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单旋翼(yì)带尾桨无人直升机的(de)特性

 

在直升机发(fā)展初期、没有哪(nǎ)一种布局(jú)的直升机占有主导地(dì)位,不(bú)同(tóng)的设计(jì)者根(gēn)据自己的理(lǐ)解和喜好,设计出(chū)各(gè)式各样的垂直飞行器,但是经过多年的实践。其(qí)他布局(jú)的(de)直升(shēng)机大多失(shī)去了(le)热衷者,唯有(yǒu)单旋翼带(dài)尾桨的直升机(jī)势头未减,占据主(zhǔ)导地位(wèi),成为目前应用最(zuì)为(wéi)广泛的一种直升机(jī)。多数起飞重量较大的无人(rén)直升机也都采用(yòng)此种布局(jú)。单旋翼(yì)带(dài)尾桨直升机(jī)构(gòu)造简单,操纵灵(líng)便,确有其(qí)显著的优点。

事(shì)实上,同是单旋(xuán)翼(yì)带尾桨直升机,不同的机型,虽(suī)然共性的(de)方面很(hěn)多,但在气动布局(jú)上也可能存在着较大的(de)差别,其气动部件的形状(zhuàng)、安装部位、部件配置、参数选择等都可能不一(yī)样。不同的气动布局必然会产生不同的气动特点,而不同的气(qì)动特点又会直接影响到直升机(jī)的(de)性能和(hé)操纵。国内(nèi)目前(qián)使用的(de)单旋翼带尾桨(jiǎng)无人(rén)直升机(jī)机型较多(duō),对于无人机(jī)驾驶(shǐ)员来说,了解不同布局的气动(dòng)特点和(hé)设计师(shī)的特殊考虑,对于掌(zhǎng)握机(jī)型特点是有益的。下面(miàn)对单旋翼(yì)带尾桨直(zhí)升机的代动布局特点进行简要介(jiè)绍。

1.旋翼的布局和工作参数选择

1)旋翼(yì)旋转方向

一般来说,美国的(de)一些直升机(jī)喜欢采(cǎi)用俯(fǔ)视逆时针旋翼,法国,俄罗斯等多(duō)数国家喜(xǐ)欢采用俯视顺时针旋(xuán)翼,我国直(zhí)升(shēng)机(jī)中"黑鹰"和直(zhí)-8是俯视逆时针旋翼,其他机型都是俯视顺时针旋翼。从气动特(tè)性来说,两者并没有明显的差别。但(dàn)是(shì),对(duì)有人机来讲,如果采用并列式双驾(jià)驶员座(zuò)舱,并指定左座为机长位置,那么还是采用俯视顺时(shí)针旋翼好些。这主要是在悬停和起、降中(zhōng),飞行员的视线方(fāng)向(xiàng)与飞(fēi)行员小臂的移(yí)动方向一致,操纵动作比较(jiào)自然的缘故。

2)旋翼轴前倾角

为了(le)降低燃料消(xiāo)耗率(lǜ),设计(jì)师通常把(bǎ)直升机以(yǐ)巡(xún)航速度飞(fēi)行时的(de)姿态,选为接近水平姿(zī)态(tài),使阻力最小,这(zhè)样,飞行中旋(xuán)翼桨盘就必须前(qián)倾,以便形成(chéng)足(zú)够(gòu)的水(shuǐ)平拉力与阻力相平(píng)衡。比较方便(biàn)的做法是将旋翼轴设计成向前倾斜的,前倾角通常为5°左(zuǒ)右。但是前倾角过大也不好,会造成消速及悬停时直(zhí)升机的姿态很(hěn)大。严格地说,前倾旋翼轴对悬停(tíng)操纵与空气(qì)动力设计都不算有(yǒu)利,今后(hòu)可能(néng)会有(yǒu)更(gèng)好的解决方案。

3)旋翼直径

大的(de)旋翼直径可以有效地提(tí)高旋翼拉(lā)力,因为旋翼拉力同旋翼(yì)半径的(de)四次方(fāng)成正比。旋翼直径大,则旋翼(yì)的桨盘载荷小。这样(yàng)可以有(yǒu)效地降(jiàng)低旋翼诱阻功率。但是,旋翼直径过大,也有其不利方面,主(zhǔ)要有:直升(shēng)机重量增加、造价提(tí)高、所(suǒ)需的存放场地大、在丛林等复杂地貌条件下(xià)机动能力差。为(wéi)此,设计师在设计过程(chéng)中,最终目(mù)标是确(què)定最小的旋翼直径或者确(què)定(dìng)最大的桨盘载荷,它必须既能满(mǎn)足性能要求,又能满足直升机(jī)的使用要(yào)求。

