自转旋翼机的基本构造和原理-1

自转旋翼机的基本构造和原理

自转旋翼机的基本构造包括: 机身、旋翼、尾翼、起落装置、动力装置、座舱仪表。如图3-1所示。

图3-1 自转旋翼机的基本构造

一、机身

机身的主要功能是为其它部件提供安装结构。机身的常见材料是金属材料和复合材料。可以是焊接或是螺栓连接，也可以采用搭配组合方式来实现。

二、旋翼

旋翼的主要功能是为自转旋翼机提供必须的升力和控制能力。常见的结构是带桨毂倾斜控制的跷跷板式旋翼。翘翘板式旋翼，也就是两片桨叶刚性地连接在一起，当一片桨叶向上运动时，另一片桨叶向下运动。

图3-2 跷跷板式结构的旋翼头

三、尾翼

尾翼由垂直尾翼和水平尾翼组成。主要功能是为自转旋翼机提供稳定性及偏转控制。

四、起落装置

起落装置的功用是提供航空器起飞、着陆和地面停放之用。它可以吸收着陆冲击能量，减少冲击载荷，改善滑行性能。

自转旋翼机一般有三个起落架，其中两个主要起落架位于重心附近的机身两侧，起主要的支撑作用，另一个起落架在机头或机尾。若在机尾，则称为后三点式，较适合在粗糙道面上行进；若在机头，则称为前三点式，为大多数自转旋翼机所采用，并且该前轮可通过方向舵脚蹬控制偏转，以便地面滑行时灵活转弯。轮式起落架一般设有减震装置，能吸收大部分着陆能量，可以在硬性路面上进行滑行起飞和降落。能在水上起降的自转旋翼机，采用浮桶式起落架。

五、动力装置

为自转旋翼机提供动力，推动其前进的装置称为动力装置。它由发动机、燃料系统以及导管、附件仪表等组成。在地面，动力装置提供旋翼系统预旋的动力；飞行时，动力装置不为旋翼系统提供动力。

六、座舱仪表

座舱仪表是提供给飞行员观察和判断飞行状态，以做出正确的操纵控制。它们一般包括发动机仪表（如转速表、油压表等）、气动仪表（如空速表、升降速度表等）、电子仪表（如地平仪、导航仪）等。不同的自转旋翼机根据结构复杂程度选装不同配置的仪表。图3-6为常见的自转旋翼机座舱仪表。

图3-6 常见的自转旋翼机座舱仪表

自转旋翼机的工作原理

自转旋翼机是通过旋翼来产生升力的，因此，了解旋翼空气动力的产生和变化，是掌握自转旋翼机运动规律和操纵原理的基础。本章介绍旋翼、桨叶的工作参数，分析旋翼升力、阻力的产生和影响因素，以及桨叶运动的空气动力。

第一节旋翼和桨叶

一、旋翼

（一）旋翼直径和桨盘载荷

旋翼直径：旋翼旋转时，桨尖所划圆圈的直径，叫做旋翼直径，用D表示。如图4-1所示。

图4-1 旋翼直径

桨盘面积：桨叶旋转所划圆的面积，叫桨盘面积，用F表示。

桨盘载荷：自转旋翼机的飞行重量与桨盘面积的比值，叫做桨盘载荷。即

P=G F

式中：P-桨盘载荷（千克/米2）

G-旋翼机的飞行重量(千克)

