第六章 旋翼无人机空气动力学一
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无人机空气动力学与飞行 原理
第六章 旋翼无人机空气动力学
6.1 旋翼无人机的气动结构的组成和旋翼结构 6.2 旋翼的工作原理 6.3 多旋翼空气动力学分析
旋翼无人机的气动结构的组成和旋 翼结构
旋翼无人机气动结构组成
旋翼无人机的气动结构的组成和旋 翼结构
1.旋翼系统
旋翼无人机是利用旋翼转动产生升力的飞行器。旋翼 由桨毂和数片桨叶构成。桨毂安装在旋翼轴上，一副 旋翼最少有两片桨叶，最多可达8片。桨叶旋转时与 周围空气相互作用，产生沿旋翼轴向上的拉力(升力)。 如果相对气流的方向或各片桨叶的桨距不对称于旋翼 轴，还产生垂直于旋翼轴的分力。因此旋翼具有产生 升力的功能，以及具有类似于旋翼无人机推进装置的 功能，产生向前的力；同时还具有类似于固定翼无人 机操纵面的功能，产生改变机体姿态的俯仰力矩或滚 转力矩。
• 由于陀螺进动效应的存在，最大桨叶角位置相对于需要的最高挥舞位置必须提前90°，最小桨叶角相对 于需要的最低挥舞位置也必须提前90°。
旋翼的工作原理
桨叶的摆振运动
旋翼桨叶作挥舞运动时，桨叶重心距旋转轴的距离不断变化，由理论力学知 道，旋转着的质量对旋转轴有相对运动时会受到哥氏力的作用。挥舞运动引 起的哥氏力是周期交变力，而且一阶挥舞运动会引起二阶的哥氏力。根据实 际例子的计算，发现一片桨叶的哥氏力的最大幅值竟高达桨叶自重的七倍以 上，会在旋转平面内造成很大的交变弯矩，对桨叶结构寿命非常不利。另外， 桨叶在旋转平面内的空气动力阻力也造成根部弯矩，前飞时气动阻力同样随 方位 角变化，不过它所造成的弯矩交变部分比哥氏力的交变弯矩小得多。 通常旋翼无人机桨毂上安装有垂直铰这种垂直铰称为摆振铰，桨叶可以绕摆 振铰作水平面内的前后运动，从而避免因摆振运动所造成的桨叶根部疲劳断 裂。
旋翼无人机的气动结构的组成和旋 翼结构
4.起落装置
旋翼机起落装置的主要作用是吸收在着陆时由于有 垂直速度而带来的能量，减少着陆时撞击引起的过载， 以及保证在整个使用过程中不发生“地面共振”。此 外，起落装置往往还用 来使旋翼机具有在地面运动 的能力，减少滑行时由于地面不平而产生的撞击与颠 簸。
在陆地上使用的旋翼机起落装置有轮式起落架 和滑橇式起落架。
旋翼无人机的气动结构的组成和旋 翼结构
无轴承式
无轴承旋翼就是取消了挥舞铰、 摆振铰和变距铰的旋翼，桨叶的 挥舞、摆振和变距运动都以桨叶 根部的柔性元件来完成。
旋翼无人机的气动结构的组成和旋 翼结构
空气螺旋桨式
旋翼无人机使用的空气螺旋桨大多是定距式的，桨叶总距保持 固定不变，通过调节转速来改变升力。
旋翼无人机旋翼系统的基本结构
桨毂 旋翼形式是由桨毂形式决定的。它随着材料、工艺和 旋翼理论的发展而发展。到目前为止，已在实践中应 用的旋翼形式有铰接式、跷跷板式、无铰式和无轴承 式。
旋翼无人机的气动结构的组成和旋 翼结构
铰接式
铰接式（又称全铰接式）旋 翼桨毂是通过桨毂上设置挥舞铰、 摆振铰和变距铰来实现桨叶的挥 舞、摆振和变距运动。典型的铰 接式桨毂铰的布置顺序（ 从里向 外）是由挥舞铰、摆振铰到变距 铰，如图所示。
• 180°～270°，桨叶角逐渐减小至最小值，桨叶开始向下挥舞，而且向下挥舞的速率也越于来越大，当 到达90°时，桨叶的挥舞速率最大。
• 270°～0°，桨叶角从最小值逐渐恢复到基准值，此时桨叶角仍小于基准值，桨叶继续向下挥舞，当到 达0°点时，桨叶角变为基准值，桨叶停止向下挥舞，继续下一个循环。
旋翼无人机的气动结构的组成和旋 翼结构
2.机体结构
机体结构的主要功能是将旋翼无人机的其他部件（旋 翼、尾桨、起落装置等）连接成一个整体。 结构形式——桁架式、硬壳式
旋翼无人机的气动结构的组成和旋 翼结构
3.尾桨
尾桨是用来平衡反扭矩和对直升机进行航向操纵的部 件。旋转着的尾桨相当于一个垂直安定面，能对直升 机航向起稳定作用。尾桨的结构形式有跷跷板式、万 向接头式、铰接式、无轴承式、“涵道尾桨” 式等等。
