾桨拉(lā)力是从对称面向(xiàng)外指的,则为(wéi)拉式(shì)尾桨(jiǎng)。采用推(tuī)式尾桨还是拉(lā)式尾桨(jiǎng),主(zhǔ)要是(shì)从(cóng)尾桨与垂尾的(de)气动(dòng)干扰(rǎo)方面考(kǎo)虑的。采用拉式尾桨,垂尾处于尾桨的诱导速度范围内,在垂尾上必(bì)然要产生一个(gè)与尾桨拉力(lì)方向相反(fǎn)的侧力,这样会降(jiàng)低尾桨(jiǎng)效率,而(ér)且,还容(róng)易(yì)发(fā)生(shēng)方向摆动等现象。虽然推式尾桨(jiǎng)与(yǔ)垂尾之(zhī)间也会(huì)发生气动干扰,但总(zǒng)的来看,采用推式尾桨(jiǎng)较为有利。

3)尾桨桨叶的扭转

尾桨桨叶的扭转可(kě)以(yǐ)在一定程度(dù)上提高(gāo)尾桨的工作效率,但有可能导致尾桨涡环(huán)的产生并(bìng)带来(lái)相应(yīng)的副作用(yòng),一般不提倡。

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