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直升机原理详解

时间:2011-04-05 10:12来源:蓝天飞行翻译 作者:航空 点击:


 
第一个采用无铰桨叶的 Bo-105 / Bo-105 的无铰桨叶,用弹性元件代替了挥舞铰和摆振铰,但变距铰依然保留
 
EC-135 更进一步,甚至取消了使桨叶改变桨距的变距铰,也用弹性元件代替了 / EC-135 的先进技术桨叶(Advanced Technology Rotor,简称ATR,属hingeless bearingless),采用弹性元件代替所有机械铰链,避免机械磨损,减轻重量,改善飞行平稳性
 
  单桨直升机的起飞重量终归有限,要增大起飞重量,就要增加旋翼直径,增加旋翼转速,增加桨叶数目,加强传动轴,这些都增加了旋翼系统的机械复杂性和重量。旋翼直径和转速受到翼尖速度不能超过音速的限制,否则音障带来的阻力和振动将不可忍受,更大的旋翼直径也迫使尾撑长度增加,增加结构重量。较大的旋翼也对狭小场地的起落造成不便。大幅度提高起飞重量最有效的途径,还是采用两个甚至更多的旋翼,分担负担。除了一些设想中的四旋翼方案,三旋翼没有见到过,还是双旋翼最常见。既然采用两个旋翼,如果旋转方向相反,一个顺时针旋转,一个逆时针旋转,就自然抵消相互的反扭力。反转的双旋翼不需要特别考虑尾桨和尾撑的结构,也没有尾桨吃掉对推进和升力没有作用的功率的问题,可以把所有功率都用于升力和推进,这是双旋翼额外的优点。双旋翼(也称双桨)有多种方案,可以前后串列,可以左右并列,可以上下共轴,还可以上下不共轴。串列双桨的典型有美国的 CH-46、CH-47;并列双桨的典型有俄罗斯的米-12,直升机状态的美国
V-22

也可以算作并列双桨;共轴双桨(co-axial 或 contra-rotating)的典型当然非俄罗斯的 K-25、K-31 等卡莫夫直升机莫属;异轴双桨(更准确地说,是交替双桨,也称交叉双桨,intermeshing)的只有美国卡曼的 H-34 Husky 和 K-Max 等少数例子。
 
串列和并列双桨布局示意图
 
串列双桨的 CH-47 / 并列双桨的米-12

共轴双桨示意图 / 共轴双桨的卡-31

交替双桨示意图 / 交替双桨的 K-Max
  串列双桨对于最大限度地利用机身长度有利,CH-46、CH-47 机舱长但并不累赘,总长并不为此增加多少,而单桨的米-6 就“横阔竖大”了。串列双桨中离发动机较远的那副旋翼(一般是前旋翼)的功率要求比驱动尾桨高得多,为了保证前后旋翼的同步,串列双桨需要长长的沉重的同步传动轴,而不能简单地由前发动机驱动前旋翼,后发动机驱动后旋翼。串列双桨的前后旋翼一般上下错开一点,这样可以容许前后旋翼之间在高度上有一定的重合,缩短全机长度。上下的高度差太少了,不能保证安全,尤其是大幅度机动动作时,上下桨叶可能发生碰撞。高度差太大了,支撑后旋翼的“柱子”太过高大,阻力巨大。
  并列双桨通常是安装在机翼翼尖的,翼展由旋翼半径决定,没有办法靠上下重合而缩短翼展,在气动上难于优化。左右旋翼之间要设交叉的同步轴,以保证左右两副旋翼永远同步。还有一个问题是,左右旋翼都在机身中段附近,仅靠周期距,俯仰控制力矩不足。但这都不是最大的问题,最大的问题是横滚稳定性,两侧旋翼升力不均匀时,飞机会发生横滚,如果在急速下降过程中,飞机不幸进入自己的下洗气流,旋翼效率急剧降低,旋翼越用力,越使不上劲,好像汽车轮子打滑一样,加剧横滚的不稳定倾向,飞机在几秒钟内就可以倾覆失控,V-22 的几次坠毁就是这样造成的。强烈的不对称气流扰动也可以造成这个现象。发动机安装在机身还好说,要是发动机安装的机翼翼尖,离重心很远,进一步加强了横滚不稳定的倾向。
  共轴双桨用套筒轴驱动上下两副反转的旋翼,同样有串列双桨的上下旋翼之间的间距问题,间距小了,上下旋翼有可能打架;间距大了,不光阻力高,对驱动轴的刚度要求也高,而大功率的套筒轴本来在机械上就难度很大。套筒轴不光要传递功率,还要传递上面旋翼的总距、周期距控制,在机械设计上有相当的难度。由于非对称升力的缘故,反向旋转的上下旋翼的旋转平面有在一侧“交会”的倾向,这进一步增加了对上下旋翼之间间距的要求,并且带来向交会一侧转弯必须比向另一侧转弯轻缓的要求。上旋翼处在“干净”空气中,下旋翼处在上旋翼的下洗气流中,这样,上下旋翼之间有相当的气动耦合,增加了气动设计的难度。由于共轴双桨没有尾桨,短短的尾撑用于支持垂直安定面,后者在前飞中提供像固定翼飞机一样的气动控制,减小周期距控制的负担。由于共轴双桨的机身短,受侧风影响较小。共轴双桨的振动也由于两副反转的旋翼而较好地对消了,平稳性和悬停性好。共轴双桨在同等升力下,旋翼直径可以较小,直升机总尺寸较紧凑,“占地面积”较小,特别适合海军上舰的需要。

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