直升机设计答案.doc

1. 直升机设计一般分为几个阶段？各阶段的主要工作内容是什么？直升机技术要求的主要内容是什么？评价直升机设计方案的有效性准则的一般要求是什么？答：直升机设计主要分为以下几个阶段技术要求的论证和确定（论证和确定对所研制新机的设计技术要求）；概念设计（方案设计或总体设计）（选择直升机的布局，确定直升机及其个系统基本参数的最佳组合，保证最佳综合地满足设计要求或提出必须修改设计要求的依据）；初步设计（技术设计或草图打样设计）（进一步确定直升机的几何参数、总量参数和能量参数，确定气动布局、总体布置、主要部件的结构型式、各主要系统的原理和组成，进行模型吹风试验以及详细的气动力、操纵特性、气动弹性和振动问题计算等）；详细设计（工作设计或零件设计）（全面实现所确定的直升机的参数和性能，要提交对直升机各部件、各系统及全机进行生产、安装、装配工作所要的全部技术文件，绘制直升机原型机生产所要全部图纸（零件图、装配图、理论图），并相应进行全部必要的计算工作（气动、强度、振动和疲劳方面的计算等），进行试制和试验的准备工作）；试制（指出原型机和有关试验件，以进行静动强度、系统模型、振动和飞行试验）；试验（对原型机进行实际的技术鉴定，包括地面试验和飞行试验两部分内容，试飞结束后提交试飞报告，编制心急的技术说明书、飞行手册和维护手册等）；定型和适航性鉴定（根据试验结果，发现问题，按照有关方面的意见，对图纸和技术文件等作必要的修改。同时移交成套的生产图纸、技术文件及样机等，并提交使用维护方面的资料，经有关部门组成的定型委员会或民航适航部门审定批准后，交工厂进行成批生产）。直升机技术要求是研制直升机的基本依据，主要内容有；直升机的任务或用途主要装载情况主要飞行性能其他如起落场地、自转着陆、运输条件、抗坠毁性和维护性等要求典型使用曲线（任务剖面：表示直升机完成典型任务的飞行航线综合图）评价直升机设计方案的有效性准则的一般要求是：尽可能全面反映对直升机提出的各种要求；可以进行定量分析；简单明了，易于在研制阶段运用2. 直升机在定常前飞状态时的需用功率有哪些？直升机的主要参数有哪些？详细阐述直升机主要参数与直升机各需用功率之间的关系。答：直升机在定常前飞状态时的需用功率有：型阻功率、诱导功率和废阻功率；直升机的主要参数有：直升机的总重G、桨盘载荷p、功率载荷q、旋翼实度和桨尖速度；直升机主要参数与直升机各需用功率之间的关系：随着直升机飞行速度的增加，诱导功率不断减小，废阻功率迅速增加；桨盘载荷p影响单位诱导功率，而诱导功率仅在悬停及飞行速度不大时在总需用功率中占有较大的比重，因此桨盘载荷仅对悬停及飞行速度不大时的总需用功率有较大的影响；全机单位废阻仅对飞行速度较大时的总需用功率有较大的影响；单位型阻功率主要决定于桨尖速度及桨叶载荷，它在整个飞行范围内都有一定的比重，因此其变化对总需用功率始终都有一定的影响，由于出现气流分离及局部激波所造成的型阻功率损失主要影响飞行时的型阻功率。3. 直升机的主要飞行性能有哪些？如果要求直升机有较大的升限，主要参数该如何选择？ 如果要求直升机有较大的爬升率和续航时间，主要参数该如何选择？如果要求直升机有较大飞行速度和航程，可采用哪些措施？直升机最大前飞速度受哪些因素限制？答：直升机的主要飞行性能有：悬停升限HH，垂直爬升速度VyV, 使用升限Hs, 最大爬升速度Vymax，最小自转下滑速度Vymin,最大续航时间Tmax,最大航程Lmax,最大飞行速度Vmax.