旋翼无人机的气动结构的组成和旋 翼结构
半铰接式
半铰接式分为万向接头式和跷跷板式 优点:桨毂结构简单，没有“地面共振现象” 缺点：操纵功效和角速度阻尼比较小，稳定性较差 用途：起小型直升机
旋翼无人机的气动结构的组成和旋 翼结构
无铰式
无铰式旋翼桨毂无挥舞铰和摆振 铰，至保留变距铰，桨叶的挥舞、 摆振运动通过桨根的弹性形变来 实现。
旋翼无人机的气动结构的组成和旋 翼结构
旋翼无人机旋翼系统的基本结构
旋翼系统由桨叶和桨毂组成。 桨叶 旋翼系统中，桨叶是提供升力的重要部件，对桨叶设 计除去气动力方面的要求之外，还有动力学和疲劳方 面的要求。旋翼桨叶的发展是建立在材料、工艺和旋 翼理论基础上的。
旋翼无人机的气动结构的组成和旋 翼结构
旋翼的工作原理
桨叶的挥舞运动
旋翼的工作原理
桨叶的挥舞运动
旋翼的工作原理
桨叶的挥舞运动
• 在 0°，桨叶角是基准值，桨叶不 挥舞。
• 0°—90°，桨叶角逐渐增大至最 大值，桨叶开始向上挥舞且向上 挥舞的速率也越来越大，当到达 90°时，桨叶的挥舞速率最大。
• 90°～180°，桨叶角从最大值逐渐恢复到基准值，此时，由于桨叶角大于基准值，桨叶继续向上挥舞， 当桨叶角变成基准值时（180°），桨叶停止向上挥舞。
旋翼无人机的气动结构的组成和旋 翼结构
桨叶材料
1.金属材料 20世纪50-60年代，铝合金 2.复合材料 20世纪70年代后，复合材料无人机飞行的基本因素，操纵旋翼机改变飞行 状态是靠改变旋翼拉力的大小和方向来实现的。因此，研究旋翼 机飞行必须首先研究旋翼拉力的产生及其变化规律。
旋翼无人机的气动结构的组成和旋 翼结构
5.动力装置 动力装置主要作用是驱动旋翼系统旋转，产 生向上的升力和向前的推力，保证旋翼无人机 升空飞行、为旋翼无人机上的其他用电设备提 供电源等。 旋翼无人机动力装置——无刷直流电动机、 航空活塞式发动机和涡轮轴发动机。除了发动 机本身，动力装置还包括一系列保证发动机正 常工作的系统。
第六章 旋翼无人机空气动力学
6.1 旋翼无人机的气动结构的组成和旋翼结构 6.2 旋翼的工作原理 6.3 多旋翼空气动力学分析
旋翼无人机的气动结构的组成和旋 翼结构
旋翼无人机气动结构组成
旋翼无人机的气动结构的组成和旋 翼结构
1.旋翼系统
旋翼无人机是利用旋翼转动产生升力的飞行器。旋翼 由桨毂和数片桨叶构成。桨毂安装在旋翼轴上，一副 旋翼最少有两片桨叶，最多可达8片。桨叶旋转时与 周围空气相互作用，产生沿旋翼轴向上的拉力(升力)。 如果相对气流的方向或各片桨叶的桨距不对称于旋翼 轴，还产生垂直于旋翼轴的分力。因此旋翼具有产生 升力的功能，以及具有类似于旋翼无人机推进装置的 功能，产生向前的力；同时还具有类似于固定翼无人 机操纵面的功能，产生改变机体姿态的俯仰力矩或滚 转力矩。
• 由于陀螺进动效应的存在，最大桨叶角位置相对于需要的最高挥舞位置必须提前90°，最小桨叶角相对 于需要的最低挥舞位置也必须提前90°。
旋翼的工作原理
桨叶的摆振运动
旋翼桨叶作挥舞运动时，桨叶重心距旋转轴的距离不断变化，由理论力学知 道，旋转着的质量对旋转轴有相对运动时会受到哥氏力的作用。挥舞运动引 起的哥氏力是周期交变力，而且一阶挥舞运动会引起二阶的哥氏力。根据实 际例子的计算，发现一片桨叶的哥氏力的最大幅值竟高达桨叶自重的七倍以 上，会在旋转平面内造成很大的交变弯矩，对桨叶结构寿命非常不利。另外， 桨叶在旋转平面内的空气动力阻力也造成根部弯矩，前飞时气动阻力同样随 方位 角变化，不过它所造成的弯矩交变部分比哥氏力的交变弯矩小得多。 通常旋翼无人机桨毂上安装有垂直铰这种垂直铰称为摆振铰，桨叶可以绕摆 振铰作水平面内的前后运动，从而避免因摆振运动所造成的桨叶根部疲劳断 裂。
旋翼无人机的气动结构的组成和旋 翼结构
4.起落装置
