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[心得交流] 旋翼机某实例技术数据的若干估算

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发表于 2019-1-26 02:36 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 有容乃大 于 2019-1-26 02:39 编辑

旋翼机某实例技术数据的若干估算
有容乃大


前言
  前一篇关于旋翼机文中,曾求助有知读者在评论中提供实例技术数据,以加深人们对这种特别机型的了解。可惜网上发表一个多月后,虽在中国滑翔网上有数百阅读量,除有提供自制旋翼机飞行视频外,对于具体技术数据一无所获。年初在环球网上偶然发现有关“旋翼机参军”的图片和简要文字说明,其中居然有除功率外的几项重要技术数据,十分难得。遂根据所附图片估计大概尺寸,加上所提供数据,对该旋翼机技术数据做了假设条件下若干估算,得知无驱动升力旋翼平飞中升阻比的大致水平。特发此文,将结果与有兴趣读者分享。

环球网2019/01/17 某报导摘要及附图
  近日央视军事报道节目中,播出了西部战区第76集团军参加实战化训练的的画面(图1),该集团军所属的特种作战旅搭乘国产旋翼机从“敌军”阵地上空飞掠而过。这种飞行器结构简单、飞行灵巧,可以搭载2-3名士兵展开隐蔽快速突击行动。网络上的一张照片中(图2),这款“空中三蹦子”的底盘下方赫然挂着两枚空对地导弹。据悉,这款特种旋翼机最大起飞重量560公斤,最大飞行速度为每小时185公里,滞空时间可达5小时,最大航程可到600公里
图1:


图2:

对该型旋翼机尺寸估计   
  根据各照片粗略估计,机身长(包括尾翼)约4米,座舱宽约1.2米, 旋翼(双翼片)直径约7.6米,驱动螺旋桨(4叶)半径约0.9米,总高度(轮底至旋翼中心)约3.2米。机身满员时阻力截面积(包括旋翼吊支撑杆,起落轮)按1.2x1.4椭圆估算 0.6x0.7x3.14=1.32 平米。
假设翼片展舷比约为 25,则可估算每旋翼片面积约:3.8x(7.6/25)=1.155 平米,总旋翼面积2.31平米 。

对该旋翼机旋翼性能的假想估算
        旋翼作主动旋转时维持悬停需要的转速和功率
  设该旋翼为典型较佳翼型和安装迎角,假想能够作主动旋转(并且机身能像直升机那样通过尾部旋翼平衡驱动扭矩),求该旋翼产生升力等于总起飞重量时,在静止空气中需要多大转速,转矩,和理论驱动功率。根据作者以前有关升力旋翼工作原理文中公式,简化设翼片根部半径为0:
  升力 L = 0.5dmCl Sy w^2 R^2/3  
这里空气密度d 1.22千克/立米,翼片数m  2,桨叶面积Sy  1.115平米,翼片半径 R 3.8米,设
  当升力等于总重时,转速角速度 w=(3Wg/(0.5dmCl Sy R^2))^0.5   (弧度/秒)
取典型翼型,迎角6度,展弦比25,对应的升力系数 Cl 0.85
得转速角速度  w=(3x 560x9.81/ (1.22x0.85x1.155x3.8^2))^0.5=30.86 (弧度/秒)
每分转速 n= 30w/pi   (/分)   式中 Pi 为圆周率  n= 30x30.86/3.1416=294.7 (转/分)
引入参数机翼升阻比(某翼型在某迎角及展弦比时,升力系数与总阻力系数比) hy= Cl/(Cdd+Cdi)  典型翼型迎角6度,展弦比25,对应的 hy约46.5。注意机翼升阻比和整机升阻比不同,由于机身尾翼等阻力的存在,整机升阻比远小于机翼升阻比。
  转矩  ND=3WgR/(4hy)    (牛顿.米)
得 ND=3x560x9.81x3.8/(4x46.5)=336.7(牛顿.米)
  悬停功率(理论)  N = (3Wg)^1.5/((0.5dmCl Sy)^0.5x4hy) (瓦)
得N=30.86x336.7=10390.7 (瓦)  即理论悬停功率约10.4(千瓦)。
理论悬停的升力/功率比为:560/10.4=53.8(公斤/千瓦)
仅0.56吨总重量配备了半径3.8米的展弦比达25的旋翼,效率相当高。
        维持升力等于总重时旋翼各局部的速度,以及平均速
  上述转动角速度下,旋翼翼片各局度速度分布是:由轴心部0(米/秒),到端部 3.8x30.86=117(米/秒) 随距轴心距离正比。可以估算翼片各部位平均速度为 58.63(米/秒)。
        旋翼变做固定翼时飞行速度估算
  假设旋翼都变为固定翼(假设把两边翼片都变为前沿朝向飞行方向固定,维持6度迎角),机身不产生升力,估算产生升力等于总起飞重量时的速度:
升力 L = 0.5dmCl Sy V^2     (牛顿)
速度 V=(Wg/(0.5dmCl Sy ))^0.5 (米/秒)
得V=( 560x9.81/(1.22x0.85x1.115))^0.5=68.93 (米/秒) 折合约 248 (公里/小时)。
  为何旋翼作旋转时在平均速度58.63(米/秒)时产生的升力能等于整体平动(假设两边翼片都变为前沿朝向飞行方向固定)68.93(米/秒)时产生的升力?因为升力与速度平方正比,旋转时在翼片各部平均速度58.63(米/秒)情况下,最大速度部分已经达117(米/秒),所以总升力就能与整体平动速度68.93(米/秒)时产生的升力相当。