要求直升机有较大的升限，可以采用功率较大的发动机；采用较小的桨盘载荷可以降低诱导功率，从而减少悬停需用功率；提高功率利用系数，如果是活塞式发动机可以采用废气增压，以改善发动机的高度特性，从而提高直升机升限。要求直升机有较大的爬升率和续航时间，可通过采用较大的发动机的措施来提高直升机的最大爬升速度；提高燃油重量,可以提高Tmax。要求直升机有较大的飞行速度和航程，主要是降低全机废阻功率和型阻功率，减小桨盘载荷和提高功率利用系数。由于飞行速度的增加，单位废阻大大增加，单位需用功率不断增加，需用功率限制了最大飞行速度，另外前行桨叶气流分离及局部激波和后行桨叶失速也是限制因素。4. 直升机重量效率的定义？试述桨盘载荷对直升机重量的影响？桨盘载荷上下限受那些限制？桨尖速度对直升机重量有哪些影响？其上下限受哪些限制？答：，即有效载荷和燃油之和与直升机总重的比值。桨盘载荷的大小严重影响直升机有效载荷占总重的比例。=-=1-。桨盘载荷直接影响减速器及旋翼桨叶的相对重量和，桨盘载荷越大两者就越小。桨盘载荷越大，单位需用功率越大，应该选择更大的发动机，动力装置的相对重量就越大。桨盘载荷对相对燃油重量也有影响，桨盘载荷加大时，也略有增加。对于单发直升机，桨盘载荷的上限往往受自转下滑速度Vymin限制，对于双发和多发直升机，桨盘载荷的最大值受到悬停时旋翼洗流速度的限制。桨盘载荷的下限由Vmax , HH而定的P曲线交点对应Pmin,选择的桨盘载荷不应小于这个数值。桨尖速度越大，主减速器的减速比减小，需用功率增大，传动系统重量下降，结构重量下降，总重下降。桨尖速度上限受局部激波的限制，下限受主减速器重量和发动机停车时用于自转和瞬时增距的储备能量界限限制。过大或者过小的桨尖速度都会使单位型阻功率增加。5. 直升机主要参数优化包括哪些内容？其分析模型主要有哪些？根据动力相似原则，如果所设计的直升机旋翼直径为原型机的N倍，所设计的直升机的旋翼转速与原型机有何关系？其重量与原型机有何关系？画出动力相似三角形。答：包括建立优化的数学模型，选取分析模型，设定目标函数，选择优化方法，参数敏感性分析等，分析模型有续航性能模型，最大爬升率模型，最大欠费速度模型等。设计直升机的转速m与原型机的转速p关系为m=p/ 设计直升机的重量Wm与原型机的重量Wp关系为Wm=N3*Wp动力相似三角形如下图：6. 简述单旋翼带尾桨布局直升机的主要结构特点和工作原理。单旋翼直升机的尾桨主要参数是什么？尾桨直径的确定与旋翼桨盘载荷有何关系？答：主要特点是布局由一副主旋翼和一副尾桨组成，尾桨提供平衡主旋翼的扭矩并进行航向操纵，该形式的直升机纵横向操纵通过自动倾斜器来完成。尾桨消耗的功率对直升机的升力没有贡献，因此效率较低。另外尾桨的可靠性也影响直升机的安全性。尾桨的主要参数是尾桨直径，尾桨桨尖速度，尾桨实度以及尾桨桨盘载荷。桨盘载荷大的旋翼需用功率大，用大直径的尾桨可以节省一部分功率；桨盘载荷小时，尾梁很长，用小直径的尾桨较易使直升机重心靠近旋翼。7. 为什么有些直升机旋翼轴相对于机身水平轴线的垂线向前倾斜一个角度？油箱及武器弹药一般应布置在机身的什么位置？一般直升机的重心相对于旋翼轴在什么位置？为什么？答：（1）、主要目的是使直升机在水平前飞时，机身不至于处在一个很大的负迎角状态。