旋翼机起落装置的主要作用是吸收在着陆时由于有 垂直速度而带来的能量，减少着陆时撞击引起的过载， 以及保证在整个使用过程中不发生“地面共振”。此 外，起落装置往往还用 来使旋翼机具有在地面运动 的能力，减少滑行时由于地面不平而产生的撞击与颠 簸。
在陆地上使用的旋翼机起落装置有轮式起落架 和滑橇式起落架。
旋翼无人机的气动结构的组成和旋 翼结构
无轴承式
无轴承旋翼就是取消了挥舞铰、 摆振铰和变距铰的旋翼，桨叶的 挥舞、摆振和变距运动都以桨叶 根部的柔性元件来完成。
旋翼无人机的气动结构的组成和旋 翼结构
空气螺旋桨式
旋翼无人机使用的空气螺旋桨大多是定距式的，桨叶总距保持 固定不变，通过调节转速来改变升力。
旋翼无人机旋翼系统的基本结构
桨毂 旋翼形式是由桨毂形式决定的。它随着材料、工艺和 旋翼理论的发展而发展。到目前为止，已在实践中应 用的旋翼形式有铰接式、跷跷板式、无铰式和无轴承 式。
旋翼无人机的气动结构的组成和旋 翼结构
铰接式
铰接式（又称全铰接式）旋 翼桨毂是通过桨毂上设置挥舞铰、 摆振铰和变距铰来实现桨叶的挥 舞、摆振和变距运动。典型的铰 接式桨毂铰的布置顺序（ 从里向 外）是由挥舞铰、摆振铰到变距 铰，如图所示。
• 180°～270°，桨叶角逐渐减小至最小值，桨叶开始向下挥舞，而且向下挥舞的速率也越于来越大，当 到达90°时，桨叶的挥舞速率最大。
• 270°～0°，桨叶角从最小值逐渐恢复到基准值，此时桨叶角仍小于基准值，桨叶继续向下挥舞，当到 达0°点时，桨叶角变为基准值，桨叶停止向下挥舞，继续下一个循环。
旋翼无人机的气动结构的组成和旋 翼结构
2.机体结构
机体结构的主要功能是将旋翼无人机的其他部件（旋 翼、尾桨、起落装置等）连接成一个整体。 结构形式——桁架式、硬壳式
旋翼无人机的气动结构的组成和旋 翼结构
3.尾桨
尾桨是用来平衡反扭矩和对直升机进行航向操纵的部 件。旋转着的尾桨相当于一个垂直安定面，能对直升 机航向起稳定作用。尾桨的结构形式有跷跷板式、万 向接头式、铰接式、无轴承式、“涵道尾桨” 式等等。
旋翼无人机的气动结构的组成和旋 翼结构
半铰接式
半铰接式分为万向接头式和跷跷板式 优点:桨毂结构简单，没有“地面共振现象” 缺点：操纵功效和角速度阻尼比较小，稳定性较差 用途：起小型直升机
旋翼无人机的气动结构的组成和旋 翼结构
无铰式
无铰式旋翼桨毂无挥舞铰和摆振 铰，至保留变距铰，桨叶的挥舞、 摆振运动通过桨根的弹性形变来 实现。
旋翼无人机的气动结构的组成和旋 翼结构
旋翼无人机旋翼系统的基本结构
旋翼系统由桨叶和桨毂组成。 桨叶 旋翼系统中，桨叶是提供升力的重要部件，对桨叶设 计除去气动力方面的要求之外，还有动力学和疲劳方 面的要求。旋翼桨叶的发展是建立在材料、工艺和旋 翼理论基础上的。
旋翼无人机的气动结构的组成和旋 翼结构
旋翼的工作原理
桨叶的挥舞运动
旋翼的工作原理
桨叶的挥舞运动
旋翼的工作原理
桨叶的挥舞运动
• 在 0°，桨叶角是基准值，桨叶不 挥舞。
• 0°—90°，桨叶角逐渐增大至最 大值，桨叶开始向上挥舞且向上 挥舞的速率也越来越大，当到达 90°时，桨叶的挥舞速率最大。
• 90°～180°，桨叶角从最大值逐渐恢复到基准值，此时，由于桨叶角大于基准值，桨叶继续向上挥舞， 当桨叶角变成基准值时（180°），桨叶停止向上挥舞。
旋翼无人机的气动结构的组成和旋 翼结构
桨叶材料
1.金属材料 20世纪50-60年代，铝合金 2.复合材料 20世纪70年代后，复合材料无人机飞行的基本因素，操纵旋翼机改变飞行 状态是靠改变旋翼拉力的大小和方向来实现的。因此，研究旋翼 机飞行必须首先研究旋翼拉力的产生及其变化规律。
旋翼无人机的气动结构的组成和旋 翼结构
5.动力装置 动力装置主要作用是驱动旋翼系统旋转，产 生向上的升力和向前的推力，保证旋翼无人机 升空飞行、为旋翼无人机上的其他用电设备提 供电源等。 旋翼无人机动力装置——无刷直流电动机、 航空活塞式发动机和涡轮轴发动机。除了发动 机本身，动力装置还包括一系列保证发动机正 常工作的系统。