07旋翼飞行器技术

EC-120 直升机
海豚直升机上的涵道尾桨
已经下马的美国 RAH-66“科曼奇”
No Tail Rotor
MD 600 N
直升机的操纵

一般没有用于操纵的活动舵面 单旋翼带尾桨： 旋翼+尾桨； 双旋翼：两旋翼；
旋翼操纵系统
直升机的固有特性

静稳定动不稳定
旋翼挥舞特性
挥舞形成
机身与旋翼气动干扰
机身与旋翼气动干扰
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颤振
地面与空中共振
直升机驾驶特点

1. 操纵的滞后性 2.操纵的反复性 3.操纵的协调性
悬停和垂直飞行

1. 悬停 ＝P 需用功率： P 悬停 诱导 P 型阻 地面效应 发动机可用功率
垂直上升

需用功率：
P ＝P 爬升 垂直 诱导 P 型阻 P
米 8
SA321（超黄蜂）
BO-105 WG-13(山猫)
SA350(松鼠) SA360(海豚) S-70(YUH-60A)
“万用”的直升机

直升机的独特优：
★垂直起落、悬停 ★良好的低速飞行性能 使直升机可广泛应用于 各个领域、各种环境。



★ 救生：海上、失火楼顶、 山区 、抢救伤员
★ 运输： 石油平台、山区、市区、吊运
0 1 1
max min 1 1 max min 1 1
桨叶横向升力分布
结论
锥度角： 由绕水平角的两个力矩－ 拉力力矩和离心力矩的平衡关系决定； a 后倒角 ：由于旋转平面上周向来流的不 对称引起； b 侧倒角：由于锥度角引起的垂直桨叶平 面气流引起； 铰接式旋翼在斜流中的挥舞运动自动调 节桨叶拉力，消除旋翼的侧倾力矩；
直升机的平衡
直升机的稳定性

水平安定面产生的俯仰安定力矩
悬停稳定性
直升机稳定性特点



1.与固定翼飞机相比较差，特别在悬停状态， 受到扰动后，纵、横向平衡变化，偏离原 平衡状态出现往返摆动； 2.直升机大速度飞行时，稳定性比悬停好， 但受扰后，仍出现摆动，且消失需一段时 间； 3.直升机在不稳定气流中飞行随时受到扰动， 驾驶员操纵频繁；
自动倾斜器
旋翼拉力作用
直升机飞行原理

桨叶叶素剖面的来流和迎角
旋翼锥体的形成
尾桨的作用和特点

尾桨产生拉力用以克服旋翼的扭矩。
通过改变尾桨拉力实现对直升机的航向操 纵。

某些直升机的尾桨轴与旋翼轴倾斜某一角 度用于提供部分升力和调整直升机的重心 范围。
直升机主旋翼反扭矩
直升机抵消反扭力的方案 最常规的是采用尾桨
各国直升机旋翼转向
尾桨问题





尾桨尺寸限制：尾桨要是太大了，会打到地上； 尾桨的噪声就很大：要提供足够的反扭力，就需要提高转 速，这样，尾桨翼尖速度就大，极端情况下，尾桨翼尖速 度甚至可以超过音速；形成音爆。 尾桨需要安装在尾撑上，尾撑越长，尾桨的力矩越大，反 扭力效果越好，但尾撑的重量也越大。 尾撑内需要安装一根长长的传动轴，这又增加了重量和机 械复杂性。 尾桨是直升机飞行安全的最大挑战，主旋翼失去动力，直 升机还可以自旋着陆；但尾桨一旦失去动力，那直升机就 要打转转，失去控制。 故障率高：在战斗中，直升机因为尾桨受损而坠毁的概率 远远高于因为其他部位被击中的情况。即使不算战损情况， 平时使用中，尾桨对地面人员的危险很大，一不小心，附 近的人员和器材就会被打到。在居民区或林间空地悬停或 起落时，尾桨很容易挂上建筑物、电线、树枝、飞舞物品。


直升机的主要特点

直升机： 旋翼(rotary-wing)： 升力面、操纵面、推进器； 不需跑道，可垂直起降，可悬停。 气动效率较低；飞行速度较低。 可维护较差，寿命较短；载重较小； 经济性差；振动较大，舒适性差； 操纵较难，稳定性差；