F-旋翼的桨盘面积（米2）

（二）旋翼实度（或称充填系数）

所有桨叶面积之和同桨盘面积的比值，叫做旋翼实度，用σ表示。

KF

σ=叶

F

式中K-片数

F-一片桨叶的面积（米2）

（三）旋翼转速和桨毂旋转平面

旋翼转速：旋翼每分钟旋转的圈数，叫旋翼转速，用n表示。旋翼转动的快慢又可用角速度(Ω)表示。角速度以每秒钟转过的弧度为单位（弧度/秒）。两者的关系为：

Ω=2π（n/60）=πn/30（弧度／秒）

圆周速度(Ωr)：桨叶某一切面在旋转中的切向速度。其数值等于旋翼的旋转角速度和该切面至旋转中心的距离的乘积，即Ωr。

桨毂旋转平面：桨毂旋转时与桨毂轴垂直的旋转平面，叫桨毂旋转平面。在研究问题时，它是桨叶和旋翼很重要的基准面。

（四）旋翼的有效工作面积

旋翼工作时，整个桨盘面积并不都有效地产生拉力。桨叶尖端由于存在桨尖涡流，桨盘上下压力差减小，产生的拉力很小。桨毂不产生拉力，因此，在计算有效面积时应减去旋翼桨盘面积的中心和边缘部分。有效面积约为桨盘面积的92%-96%。

（五）旋翼迎角

旋翼迎角：相对气流与桨毂旋转平面之间的夹角，叫旋翼迎角。

二、桨叶

（一）桨叶的平面形状

桨叶通常有矩形、梯形、混合梯形和桨尖具有后掠形，目前旋翼机普遍采用矩形桨叶。如图4-2所示。

图4-2 桨叶的平面形状

（二）桨叶的切面形状

桨叶通常为平凸型、双凸型和对称型，如4.3图所示。自转旋翼机通常采用S翼型，如8H-12翼型。

图4-3 桨叶的切面型状

（三）桨叶的工作参数

1. 桨叶切面安装角

桨叶的弦线与桨毂旋转平面之间的夹角，叫桨叶安装角，用φ表示。如图4-4所示。相对于桨毂旋转平面，桨叶前缘高于后缘，φ为正。

桨距：桨叶半径等于0.7R 处的切面（该切面称特性切面）的安装角。

总距：各片桨叶的桨距的平均值叫旋翼的总距，用φ7表示。

图4-4 桨叶安装角

2. 桨叶切面迎角

桨叶旋转时，桨叶切面的相对气流合速度(W)与其翼弦之间的夹角，用α表示。相对气流从弦线下方吹来，迎角为正。通常特性切面的迎角，叫桨叶迎角，用α7表示。桨叶迎角和旋翼迎角是不同的。

3. 桨叶切面来流角

桨叶的相对气流合速度W与桨毂旋转平面的夹角。用ε表示。相对气流合速度与桨毂旋转平面一般是不平行的。W从上方吹向桨毂旋转平面，ε为正；反之，从下方吹向桨毂旋转平面，ε为负。如图4-5所示。

图4-5 桨叶安装角、迎角、来流角三者的关系

从图4-5中不难看出，安装角、桨叶迎角、来流角三者之间的关系为：

α=φ-ε

第二节旋翼的自旋

一、自旋

直升机和自转旋翼机之间的一个根本不同：在于依靠动力维持飞行的过程中，直升机通过发动机的动力旋转翼面，从上方吸收气流；自转旋翼机旋翼系统工作在自旋状态下。这意味着旋翼依靠向上流过翼面的气流维持自身的自由旋转。在自旋过程中产生的力一方面维持旋翼的旋转，另一方面产生将飞行器维持在空中的升力。从空气动力学的角度而言，在正常飞行时自转旋翼机旋翼系统的运转和直升机的旋翼系统在发动机失效时，向前自旋下降时的运转方式一样。如图4-6所示。

图4-6在自转旋翼机上气流通过旋翼系统的方向和动力飞行状态下的直升机相反

二、垂直自旋

当旋翼机垂直下降时，桨叶也可以产生自旋，这称为垂直自旋。由于旋翼机做垂直下降，这相当于有一个垂直气流吹向桨叶，另外，由于桨叶在自旋，这相当于有一个与桨叶转动盘面平行的气流吹向桨叶。也就是说，有两股气流吹向桨叶（见图4-7，图中所示为桨叶的某一剖面）。其中，吹向桨叶的垂直气流的速度通常是不变的，等于下降速度，而平行桨盘吹向桨叶某一剖面的气流速度实际上是该桨叶剖面转动的线速度，其大小正比于该桨叶剖面到转轴的半径，也就是说，