M22小型无人直升机的设计特点

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第二十届（2004）全国直升机年会论文

M22小型无人直升机的设计特点

陈 铭 胡继忠

（北京航空航天大学 航空科学与工程学院）

摘要：本文论述了共轴式直升机M22总体设计中的几个问题，包括总体参数选择、气动布局、双

旋翼之间的气动干扰问题。经过试验和改进,使该机的气动性能、稳定性和操纵性达到要求。

关键词：共轴式直升机；总体设计；试验；总体参数

一、直升机型式和总体参数选择

随着我国国民经济的发展，越来越多的部门需要一种载荷在10～20公斤，可垂直

起降，成本低，可在空中悬停及进行中低速飞行的飞行平台。这种飞行平台的主要用途

有：空中摄影；空中巡查输电线路；对地测绘；对地监视；实时图像传输等。另外，这

种飞行平台也应具有体积小，便于运输，便于使用维护的特点。

M22直升机的设计考虑了上述需要。对该机要求有：垂直上升和中速飞行性能好，

动升限在2000～3000米；最大飞行速度120公里/小时，直升机重量轻、尺寸小、可用

一辆轻型车运输。根据这些要求，

在直升机型式选择上，采用了共轴

式双旋翼方案。这种型式直升机的

特点是：悬停和中速飞行效率高；

结构紧凑、尺寸小；由于没有尾桨，

不存在来自尾桨的故障。

1.1桨盘载荷选取

在总体参数选择中，首先要考

虑的是桨盘载荷的问题。考虑该直

升机主要作业在悬停和经济巡航速

度范围内，因此，桨盘载荷对这一速度范围的需用功率影响较大[1]，减小桨盘载荷可以大大减小旋翼需用功率，提高直升机的气动效率。对

于共轴双旋翼直升机，由于存在上下旋翼的气动干扰，上下旋翼的诱导速度均大于单旋

翼情况，而诱导干扰大小与桨盘载荷有关，因此，

减小桨盘载荷对于共轴双旋翼直升机

图1 2000年M22参加珠海国际

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更具有重要意义。

与单旋翼带尾桨直升机不同的是，单旋翼直升机增加旋翼直径导致直升机尾梁长度

增加，对于机身的尺寸和重量影响较大。共轴双旋翼直升机的机身可以在旋翼桨盘的投

影面积之内，增加旋翼直径可不影响机身的几何尺寸。因此，共轴式直升机的尺寸和重

量与旋翼直径的关系相对较弱。

对于小型直升机，桨盘载荷的取值范围与大直升机有较大的不同，如表1所示， 本

文认为其主要原因是小型直升机由于总重较轻，旋翼直径在一定范围内的变化对于全机

重量影响不大。表1为500公斤以下的无人直升机桨盘载荷统计。

表1

单旋翼直升机 共轴式直升机 型号 Camcopter Vigilante 496 Yamaha R-50 Yamaha RMAX CL-227

CL-327Ka-37 Ka-137

桨盘载

荷(㎏/

㎡) 9.21 12.7 9.05 11.5 18.4 13.9

6.9 6.34

由表1统计得出，在总重小于500公斤的无人直升机中，其桨盘载荷的最大值为

13.7。均小于一般直升机桨盘载荷的下限15㎏/㎡[1]。由表1还可看出，常规布局的共

轴式直升机Ka-37和Ka-137的桨盘载荷均比单旋翼直升机要小。通过飞行性能计算和

重量估算，M22小型无人直升机的桨盘载

荷确定为7.95㎏/㎡。

1.2桨尖速度选取

对于装有活塞式发动机的直升机，桨

尖速度的取值范围是160m/s ～190m/s [1]。

根据统计，小型直升机的桨尖速度一般取

直升机桨尖速度的下限值即160m/s 左

右。桨尖速度的下限主要是考虑自转下滑

时保留足够的动能，同时考虑在大速度下

的前进比不致过大，以免出现气流分离和激波[1]。对于小型直升机，由于旋翼直径较小（3m 左右），即使桨尖速度取的较小，旋翼转速

仍大大高于中型和大型直升机。例如，直九直升机的桨尖速度为218m/s ，旋翼转速为

349RPM ，如果取小型直升机的直径为3m ，桨尖速度取为140m/s ，其旋翼转速为

图2 加装机械稳定装置的M22

891RPM。可见，桨尖速度远小于直九直升机，而旋翼转速却远大于直九。因此，对于小型直升机基本不存在由于桨尖速度小导致旋翼动能储备问题。

由于小型直升机一般飞行速度较低，不超过150㎏/h，飞行速度对于桨尖速度的要求也相对较小。对于中型和大型直升机，为了减小传动系统主减的重量，应尽量提高桨尖速度，以减小传动比，减小齿轮的直径。但对于小型直升机，由于旋翼转速相对较高，传动比已相对较小，因此，提高桨尖速度对于减速器重量减小的意义不大。而由于转速提高带来的离心力增大使旋翼及操纵系统的旋转部件尺寸有所增加，因为离心力与转速的平方成正比。综合上述考虑M22小型无人直升机的桨尖速度定为140m/s。

1.3直升机总重及发动机选取

M22小型直升机的有效载荷定位在10公斤，燃油6公斤，即保证带10公斤载荷可飞行1小时以上。对采用活塞式发动机的直升机，一般重量效率在0.3[1]。根据经验将直升机总重定在50公斤。

M22直升机选用2台日产小松发动机，该发动机为活塞式发动机，输出功率6.5马力，该发动机一般用于大型固定翼航空模型和飞艇。这样，采用2台发动机后的最大输出功率为13马力。采用2台发动机是考虑了当一台发动机出现故障后，另一台发动机可维持直升机安全降落，从而提高直升机的可靠性。目前，可选购的用于小型直升机的专用发动机较少。采用小松发动机还需要增设冷却系统和启动装置。

二、气动布局

共轴式直升机的旋翼，既是升力面又是操纵面和推进器。由于不需尾桨，这种直升机可以不用尾翼，直接由旋翼产生操纵力，使直升机进行升降、前后、左右运动，以及绕三个轴的转动。M22小型直升机采用了轴对称机身，不设尾翼。充分发挥了共轴式直升机的特点，同时，最大限度的减小了机身体积。由于采用轴对称机身，机体重心均集中在旋翼轴位置，油箱也布置在机体重心处，机身的下部为载荷安装提供了较大的空间，无论是燃油重量和载荷的重量变化，均不影响机体在水平面的重心位置。为载荷安装带来了方便。

通过飞行试验发现，由于不设尾翼，不存在由平尾提供的纵向稳定力矩，既按迎角的静稳定性、按速度的静稳定性及纵向阻尼力矩[2]。也不存在由垂尾产生的航向静稳定力矩和航向阻尼力矩。这给电动舵机增加了负荷。但是，只要舵机力矩足够，仍可使直升机达到稳定的飞行姿态。

为增加M22直升机的稳定性，在上旋翼处设计了机械稳定杆机构，用以增加上旋翼

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