旋翼机原理研究

旋翼机原理研究一、研究背景旋翼机或称自旋翼机，是一种介于飞机和直升机之间的一种飞行器，依靠自由旋转的旋翼系统提供升力飞行的航空器，正常飞行时旋翼系统无动力驱动。而是依靠向上流过桨叶的气流维持旋翼的自由旋转自旋，同时产生将飞行器维持在空中的升力，就像是一个横放的风车所以最初发明时也被称为风车飞机。在飞行中，旋翼机同直升机最明显的分别为直升机的旋翼面向前倾斜，而旋翼机的旋翼则是向后倾斜的。旋翼机飞行时，举力主要由旋翼产生，固定机翼仅提供部分举力。有的旋翼机甚至没有固定机翼，全部举力旋翼机都靠旋翼产生。自转旋翼机通常由发动机驱动的独立小旋翼的垂直螺旋桨产生推进力升空。由于旋翼机的旋翼旋转的动力是由飞机前进而获得，依靠前方来流吹动始终处于自转状态。万一发动机在空中停车螺旋桨不转了，可以直接依靠旋翼自转着陆，此时旋翼机据惯性继续维持前飞，并逐渐减低速度和高度，就在这高度下降的同时，也就有了自下而上的相对气流，旋翼就能可自转提供升力。这样，旋冀机便可凭飞行员的操纵安全地滑翔降路。即使在行员不能操纵，旋翼机失去控制的特殊情况下，也会像降落伞-样的降落，虽然也是粗暴着陆，但不会出现类似秤陀落地的情况。当然，直升机也是具备自转下沿安全着陆能力的。但它的旋冀需要从有动力状态过渡到自转状态，这个过渡要损失一定高度。如果飞行高度不够，那么直升机就可能来不及过渡而触地。旋翼机本身就是在自转状态下飞行的，不需要进行过渡，所以也就没行这种为安全转换所需的高度约束。旋翼机由于其旋翼自转，没有自发动机至旋翼的减速和传动装置，也不需要平衡旋翼反扭矩的尾桨，因而结构大大简化。现代自转旋翼飞行器采用旋翼预转技术，起飞前通过简单传动装置将旋翼预先驱转，然后通过离合器切断传动链路后起飞，使得它可以超短距起飞；自转旋翼飞行器降落时，通过操纵旋翼锥体后倾，可实现点式着陆，不需要专用机场。二、研究内容一、概要结合自转旋翼特性及旋翼机设计的独特性，在直升机空气动力学和飞行动力学原理的基础上修改并建立了计算模型，解决了旋翼机气动布局、总体参数及旋翼设计等方面的问题。二、气动原理为了便于理解，我们选取了两片桨叶旋翼作气动分析如左图所示。桨叶横截面呈流线型，两桨叶上表面保持一致水平下表面构成小角度夹角。转轴垂直于上表面平面。当旋翼受到水平吹来的空气时后行的一只旋翼处于平板斜面状态，接受到较大的空气阻力，而前行的一只旋翼则处于流线滑流状态所受阻力较小。这样在整个旋翼上由于阻力差而产生旋转。当旋翼机起飞时旋翼平面与水平面（或前进方向）呈一定夹角（大于两倍的下翼面倾角）则后行旋翼受力增大而且前行旋翼阻力减小并产生升力。而且后行的旋翼也会在阻力作用下产生向上的分力，与前行的旋翼一起给旋翼机提供升力。由于旋翼机在飞行状态下主旋翼平面是斜向后的，其在空气作用下产生斜向后的作用力其中垂直方向的分力作为旋翼机的主升力，水平向后的分力则被水平放置的马达所产生的推力所抵消，从而达到飞行效果。自转旋翼是旋翼机的典型特征。旋翼机的旋翼气动原理与直升机的相似，所以可将分析直升机旋翼气动特性的方法，根据旋翼机的特点进行修改后用来分析旋翼机。靠近桨尖部分的叶素气动合力向后，阻碍桨叶转动，对自转起减缓作用；靠近桨根的叶素迎角过大，引起失速；中间部分的叶素气动合力向前，驱使桨叶转动，对自转起加速作用，当整个桨盘起阻碍作用的气动合力等于起驱动作用的气动合力时，旋翼便处于稳定自转状态，这也是旋翼机的定常工作状态。三、总体参数、飞行性能及布局1、参数设定旋翼机总体设计参数包括总重Gw、使用载荷Guse、旋翼半径R、旋翼桨尖速度ΩR、旋翼桨叶弦长b、桨盘载荷p、旋翼实度σ、功率载荷q、螺旋桨桨叶半径Rp和螺旋桨桨尖速度ωRp等。根据对已有旋翼机参数的归纳总结，目前使用中的旋翼机大多是小型或轻型的，重量比（空机与总重之比）约0.6。设计任务可以确定总重Gw，也可以确定使用载荷Guse，知道二者之一，便可以求出另一者。为了拥有好的性能，例如停车下降率约为5m/s，一般要求功率载荷q小于4.5kg/hp（59.2N/kw）,桨盘载荷p小于12kg/m2。桨叶片数k可以参考直升机方法确定，目前大多旋翼机采用两片桨叶，安装在跷跷板式桨毂上。典型两片桨叶旋翼，取实度σ为0.034～0.040。如果实度取稍大值，则桨叶挥舞增加，性能改善不多，故一般都取偏小值。由式（1）可以确定旋翼桨叶弦长b，。