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发表于 2018-12-18 11:36 | 显示全部楼层 |阅读模式
关于旋翼机:一种外形像直升机但不能垂直起降的轻型飞行器

有容乃大

前言
外形与轻型直升机非常相似,但不能垂直起降的轻型运动飞行器:旋翼机(见附图1),因为其旋翼升力和阻力的定量理论分析困难复杂,引起了作者的兴趣。觉得对其产生升力和阻力的机制与结果的探讨,能为直升机平飞(定量理论分析同样困难复杂)能耗分析提供一定借鉴。本文试作些简单定性探讨。(所有附图源自网上)
附图1:旋翼机   旋翼的操控机构(注意两根垂直操控杆,能控制旋翼平面各方向小角度偏转)


升力旋翼的发明和现代直升机出现
在发展飞行器垂直起降能力过程中,发明家针对机翼升力来源于相对空气运动的特点,把机翼与机身主体分开,使之变成具备独立机身自主运动的部件;在机身不动时,驱动机翼相对空气运动就能产生升力。在仿生扑翼无法有效实施情况下,发明制造了采用旋转运动方式的驱动升力旋翼。
  初看升力旋翼就像把驱动螺旋桨叶片半径放大,驱动转轴由水平改为垂直;但只要仔细比较就能看到,两者结构区别巨大:升力旋翼翼片采用的半径及展弦比更大,并且从根部到翼尖都是相同的安装角,不像螺旋桨浆叶安装角从根部到翼尖连续变小。驱动升力旋翼构成了现代直升机的最核心部件,在进一步解决了翼片随转动方位改变迎角的复杂飞行控制机构,以及通过双旋翼(共轴,或不共轴反转)或者尾部小推力旋翼方式解决机身扭矩平衡问题后,现代直升机由此产生了。普通单轴旋翼直升机都不采用尾部推力螺旋桨做水平驱动。而最新的高速直升机采用同轴反转的两层升力旋翼,不需采用尾部小旋翼平衡机身扭矩,增加了尾部水平推进机构,与旋翼机相似(见图2)。
附图2,增加了尾部水平推进机构的某军用高速直升机,注意同轴反转的两层升力旋翼,尾部推力螺旋桨类似旋翼机,与普通直升机的维持机身扭矩平衡的垂直旋转小旋翼完全不同。


无驱动自由转动升力旋翼是旋翼机的特征
似乎是在直升机已经广泛应用之后,一种以无驱动自由转动升力旋翼替代固定翼,采用尾部水平驱动螺旋桨的新机型,也就是本文讨论的旋翼机,才出现在国际轻型运动飞行器市场(见图1)。在外形基本相同的表象之下,和直升机升力旋翼本质不同点:其升力旋翼是无驱动自由旋转的,升力旋翼不存在驱动机构,所以也不存在普通直升机上用以平衡机身因旋翼转动产生的反向扭矩的尾部小旋翼;主驱动机构像固定翼飞机那样被用于驱动尾部水平驱动螺旋桨;不存在解决翼片随转动方位改变迎角的复杂飞行控制机构,取而代之的是相对简单的操控旋翼轴相对于垂线小角度前后左右偏转(旋转平面与水平面相应偏转)的机构。与普通直升机另一最大区别是:带有尾部水平驱动装置,还装有可操控舵面尾翼。

旋翼机与动力滑翔翼的对比
把旋翼机与另一种轻型飞行器动力滑翔翼(见附图3)相比较,发现有诸多相似之处:
  都属于轻型(前后双座)运动飞行器,相对结构简单,尺寸小,造价低,功耗小;
  相对飞行操控简单,起降滑跑距离较短;
  都由座舱后部推力螺旋桨驱动;
  都采用悬挂式,机身座舱靠可活动机构悬挂于旋翼/可收褶固定翼之下;直接靠操控翼面(对于旋翼即其旋转平面)飞行迎角可以实现对飞行水平巡航飞行速度操控,以及对整机上下左右方向操控。
  不同的是,旋翼机单靠操控旋翼旋转平面角度似乎还不能有效操控整机上下左右方向飞行动作,还装有可操控舵面尾翼,结构更复杂些。
附图3, 动力悬挂式滑翔翼 (注意其三角翼面积远大于双座旋翼机旋翼翼片面积)