飞机： 升力面：机翼； 操纵面：升降舵、方向舵、襟副翼； 推进器： 螺旋桨、喷气发动机； 气动效率较高；需要跑道；飞行速 度大；升限高；寿命较长；载重大， 经济性好；平稳舒适；操纵容易， 稳定性好；


直升机分类

轻型直升机－3吨以下（延－2，BO105)
多用途直升机－3~7吨（直－5，海豚) 中型运输直升机－7~16吨（米－8，超黄蜂) 重型直升机16吨以上（CH－53，米－6)



直升机分类





按反扭矩的补偿方式 单旋翼带尾桨形式； 共轴双旋翼形式； 纵列式； 横列式； 横列交叉式； 倾转旋翼式；
挥舞公式推导




用周期函数表示 a a cos b sin d 0 d 对挥舞角求导： b ( , ) arctan 得到： a d 对挥舞角速度求导： d 0 a , ) arctan( ( ) 得到： b 挥舞速度最大与挥舞角最大相差90度
－旋翼角速度；
操纵灵敏度

操纵灵敏度：
直升机稳定旋转角速度 操纵灵敏度＝ 操纵机构位移或倾角 直升机稳定旋转角速度 操纵力矩 操纵功效 操纵灵敏度＝ ＝ 操纵机构位移或倾角 阻转力矩 角速度阻尼
第四代 1976～ 复合材料新型旋翼 系统 <0.5 近于350公里/小时 近于无限寿命 近于0.05 g
空重/总重 最大飞行速度 旋翼桨叶寿命 全机振动水平
噪音水平
飞行品质（库 珀－哈珀驾驶 员评定等级） 型号举例
110 分贝
4.5 级
100 分贝
3.5 级
90 分贝
3级
小于80分贝
近2级
贝尔47 直－5
CH-47
米-12
一、直升机的发展历史
公元4世纪我国晋代一书《抱朴子》 “竹蜻蜓” 中国陀螺(chinese top) 公元15世纪 意大利 科学家达芬奇 画，最早的直升机设计方案； 本世纪30年代 德国、法国、美国 载人直升机

1923年西班牙人J· 西尔瓦发明铰接式旋翼 1926年英国人H· 葛劳渥发表了旋翼机的一般 理论 1942年，美籍俄人I· 西科斯基（I· Sikorsky） 试飞成功直升机VS---300 里程碑 60年 成批生产了铰接式单旋翼直升机R—4 1946年美国人L· 贝尔（LBell）翘板式单旋翼 直升机贝尔—47获得了美国政府第一次颁 发的直升机适航证

起飞

垂直起飞 滑跑起飞 影响起飞重量的主要因素
爬升

爬升时力的平衡
爬升

爬升速度：
tg＝Vy / Vx (P / Vx )max
Vy＝P / G
上升时间
动升限
下滑

下滑的力平衡
直升机下滑性能
垂直着陆
瞬时增距着陆
利用动能着陆
综合着陆
回避区
直升机构造特点





桨穀 桨叶 自动倾斜器 尾桨 机身 起落架 传动系统
拉扭式桨穀构造
层压弹性轴承
星形柔性桨穀
离心力的传递
桨穀变距运动
挥舞运动
摆振运动
无轴承旋翼
EC-135
hingeless bearingless
Bo-105 无铰桨叶
Bo-105 桨毂
D'Ascanio 的直升机是第一个现代意义上的直升机，能完成前飞， 具有基本的飞行控制能力



1880 年，美国发明家托马斯· 爱迪生开始研 制用电动机驱动的直升机，最后放弃； 1907 年，法国人 Paul Cornu 制成第一架载 人的直升机，旋翼转速每分钟 90 转，发动 机 一台 24 马力的汽油机。 Cornu 用旋翼下的“舵面”控制飞行方向和 产生前进的推力，但 Cornu 的直升机的速 度和飞行控制能力很可怜。
30 年代德国的 FW61直升机
主要技术

发动机（涡流轴）
桨叶：改善飞行性能（由金属到复合材料） 达到无限寿命 桨毂改善使用效能（弹性，柔性）

直升机概况

八十年代初，世界上估计已有四万多架直 升机在各地使用
总重由初期的1吨左右提高到今天的100吨 以上 最大飞行速度由初期的150公里/小时左右 发展到今天的350公里/小时以上
旋翼机技术
南京市模幻天空航空科技有限公司
飞行器设计与应用力学系
直升机定义