实际旋翼机整机升阻比和驱动功率估计
  非常遗憾,在所见报道中没有该型旋翼机实际驱动功率数据,所以没法计算该旋翼机实际飞行的整机升阻比。让我们设定若干可能的实际整机整机升阻比,估算对应的可能驱动功率。一旦获得实际驱动功率,则可得知整机的能效水平:
   基本数据:最大起飞重量560公斤,最大飞行速度为每小时185公里,51.4(米/秒)。根据滞空时间5小时,最大航程600公里,估算典型巡航速度为 600/5=120(公里/小时),33.3(米/秒)。
  分别计算最大重量分别在最高航速,典型巡航速度下,假定整机飞行升阻比能达到12,11,10,9,8,7,6  所对应的驱动功率,计算公式: 驱动功率(瓦)= 560(公斤)x9.81x速度(米/秒)/升阻比 。计算结果见表1:
表1:  两种速度下整机升阻比和对应的驱动功率                                             
整机升阻比                    12      11      10         9          8          7          6        
最大速度功率(千瓦)  23.5   25.7     28.2      31.3     35.3      40.3       47      
巡航速度功率(千瓦)  15.2   16.6     18.3      20.3     22.9      26.2      30.5      

注意:实际两速度下升阻比肯定不相同。通过下段分析,可看出巡航速度升阻比肯定高于最大速度升阻比。

实际无驱动旋翼在平飞中旋翼升阻比估计
   无驱动升力旋翼在平飞时被气流驱动旋转后产生的升力和阻力,很难通过理论计算,但可以较简单通过实验测量确定。本例中,因没有功率数据,只能先假定整机升阻比后计算出来。一旦有了总整机升阻比,也就有了整机的升力,阻力数据。因为整机升力基本靠旋翼提供,而阻力则是旋翼阻力与机身座舱阻力之和。我们可以借鉴汽车行进中空气阻力计算公式,在知道机身总阻力截面积和阻力系数(由外形决定),速度后按下式计算机身座舱阻力:
   D=0.5d Sj Cdj V^2   (牛顿)
式中 d空气密度 1.22(千克/立米),Sj机身阻力截面积 (平米),Cdj机身阻力系数 由外形决定,对于现代轿车在0.2--0.25水平。由于本实例座舱开放,没有良好整流罩,暂取0.3。
  可估算出机身座舱阻力在最大速度51.4米/秒,巡航速度33.3米/秒的阻力分别约为:
   0.5x1.22x1.32x0.3x51.4^2=638 (牛顿)和  0.5x1.22x1.32x0.3x33.3^2=268 (牛顿)。
  一旦估算了机身座舱阻力,从整机阻力中减去机身阻力,就可得到无驱动旋翼平飞的阻力数据,进而得到无驱动旋翼的平飞升阻比数据。并且可以对所假定整机升阻比的可能性做出参考判断。  接续表1把估算结果列为表2-1,表2-2(为方便分别估算两种速度情况):   
表2-1: 最高速度(51.4米/秒)下整机升阻比,旋翼升阻比 和对应的驱动功率
升力=560x9.81=5494 (牛顿)      机身阻力  638 (牛顿)                  
整机升阻比                10         9         8             7            6     
整机阻力(牛顿)        549       610       686          785           916   
旋翼阻力(牛顿)      --        --          48          147           278   
旋翼升阻比            --        --          ---          37.4          19.8   
功率(千瓦)         ---       ---         ---           40.3           47     

注:当所假定升阻比计算出整机阻力接近或小于所估算该速度机身阻力,计算旋翼阻力过小或为负值,说明所假定升阻比不可能实现。表中数值标为---。
表2-2: 巡航速度(33.3米/秒)下整机升阻比,旋翼升阻比 和对应的驱动功率
升力=560x9.81=5494 (牛顿)      机身阻力  268 (牛顿)     
整机升阻比      12      11     10         9         8        
整机阻力(牛顿)  457.8    499    549      610       686      
旋翼阻力(牛顿)189.8   231    281      342       418      
旋翼升阻比      28.9    23.7    19.5     16.1       13.1      
功率(千瓦)    15.2    16.6    18.3     20.3       22.9   

  最终估算结果显示:如果认定巡航速度下无驱动旋翼平飞升阻比应该大于最大速度下旋翼升阻比,则更可能的整机巡航升阻比在11-12,巡航旋翼升阻比在24-29;而最大速度整机升阻比在6-6.2,旋翼升阻比在19-20范围。对应的巡航功率约16千瓦,最大速度功率约45千瓦。均高于假想旋翼理论悬停功率10.4(千瓦)。
  上述分析和估算结果有待实际功率数据的验证。

旋翼机的有效载荷比
设3人体重75公斤,装备重40公斤,估计结构重量(包括燃油)约为560-(75x3+40)=295公斤。则该机型有效载荷率约为:265/560=47.3%。和直升机相比,有效载荷率相当不小。明显原因是不需要复杂的减速变速驱动机构,旋翼倾角随方位角变化操控机构,以及尾部平衡旋翼驱动机构等,整机的结构尽量简化。此外,采用暴露座舱,起落轮和旋翼杆都没有整流罩等,减少机构重量。
  整机空载重量的减少虽然增加了有效载荷比,但座舱,起落轮和旋翼杆等空气阻力增加,加上后排座是双人并列,机舱截面积增加,最终都会导致整机升阻比(特别是最大速度下)的减少。

后记
  本文所述根据有限数据和图片所作的粗略估算,希望能抛砖引玉,帮助读者对实际旋翼机的技术数据有个大致了解。特别希望有知读者能在评论中提供所知道的具体旋翼机总重,速度和实际驱动功率数据,以便更确切了解具体旋翼机的实际整机升阻比和能效。特别是对不同水平飞行速度(旋翼平面角度)下的旋翼升阻比变化规律的认识。(完)
发表于 2019-1-27 14:46 | 显示全部楼层
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