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单旋翼带(dài)尾桨无人直(zhí)升机的特性

 

在直升机(jī)发展初期(qī)、没(méi)有哪一种布局的(de)直升机占有主(zhǔ)导地位,不同的设(shè)计者(zhě)根(gēn)据(jù)自己的理解和喜好,设计出(chū)各式各样的垂直飞行器(qì),但是(shì)经(jīng)过多(duō)年的实践。其他布局的直升机大(dà)多失(shī)去(qù)了热(rè)衷者,唯有单旋(xuán)翼带尾(wěi)桨的直升机势头未减,占据主导地位,成为目前应用最为广(guǎng)泛(fàn)的(de)一种直升机。多(duō)数起飞重量较(jiào)大的无人直升(shēng)机也都采(cǎi)用此种(zhǒng)布局。单旋翼(yì)带(dài)尾桨直升机构造简单,操(cāo)纵灵便,确有(yǒu)其显(xiǎn)著(zhe)的优点(diǎn)。

事实上(shàng),同是单旋翼(yì)带尾桨直升机(jī),不同的机型(xíng),虽然共性的方面很多,但(dàn)在(zài)气(qì)动(dòng)布局上也可能存在着较大的差别(bié),其气动部件(jiàn)的形状、安装部位、部件(jiàn)配(pèi)置(zhì)、参数选择(zé)等(děng)都(dōu)可能不一样。不同(tóng)的气动布局必然会产生不同的气动特点,而不同的(de)气(qì)动特(tè)点又(yòu)会直接影响(xiǎng)到直升(shēng)机的(de)性能和操(cāo)纵。国内目前使(shǐ)用的单旋(xuán)翼(yì)带(dài)尾桨(jiǎng)无人直升(shēng)机机型较多,对于无人机驾驶员来说(shuō),了解不(bú)同布局的气动特点和设计师的(de)特殊考虑,对于(yú)掌握(wò)机型特(tè)点是有益的。下面(miàn)对单(dān)旋翼带尾桨(jiǎng)直(zhí)升机的代动(dòng)布局特点进(jìn)行简要介绍。

1.旋翼的布局和(hé)工作参数选择

1)旋翼旋转方向

一(yī)般来说,美国的一些直升机喜欢采用(yòng)俯视逆时针旋翼,法国,俄罗斯等多数国家喜欢(huān)采用俯视顺(shùn)时(shí)针旋(xuán)翼,我国直升机中"黑鹰"和直-8是俯(fǔ)视逆时(shí)针旋翼,其他机型(xíng)都是(shì)俯视顺时(shí)针旋翼。从气动特性来(lái)说,两(liǎng)者并没有明显的(de)差别。但是,对有人机(jī)来讲,如果采(cǎi)用并列式双驾驶员座舱,并(bìng)指定左座为机长位置,那(nà)么还是采用俯视顺时(shí)针旋翼好(hǎo)些。这主要(yào)是在悬停(tíng)和起、降中,飞(fēi)行员的视线方向(xiàng)与飞行员小(xiǎo)臂的移动方向一致,操(cāo)纵动作比(bǐ)较自(zì)然的(de)缘故。

2)旋翼轴前(qián)倾(qīng)角

为了降低燃料消耗率,设计(jì)师(shī)通常(cháng)把直升机以巡航速度飞行(háng)时的姿态(tài),选为接近水平姿态,使(shǐ)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(shuǐ)平拉力与阻力相平衡。比(bǐ)较方便的做法是将旋翼轴设计成(chéng)向前倾斜的,前倾角通常为5°左右。但是前(qián)倾角过(guò)大也不好,会造成消(xiāo)速及悬停(tíng)时直升机的姿态很大。严格地说(shuō),前倾旋翼(yì)轴对悬停操纵与空气动力设计都不算有(yǒu)利,今后可能会有更好的解(jiě)决方(fāng)案。

3)旋翼直径(jìng)

大的旋翼(yì)直径可以有效(xiào)地(dì)提高(gāo)旋翼拉力(lì),因为旋(xuán)翼(yì)拉力同旋翼半(bàn)径的四次方成(chéng)正比。旋翼直径大,则旋翼的桨盘(pán)载荷小。这样可(kě)以有效(xiào)地降低旋(xuán)翼诱阻功率。但是,旋翼直径过大,也有其不(bú)利方面,主(zhǔ)要有(yǒu):直升机重量增加、造价提高、所(suǒ)需的存放场地大、在丛(cóng)林等复(fù)杂地貌条件下机动能(néng)力差(chà)。为此,设计师(shī)在设计过程(chéng)中,最终目(mù)标是(shì)确定最小的旋翼直径或(huò)者确定最大的桨盘(pán)载(zǎi)荷,它必须既能满足性能要求,又(yòu)能满(mǎn)足直升机的(de)使用要求。