以旋翼作为主要升力来源，并可垂直起降 的飞行器；
具有一个或两个旋翼，旋翼轴近于铅直， 产生向上的拉力平衡总重；并可通过特殊 机构产生前、后、左、右分力使直升机可 垂直起落、空中悬停，向任一方向灵活飞 行。

腾空而起

直升机方式



1923 年，Juan de la Cierva 在 设计旋翼机时，无意 中解决了直升机的一个重大问题，他发明的挥舞 铰解决了困扰直升机旋翼设计的一个重大问题； 1930 年 10 月，意大利人 Corradino D‘Ascanio 设计 的共轴反转双桨直升机是公认的第一架现代意义 上的直升机，在 18 米高度上前飞了 800 多米的距 离； 德国人 Anton Flettner 设计的 FL282 是第一种量产 直升机，在二战中为德国海军生产了近 1,000 架；


中国 竹蜻蜓 2,000 多年 ； 达· 芬奇在 15 世纪设计 直升机草图； 1796 年，英国人 George Cayley 设计了第一 架用发条作动力、能够飞起来的直升机； 1842 年，英国人 W.H. Philips 用蒸气机作动 力，设计了一架只有 9 公斤重的模型直升 机。 1878 年，意大利人 Enrico Forlanini 用蒸气 机制作了一架只有 3.5 公斤重的模型直升机
金属桨叶
复合材料桨叶
自动倾斜器
尾桨
机身
起落架
传动系统
主减速器
连轴节
离合器
周期变距

吹风挥舞： 当气流左右不对称时引起桨尖平面后倒； 当迎角前后不对称时引起桨尖平面侧倒；
气动输入与挥舞输出相差90度； 自动倾斜器


直升机飞行原理

旋翼产生空气动力 飞行时形成倒锥体；拉力矢量垂直于桨尖 轨迹平面
投产日期 特征
第一代 1946～1955 活塞式发动机 木质混合式桨 叶 0.75 <200公里/小时 600小时 0.20 g
第二代 1956～1965 涡轮轴发动机 金属桨叶 0.60 250公里/小时 1200小时 0.15g
第三代 1966～1975 玻璃纤维桨叶 0.55 300公里/小时 >3600小时 0.10 g
★ 公安：交通巡查、灭火、追捕
★ 特种作业：吊运、吊装、 管线巡查、 空中摄影等
★ 军事： 攻击、反潜攻舰、机降和 运输、战勤
直升机是万用、万岁的飞行器。


伊戈尔. 西科斯基预言： 直升机将如同私人轿车，走进千家万户。
直升机诞生已70年，仍远未普及

世界民用直升机现有量：2.5万架 中国民用直升机现有量：120余架 对比： 世界民用飞机总量：约40万架

a0
1 1
倾转旋翼机飞行操纵功能
V-22直升机和飞机方式的操纵特点
倾转旋翼机的变换过程
飞行特点
飞行包线的比较
旋翼的环境
旋翼气动载荷
旋翼气动载荷
翼型发展
直升机翼型气动特性的对比
最大升力系数
阻力发散马赫数
翼型对旋翼性能的影响
气动载荷分布
气动载荷分布
气动载荷分布
试验和理论比较
（1）需要更大的马力重量比的发动机 （2）旋翼左右不对称的旋转升力面


气动、强度、平衡和操纵难于左右对称的固 定翼飞机
腾空而起（鸟）



莱特兄弟发明飞机； 需要跑道（草地、缓坡） “正规”的混凝土跑道 起飞 、着陆； 飞机的滑跑速度、重量 和对跑道的冲击， 要求 有增无减； 连简易跑道也是高速公 路等级的。 现代战斗机和其他高性 能军用飞机对平整、坚 固的长跑道的需求增加
直升机操纵性

操纵功效：
操纵力矩 操纵机构位移或倾角

自动倾斜器传动比：

i i 纵向操纵功效：
Mz

T yT sin i
i ; sin i i ; iA i
iA T yT
角速度阻尼

角速度阻尼：
阻转力矩 直升机稳定旋转角速度
8
滞后角； －直升机旋转角速度； －桨叶洛克数；
垂直下降

需用功率： P ＝P P P 下降 诱导 型阻 下降
涡环状态

前飞状态

平飞时力的平衡 平飞时的需用功率
最大速度、最小速度、经济速度（最大航 时）、有利速度（最大航程）、最大爬升 率、最小下降率； 平飞需用功率随高度变化 动升限 平飞最大速度的限制（激波、气流分离）