4)旋翼桨(jiǎng)叶(yè)的平面形状

早期直(zhí)升机的旋翼多采用尖(jiān)削桨叶(yè),即桨(jiǎng)叶尖部的弦长比根部更短一(yī)些,这可使桨盘诱导速度(dù)更为均匀,从而改善悬停性能。采用金(jīn)属桨叶(yè)后,为了(le)制作方便,一般旋翼都采(cǎi)用(yòng)矩形(xíng)桨叶(yè)。近些年,复合(hé)材(cái)料受到青睐,由于这种桨叶按变弦长(zhǎng)的要求制作(zuò)没有困难(nán),尖削方案(àn)可(kě)能重(chóng)新被采用。为了解决大速度(dù)下空气压缩性的(de)影响和噪音问(wèn)题,把桨叶尖部做(zuò)成后掠形是可(kě)取的方案。。黑鹰"直升机就(jiù)是一个例子。

5)桨叶扭转

采用扭转桨叶可以改善(shàn)旋(xuán)翼桨叶拉力分布,但是,大的扭(niǔ)转(zhuǎn)虽(suī)然对悬停有利,但在大速(sù)度飞行时(shí),会产生振动载荷,而且(qiě),大的扭(niǔ)转对自(zì)转也不利(lì)。因此,目前桨叶的扭转(zhuǎn)角多在-5°~-6。之间。

6)桨叶翼型和桨叶片数

一般来说,理想的翼(yì)型应该(gāi)既有较好(hǎo)的低速(sù)性(xìng)能,又有较好的高速性能,同时俯(fǔ)仰(yǎng)力矩(jǔ)也要符合要求,还要考虑防颤振等特殊要求。这些条件往往相互矛盾。目(mù)前(qián)来看,相对厚度比较薄的接近对称型方案占上风。

至于旋翼的桨(jiǎng)叶(yè)片数(shù),目(mù)前多数单旋翼带尾桨无人直升机使用2片桨叶。

2.尾桨(jiǎng)形(xíng)式与(yǔ)布局

1)尾桨的(de)安装位置与(yǔ)旋转方向

尾桨的作用是平(píng)衡(héng)旋翼产生的反扭矩,单旋翼直升机的尾桨都是安装在尾梁后部或尾斜梁或垂尾(wěi)上,其垂直位(wèi)置有的比较低,有的(de)则比较高(gāo)。尾桨(jiǎng)的安装位置低,可(kě)以减小(xiǎo)传动(dòng)系统的复杂(zá)性,有助于(yú)减(jiǎn)轻结(jié)构重量,但是,尾桨可能处(chù)在旋翼尾流之(zhī)中(zhōng),容易发生不利的(de)气动干扰。反(fǎn)过来,尾桨(jiǎng)的安装(zhuāng)位(wèi)置高,则可(kě)以避免或减少气动干扰,提高尾桨效率,对提高前(qián)飞(fēi)的(de)稳定性也(yě)是有利的(de),而(ér)且悬停时直升机坡度较小,但结(jié)构较低(dī)置(zhì)尾桨复杂。现在看来,多数直升机都采用高(gāo)置尾桨。

尾桨旋转方向的选择(zé),主要是从(cóng)减弱旋(xuán)翼与尾桨之间(jiān)的气动(dòng)干扰考(kǎo)虑的。一(yī)般认为,尾桨采用底(dǐ)部向前的旋转方向较为有(yǒu)利,尾(wěi)桨效率(lǜ)也比较(jiào)高。

2)推式尾桨和拉(lā)式尾桨

在(zài)尾桨拉力方向不变(biàn)的情况下,可以把尾(wěi)桨安装在垂(chuí)尾的左侧,也可以安装在垂尾的右(yòu)侧。如果尾(wěi)桨拉力方向(xiàng)指向直升机对(duì)称(chēng)面(miàn),则为推式尾桨;如果尾桨拉力是从对称面向(xiàng)外指的,则为拉式尾桨(jiǎng)。采用(yòng)推(tuī)式尾桨还(hái)是拉式尾桨,主(zhǔ)要是从尾桨与垂(chuí)尾的气动干扰方面考虑的。采用拉式(shì)尾桨,垂尾处于尾桨的诱导速度(dù)范(fàn)围内(nèi),在垂尾上(shàng)必然要产生一个与尾桨拉力方向相反的侧(cè)力,这样会降低尾桨效率,而且(qiě),还容易发生方向摆动等现象。虽(suī)然推式尾(wěi)桨与垂(chuí)尾之间也会发生气动干扰,但总的来看,采用推式尾桨较为有利。

3)尾桨桨叶(yè)的扭转

尾桨桨叶的扭转可以在一定程度上提高尾桨的工作(zuò)效率,但有可(kě)能导(dǎo)致尾桨涡环的产生并(bìng)带来相应的副作用,一般不提(tí)倡。

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