倾转旋翼飞行器

倾转旋翼飞行器的论证与研究

1倾转旋翼飞行器概述

１.１历史沿革；

倾转旋翼飞行器是一种介于固定翼飞机与普通直升机之间的一种新型飞行器。是由直升机发展而来,是为解决直升机速度较慢问题而衍生出的一种新型结构飞行器,是未来直升机发展的必然趋势。

1.2典型应用;

倾转旋翼机能完成直升机所能完成的一切任务,由于其速度快、航程远、有效载荷较大等优点，因此它特别适合执行兵员／装备突击运输、战斗搜索和救援、特种作战、后勤支援、医疗后撤、反潜等方面的任务。

除此之外,在民用运输方面，由于常规直升机经济性差、速度较小、振动大，因而作为一种运输工具受到了很大限制。而倾转旋翼机的飞行速度与支线客机相近，可在没有机场的任何地区执行运输任务，特别适用于经济不发达地区的开发和建设，可以局部替代支线客机成为现代化空中运输网的一个重要组成部分,在商业上具有极高的价值，它不仅解决部分空港和跑道拥挤问题及边远地区的运输问题，而且其运输成本要比常规直升机和固定翼飞机低得多。

1.３倾转旋翼机定义;

倾转旋翼飞行器是在机翼两端各安装一可变向的旋翼推进装置,整个推进装置可以绕机翼轴由朝上与朝前之间转动变向,并能固定在所需方向，因此能产生向上的升力或向前的推力。倾转旋翼飞行器兼顾了固定翼飞机和直升机的优点，可以如普通直升机一样垂直起降和在空中悬停，又可以像固定翼飞机一样以较高的速度进行巡航飞行。当旋翼飞行器推进装置垂直向上时，旋翼轴垂直于地面,呈横列式直升机飞行状态，并可在空中悬停、前后飞行和侧飞；需要平飞时,其操作系统可改变旋翼上升力的大小和旋翼升力的倾转方向，以使飞机保持或改变飞行状态。在起飞之后,推进装置可转90度到水平位置，呈水平状态,旋翼当作拉力螺旋桨使用,像固定翼飞机一样依靠机翼产生升力飞行倾转旋翼机是一种性能独特的旋翼飞行器。它既具有普通直升机垂直起降和空中悬停的能力，又具有涡轮螺旋桨飞机的高速巡航飞行的能力。

因为倾转旋翼飞机具有技术复杂，研制周期长,耗资巨大等特点。目前大多

数国家对其的研究还只停留于理论阶段。目前只有美军的v-22“鱼鹰”正式投入了使用，所以本文以v-2２“鱼鹰”为例对倾转旋翼机进行论证和研究。

2倾转旋翼飞行器模型结构

2.1倾转旋翼飞行器结构

倾转旋翼飞行器由机身、发动机舱、旋翼、可变向旋翼推进装置、尾翼、机翼和起落架几部分组成。其中,旋翼、可变向旋翼推进装置和机翼显示了倾转旋翼飞行器的结构特点。

2.1.1旋翼部分

旋翼是一个单独的系统,也是倾转旋翼飞行器最重要的组成部分,它肩负着飞行器飞行时所需的推进、负重和操控3种功能。旋翼是飞行器的关键部件,其作用主要由以下几点：

1.产生向上的拉力克服重力,类似于固定翼飞机机翼的作用。

２.产生向前的水平分力使飞行器前进，类似于固定翼飞机的发动机。

3．产生其他分力及力矩使飞行器保持平衡或做机动飞行,类似于操纵面的作用。

2.1.2机翼部分

机翼于倾转旋翼飞行器中的功能主要是保证动力装置与机身的连接和在飞行器有水平向前的速度分量时为飞行器提供部分升力。为保证飞行器平衡,两个推进装置会对飞行器产生相反的扭矩，所以要求机翼拥有较大的强度。

