旋翼机总体设计的几个问题

旋翼机总体设计的几个问题

摘要：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难题。

旋翼机的旋翼依靠前方来流吹动始终处于自转状态，因而一旦发动机空中停车，可以直接依靠旋翼自转着陆，而直升机旋翼还需要一个转入自转的过程，所以旋翼机没有直升机的低速回避区，安全性更好。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，使得它可以跳跃式或超短距起飞（起飞距离0～30m）；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。因而近十几年来，旋翼机再次成为航空领域关注的热点。

一、总体参数、布局及飞行性能

1. 参数确定

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，若需要跳飞，预转旋翼桨尖速度要增大至1.5倍左右。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，则最小飞行速度减小，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°较理想。旋翼轴后倒角一般取-3°～- 12°，取偏小值性能略有改善，但是对跳飞不利。中心铰旋翼要有预锥角，一般约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. 布局与部件

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，例如Cartercopter旋翼机。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。

二、纵向稳定性

旋翼机的纵向稳定性问题，尤其是飞行员诱发振荡(PIO， Pilot Induced Oscillation)问题和推力过大（PPO, Power Push Over）问题是飞行员最关注的问题。PPO问题实质上是指遭遇突风，旋翼机的旋翼升力突然被卸载，旋翼机的螺旋桨推力仍然保持，造成的低头力矩相对过大，旋翼机发生前翻的严重飞行事故。旋翼机纵向稳定性和螺旋桨推力线（本文主要研究推进式布局螺旋桨）与重心相对位置有重要关系。旋翼机稳定与否，取决于螺旋桨推力线的高度。旋翼机的纵向运动可用五个参数描述：空速、机身迎角、俯仰角度、俯仰角速度和旋翼转速，其中最重要的是迎角。旋翼机的纵向俯仰运动取决于螺旋桨推力、平尾力（升力和阻力）、机身阻力和旋翼拉力（升力和阻力）。假如先不考虑平尾气动力，在两种重心设计状态下旋翼机要保持平衡，旋翼拉力力矩必须要和螺旋桨推力力矩组成相反力矩，如图1所示（高、低重心是相对螺旋桨推力线位置而言）。在图1-a中, 螺旋桨推力矩是低头力矩，则旋翼拉力矩是抬头力矩。当遇到外界干扰，如突风，旋翼机迎角增加，桨盘迎角也随之增加，则旋翼拉力增加，前行桨叶升力增加多些，后行桨叶升力增加的少些，这样增加了桨叶的周期吹风挥舞，使桨尖平面后倒，如图1-a所示，T1 变成T2，力和力臂都有所增加，产生附加力矩，增加的力矩是抬头力矩，又增加了旋翼机迎角。反之，当外界干扰使迎角减小，抬头力矩减小又加速了迎角减小。所以这种重心布置，是俯仰静不稳定的，需要加装平尾。在图1-b中, 螺旋桨推力矩是抬头力矩，则旋翼拉力矩是低头力矩。如遇阵风，旋翼机迎角增加，桨盘迎角也随之增加，则旋翼拉力增加，如图1-b所示，T1 变成T2，力有所增加，但力臂减小了，相比较还是力的增加是主要的，所以产生附加力矩，增加的力矩是低头力矩，减小了旋翼机迎角，故这种布局，是俯仰静稳定的。

综上可知：

无平尾低重心旋翼机纵向静不稳定，在PPO问题上是极其危险的，有风和高速状态下不能飞，这种布局不可取；带平尾低重心旋翼机（目前大多轻小型旋翼机的类型）布局要求平尾面积足够大，翼型气动效能好，最好是处在螺旋桨的滑流