螺旋桨直径根据发动机转速来确定，大的直径对爬升率和低速推力很重要，但是如果取得过大，则全机尺寸高，停放不易。螺旋桨一般与发动机输出轴直接连接，所以螺旋桨转速rpm就是发动机轴转速，螺旋桨桨尖速度ωRp和旋翼机前飞速度的合速度一般不超过声速的90%，目前常用的旋翼机螺旋桨桨尖速度（ωRp）max≤290m/s。知道发动机转速后，即可确定螺旋桨桨叶直径。轻小型旋翼机总距角θ一般是固定的，中大型旋翼机的θ也不用经常操纵。θ增加，则最小飞行速度小，最大飞行速度增加，可用功率增加但预转较费力，一般θ取3°～5°较想。旋翼轴后倒角一般取-3°～-12°取偏小值性能略有改善，但是对飞不利。中心铰旋翼要有预锥角，般约2°~4°。2、性能总体参数与气动、动力学、结构重量、噪声及操稳特性等有密切关系。选取这些参数很繁杂，甚至相互矛盾，如果条件具备，旋翼机也可以像直升机总体参数优化设计一样来优化各参数。旋翼机桨盘载荷p对前飞最大速度Vmax影响很小，但对最小速度Vmin影响很大,p减小，Vmin减小，经济速度、有利速度增大。功率载荷q对Vmin影响较小，对Vmax等影响很大，q减小，Vmax增加，不影响最大航程。实度σ减小，Vmax随之减小，低速段需用功率也减小，所以可用功率增加；增大σ对跳飞有利，对预转速度rpm要求较低。3、布局旋翼机的最基本的部件是机身、发动机、旋翼系统、螺旋桨、尾面以及起落架。为了改善性能，如提高飞行速度等，还可以选择机翼等部件。机身是所有其他部件的连接件，结构可以是焊接管、金属片、复合材料、单管栓接或混合结构方式，最大强度重量比的机身是碳纤维材料或焊接管结构。发动机在飞行中提供独立于旋翼系统的前飞动力，在地面则可以提供旋翼桨叶预转的动力。随着旋翼机的发展，可用于旋翼机的发动机种类也越来越多。车用、船用、航空发动机都可以用于以娱乐、体育爱好为目的研制的旋翼机，而需要取得适航证的旋翼机必须安装权威管理机构认证的发动机。发动机可以是活塞式也可以是涡轮式。旋翼系统主要给旋翼机提供升力和操纵，常用的是全铰接式、半刚性跷跷板式。因不需反扭矩装置，现代旋翼机的主要型式是单一的旋翼。目前旋翼机惯用2片或3片桨叶，广泛应用于直升机的负扭度桨叶对旋翼机来讲，并没有多大优势，所以旋翼机上常用无扭转或正扭转桨叶。个人自制的小型旋翼机常常使用可以连同桨毂桨叶一起扳动倾转的旋翼系统，也可以使用带总距操纵来改变旋翼桨叶俯仰角的旋翼系统。如果桨叶带总距操纵且具有足够的惯量，旋翼机跳飞就有可能实现。旋翼机的螺旋桨可以是拉进式也可以是推进式，也就是说，螺旋桨可以安装在机身头部，也可以安装在尾部。早期的旋翼机是由螺旋桨拉进式固定翼飞机改装而成，用旋翼替代固定机翼或者固定机翼与旋翼复合使用。推进式布局避免了方向舵和平尾位于螺旋桨滑流中，具有更好的操纵性，飞行员也有更好的视野。但是在总体设计中应该充分考虑推进式布局中，由于受机身影响，螺旋桨的工作效率有所降低。和定翼飞机一样，旋翼机尾平面包括垂尾和平尾，提供俯仰和偏航轴向的稳定和操纵。有一些旋翼机，特别是封闭式驾驶舱的旋翼机，航向稳定性很低，为了补偿航向稳定性，安装垂尾是必要的。由于垂尾面积受旋翼桨叶倾转边界和着陆俯仰角度的限制，所以许多旋翼机设计安装了多片垂直安定面和方向舵。如果采用推进式螺旋桨布局，处于螺旋桨滑流中的平尾和垂尾利用效率会更高，特别是在旋翼机起飞和着陆飞行速度比较低的时候。起落架使旋翼机在地面具有机动性。早期的旋翼机一般采用后三点式起落架布局，现今的旋翼机大都采用前三点式起落架布局。旋翼机可以选装机翼，这样就可以实现短距离起飞和以飞机速度巡航，采用这类布局，在前飞时，机翼会承担旋翼机绝大多数载荷，旋翼也就被卸载了。如果此时发生发动机停车，旋翼不具有安全着陆的能量，必须相对旋翼机所处的飞行状态采取相应的措施，设法让旋翼尽快进入自转状态。三、研究前景旋翼机较高的安全性能使得它在如今高速低耗的航天器发展潮流中能不被淘汰而且成为一种独特的类型。绝大多数飞行器的致命伤是失速，发动机的停机造成的空难事故已经枚不胜举，而旋翼机的特殊设计理念却能完全避免这种灾难的发生。我们小组，通过理论报告和模型制作的方式向大家介绍这种具有宝贵性能但却鲜为人知的飞行器。这种飞行器虽然任存在飞行速度低，效率不够高等缺点，但其独有的安全性能却依然值得我们借鉴，而且由于没有尾传动系统及减速器自动倾斜器，旋翼机可以做成轻便的家用或公共交通飞行器。