2.1.3可变向旋翼推进装置

可变向旋翼推进装置是区别旋翼飞行器与直升机的关键所在。直升机的操纵大多采用自动倾转器使桨叶的浆距角作周期性变化,从而改变气动合力方向。如悬停是旋转的旋翼产生的力是垂直向上的力,此时直升机并不会向前移动。当需要向前移动时，旋翼向机体纵轴方向略微倾转，同时机身低头,即产生了一个向前的力,是直升机向前飞行。

2.1.4尾翼部分

尾翼包括水平尾翼和垂直尾翼。水平尾翼由固定的水平安定面和可动的升降舵组成。垂直尾翼包括固定的垂直安定面和可动的方向舵。尾翼的作用是操纵飞机俯仰和偏转,保证飞机平稳飞行。

2.2机体运动模型

机体的六自由度动力学方程建立在机体轴系上,如图所示，体轴系原点位于机体的质心,轴X沿机体纵轴指向前方，轴Z垂直轴X向下,轴Y与轴X和轴Z 构成右手系。

2.2．1运动模型

在建立动力学方程前，对机体作如下假设：

（1）采用刚体动力学模型，且假定重量恒定。

（2）惯性参考系建立在地面上。

（３)忽略地球曲率，即地球看成平面。

(4）仿真中飞行高度变化范围不大,假定重力加速度和空气密度不随高度变

化。

(5）机体坐标系XOZ平面为飞行器的对称平面，惯性积Ixｚ和Izy等于０。

基于上述假设,在机体轴系下所建立倾转旋翼机的运动方程为：

在过渡飞行状态时，随着旋翼倾转角βM的改变Ｉz、Ｉｘ、ﻩIz、Iyx也会变化。利用下列各式得到Iz、Iｘ、Ｉz、Iyx在不同的旋翼倾转角Mβ时的值。

式中m是全机质量，g是重力加速度,IxIｙIｚ是机体质量对机体坐标系各轴的惯性矩，Izx是惯性积; FxFyFｚ分别为飞行器的空气动力的三分量， MxM ｙNz分别滚转、俯仰和偏航合力矩；ｗvu为质心运动速度在体轴系 XYＺ轴上的投影,pｑr是机体角速度在体轴系上的投影，分别称为滚转角速度、俯仰角速度和偏航角速度；θφψ为相对地面坐标系的姿态欧拉角,分别是俯仰角、滚转角

和偏航角；xyz分别是相对地面坐标系的水平位置和高度

2.2.2气动力模型

倾转旋翼机兼具了固定翼飞机和直升机双重飞行模式,具有旋翼和机翼两种升力来源。旋翼与机翼之间存在着严重的气动干扰,因此倾转旋翼机的空气动力学模型较传统的固定翼飞机的空气动力学模型和直升机空气动力学模型复杂。本节分别介绍旋翼气动力模型和机身空气动力模型。

2．2.2.1旋翼气动力模型

旋翼空气动力模型是倾转旋翼机空气动力模型中的关键部分。旋翼既是倾转旋翼机的升力面，也是倾转旋翼机的推进器和操纵面，具有一系列复杂的空气动力特性。旋翼气动力建模包括了二元翼型的气动力模型、旋翼诱导速度模型和旋翼桨叶的挥舞运动模型。三者相互作用、相互影响,存在着闭环的逻辑关系,

2.2．2.2机体气动力模型

机体部件由机身、机翼、水平尾翼、垂直尾翼和倾转倾转舱五个子部件组成，机体空气动力由这五个子部件的空气动力合成。本文把倾转舱部件的气动力计算加入到机翼部件气动力计算中去。

机翼空气动力模型是所有组件中最复杂的,在低速飞行时,旋翼对机翼的干扰计算十分复杂。本文在建立机翼空气动力模型时,假设机翼为刚性,无弹性变形，机身对机翼的干扰效应包括在气动力系数中。机翼气动力和力矩在风轴系中计算得到，力和力矩的作用点在机翼气动中心。在低速非对称飞行时,由于左右旋翼尾涡的不同,对左右机翼的影响也不同，左右机翼所受到力的不对称，将要