  比较两者飞行图片,给人印象深刻的是:相似的起飞重量和功率下,旋翼机的翼片面积要远小于动力滑翔翼的三角翼面积。如此小面积自由转动无驱动升力旋翼如何能够提供相应的升力?除了旋翼翼型更理想,展舷比远大于滑翔翼这两点外,关键在于在巡航飞行中,旋翼在随机身以一定速度向前运动的同时,还在以一定角速度围绕转轴旋转,旋翼翼片相对空气速度及其产生的升力和阻力就远大于同面积相同飞行速度的固定翼的结果。
  数年前网上报道:作为军用轻型便携空中机动运载工具,哈飞曾给特种部队制造配备一批动力滑翔翼。后据有关人士透露,动力滑翔翼已被使用方放弃,据说可能更倾向旋翼机。说明旋翼机可能有某些相对优势。但至今并未见有关实施的报导,看来旋翼机也存在某些不适用问题。

无驱动自由转动升力旋翼如何旋转?
既然旋翼机的升力旋翼是自由转动无驱动的,为何能在飞行器被推力螺旋桨推进向前运动时,按升力旋翼产生升力的正向旋转方向旋转起来?关键在于旋转对称分布的旋翼翼片的翼型和安装迎角,使得当旋翼整体随机身相对与旋转轴垂直(或者小偏角接近垂直)某一方向做一定速度运动时,前沿朝前的翼片受到的阻力要小于对称的后沿朝前翼片受到的阻力,使得一对对称翼片所受空气阻力形成的差别,成为推动旋翼正向旋转的力矩,当自由旋转的旋翼达到与整体前进速度对应的一定转速后,才能维持平衡。即,一定的整体运动速度,对应一定的旋翼正向转速;而一定正向转速的旋翼就会产生一定的升力和阻力。
  无动力自由转动升力旋翼在不同旋转平面对飞行方向迎角下随整机运动速度,对应转速,升力和阻力的定量理论计算分析虽然复杂,但实际测量相对简单。应该可能在风洞中进行所设计某尺寸型号升力旋翼在旋转平面与水平各种倾角,各种空速下实现对旋翼整体升力,阻力的测量。有关资料数据将对旋翼机设计使用大有助益。用户在实际产品上以现代测量手段,也能获得各种倾角,各种空速下旋翼机整机驱动功率数据。

网上所公布的旋翼机的主要技术数据缺乏
如果有旋翼机的主要技术数据:总起飞重量,各可能的巡航速度,对应的驱动巡航功率等。就可以按上篇所述公式计算出其各种巡航速度(旋转平面与水平倾斜角度)对应的整机升阻比。能分析其最佳水平飞行速度(及对应的旋转平面与水平角度)。并能与各种现有固定翼飞机以及直升机水平飞行的升阻比作出定量比较。可惜作者在网上一直没找到旋翼机相关数据。旋翼平面前倾,水平,后倾时,旋翼机水平巡航速度和功率变化规律如何?在此,作者希望有实际飞行旋翼机或知晓的读者们,能在评论中提供相关实际数据给与指教。

旋翼机能做无驱动滑翔飞行吗?
虽未见相关报导,作者以为:当前轻型旋翼机只要旋翼机升阻比能达到10左右或以上,在巡航速度水平运动中,如突然停止驱动,是可以靠惯性和重力,维持以略小于巡航速度的速度,按升阻比所确定的下倾角作直线匀速滑翔的。这也是直升机在一定高度水平巡航飞行中发生发动机故障后,依靠放空档旋翼作滑翔拍降的原理。

直升机水平巡航飞行功率和悬停功率哪个更大?
在知道直升机悬停功率后,我们也关注其做水平巡航飞行的功率。原来直观想象:在以巡航速度作水平方向匀速直线飞行中,发动机既要靠驱动升力旋翼产生升力来平衡重力,又要靠驱动旋翼产生水平方向推进力来平衡飞行阻力,那末总驱动功率应该比悬停功率(只需要驱动升力旋翼平衡重力)要大些。所以,当从网上读到科罗廖夫一篇描述直升机悬停救灾文中强调:“直升机悬停功率要大于其巡航飞行功率“后,一时感到费解。
  现在通过旋翼机在水平飞行中,旋翼受水平飞行阻力推动能产生正向转动并产生升力机制的分析,回过来分析直升机水平飞行,就可以理解:在以合适足够速度做水平巡航飞行时,直升机升力旋翼的驱动力矩,就不需要在静止空气中作悬停时那末大。因而驱动功率会小于悬停功率。其最低速和最高速的水平飞行功率,都会大于最佳水平巡航速度对应的功率。
  所以直升机在各种飞行动作中所需功率大小排列(从大到小)可能大约是:垂直匀速上升,空中悬停,水平低速,垂直匀速下降,水平最佳巡航速度,… 直到零功率 空档旋翼滑翔拍降。具体功率定量比例,还有待进一步探讨。
  作者希望有实际飞行直升机或知晓直升机功率变化规律的读者,能在评论中提供相关实际数据给与指教。
  以上讨论作为抛砖引玉,希望得到各位指正! (完)
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