4)旋翼桨叶的平面形状

早期直升机的旋翼多采用尖削桨叶,即桨叶(yè)尖部的弦长比根部更短一些,这可使(shǐ)桨(jiǎng)盘(pán)诱导速度更为(wéi)均匀(yún),从(cóng)而改善悬停性(xìng)能。采用(yòng)金属桨叶后,为了制作方(fāng)便,一般(bān)旋翼都采用矩形桨叶(yè)。近些(xiē)年,复合材料受到青睐,由于这(zhè)种(zhǒng)桨叶按变弦长(zhǎng)的要求制(zhì)作没有困难,尖削方案可能重新被采用(yòng)。为了解(jiě)决大速度下空气压缩(suō)性的影响和噪音问(wèn)题,把桨叶(yè)尖部做成(chéng)后掠形(xíng)是可取的方案(àn)。。黑鹰(yīng)"直升机就(jiù)是一(yī)个例子。

5)桨叶(yè)扭转(zhuǎn)

采用扭转桨叶可以改善旋翼(yì)桨(jiǎng)叶(yè)拉力分布(bù),但是(shì),大的扭转虽(suī)然对悬停有利,但在大(dà)速度(dù)飞行(háng)时,会(huì)产生振动(dòng)载荷(hé),而且,大的扭转对(duì)自转也不利。因(yīn)此(cǐ),目前桨(jiǎng)叶的扭(niǔ)转角多在-5°~-6。之间。

6)桨叶翼(yì)型和桨叶片数

一般来说,理想的翼型应该既有较好的低速性(xìng)能,又有较(jiào)好的高速性能,同(tóng)时俯(fǔ)仰力矩也要符合要求(qiú),还(hái)要(yào)考虑防颤振等特殊要求。这些条(tiáo)件往往相(xiàng)互矛盾。目(mù)前来看(kàn),相(xiàng)对厚度比较薄的接近对称(chēng)型(xíng)方案占(zhàn)上风。

至于(yú)旋翼(yì)的(de)桨(jiǎng)叶片数,目前多数单旋翼带(dài)尾桨无人(rén)直升机使用2片桨叶。

2.尾(wěi)桨形式与布局(jú)

1)尾桨的安装位置(zhì)与旋(xuán)转方向

尾桨的作(zuò)用是(shì)平衡(héng)旋翼产生的反扭矩(jǔ),单旋翼直升机的尾桨(jiǎng)都是安装在尾梁后部(bù)或尾斜梁或(huò)垂尾(wěi)上,其垂直位置有的(de)比较低,有(yǒu)的则比(bǐ)较高。尾桨(jiǎng)的安装位置(zhì)低,可以减小(xiǎo)传动系统的复(fù)杂性,有(yǒu)助于(yú)减轻结构重量,但是,尾桨可(kě)能处在旋翼尾流之中,容易发生(shēng)不利的气动干扰。反过来,尾桨的安装位置(zhì)高,则可以避免或减少气动干扰,提高尾桨效率,对(duì)提高前飞(fēi)的稳定性也是有利的,而且悬(xuán)停时直升机坡度较小(xiǎo),但(dàn)结构(gòu)较低置尾桨复杂。现在看来,多(duō)数直升机都采(cǎi)用高置(zhì)尾(wěi)桨。

尾桨旋转(zhuǎn)方向的选择(zé),主要是从减弱旋翼与尾桨(jiǎng)之(zhī)间的(de)气动干(gàn)扰(rǎo)考虑的。一般认为,尾桨采用底部(bù)向(xiàng)前(qián)的旋(xuán)转(zhuǎn)方向较为有利,尾桨效率也(yě)比较高。

2)推式尾桨和拉式尾桨

在尾(wěi)桨(jiǎng)拉(lā)力方向不变的情况下,可以把尾(wěi)桨安装在垂尾的左侧(cè),也可以安装在(zài)垂尾的右侧。如(rú)果尾(wěi)桨拉(lā)力方向指向直升(shēng)机对称面,则为(wéi)推式尾桨;如果(guǒ)尾桨拉力是从(cóng)对称面向(xiàng)外指的,则为拉式尾桨。采用推式尾桨(jiǎng)还是拉式尾桨(jiǎng),主要是从尾桨与(yǔ)垂尾的气动干扰方面考(kǎo)虑的。采用拉(lā)式尾桨,垂尾处于(yú)尾桨(jiǎng)的诱导速(sù)度范围(wéi)内,在垂尾(wěi)上(shàng)必然要(yào)产生一个与尾桨(jiǎng)拉(lā)力方向相(xiàng)反(fǎn)的(de)侧力,这样(yàng)会降低尾桨效率,而且,还容易发(fā)生方向(xiàng)摆动等现象。虽然推式尾(wěi)桨(jiǎng)与垂尾之间也会发生气(qì)动干扰,但(dàn)总的来看,采用推式尾(wěi)桨较为有利。

3)尾(wěi)桨桨叶的扭转

尾桨桨叶的扭(niǔ)转可以在一定程度上(shàng)提高尾(wěi)桨的工作效率(lǜ),但(dàn)有可能导致尾桨涡环(huán)的产生并带(dài)来相应的副作用,一般不提倡。

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