处于负迎角状态，会使单位废阻显著增加，并且机身产生向下的气动力，因而旋翼拉力必须增加，诱导功率、型阻功率都会增加。此外，长时间飞行中成员也会不舒服。（2）、布置油箱及武器弹药时，要求燃油和武器弹药重心与直升机的总重心尽量靠近，以减少燃油和武器弹药的消耗时对直升机总重心产生的影响。总体布置时，可以将燃油和武器弹药安排在全机重心的位置上。或将燃油箱对称的安排在全机重心的位置上，或将燃油箱的总重心与全机的总重心重合。（3）、一般直升机的重心相对于旋翼轴稍偏前，因为此种情况下当直升机受一抬头扰动后，增加了迎角，旋翼气动合力相应增加了T，从而产生了一个绕重心的低头力矩，可以抵消不稳定的扰动抬头力矩，使直升机恢复到初始稳定状态，这样对于稳定性是有利的。8. 直升机按反扭矩形式不同分几类？各有什么特点？你认为今后旋翼飞行器的构型和技术会有哪些发展？答：直升机按反扭矩形式不同可以分为单旋翼直升机、共轴式直升机、纵列式直升机、横列式直升机。单旋翼直升机又有单旋翼带尾桨、无尾桨、桨尖喷气等形式。这类直升机通过尾桨或尾梁上相应的装置来平衡主旋翼的扭矩并实现航向操纵。该形式的直升机纵横向操纵通过自动倾斜器来实现，尾桨消耗的功率对直升机的升力没有贡献，因此效率低。另外，尾桨的可靠性影响直升机的安全性。共轴式直升机两副旋翼共轴反转，两副旋翼产生的扭矩在航向不变的飞行状态下相互平衡，并通过上下旋翼总距差动产生不平衡扭矩实现航向操纵。主要特点是悬停效率高、无尾桨，无需为平衡旋翼的扭矩而消耗功率，从而结构紧凑，重量效率高，整机空气动力对称，具有较大爬升率和使用升限。纵列式直升机两副旋翼沿机体纵轴排列，并且其旋转方向相反，使反作用力矩相互平衡。对于重型直升机，采用纵列式布局有利于减少主减速器和旋翼重量，降低结构重量。纵列式另一个特点是其容许的重心变化范围较大，能够借助前后旋翼差距操纵来保持直升机的平衡。横列式直升机为两副旋翼和动力传动系统沿机体横轴排列，旋转方向相反，从悬停状态的双旋翼干扰情况来看，纵列式和横列式旋翼工作没有本质的区别，只是横列式机身和机翼的吹风损失可能较纵列式大些，垂直飞行性能差些。今后的直升机发展方向:特殊构型的直升机，倾转旋翼机、停转旋翼机、推力尾桨、刚性旋翼等形式。自由发挥。9. 试用图示描述直升机旋翼在前飞状态下的挥舞特性；说明引起挥舞的原因；解释挥舞铰、摆振铰的作用。答：前飞状态下的挥舞特性：直升机前飞时旋翼处于斜流状态，桨叶的相对气流及空气动力沿方位角周期变化，致使桨叶在旋转中又有周期挥舞运动，可观察到此时旋翼锥体大致向侧后方有些倾倒。挥舞铰B可以写为傅式级数形式：B=a0-a1*cos-b1*sin-a2cos2-b2sin2，其中，a0不随方位角改变的常数部分。引起挥舞的原因：直升机在前飞过程中，前行桨叶相对气流速度较后行桨叶更大，则其产生的拉力也大于后行桨叶，因此产生倾转力矩，飞行速度越大，倾转力矩越大。为了消除倾转力矩，桨叶根部通过“挥舞铰”与旋翼轴相连，桨叶则产生绕挥舞铰的上下挥舞运动。挥舞铰的作用：铰接式旋翼在斜流中通过挥舞铰的挥舞运动自动调节桨叶的拉力，使各个方位角处拉力力矩保持平衡，消除气流不对称可能引起的旋翼倾转力矩。摆振胶的作用：由于旋翼挥舞运动引起了对桨叶根部的周期交变的科氏力，同时桨叶在旋转平面内的空气动力阻力也造成了根部弯曲，为了解决桨叶根部交变弯矩很大的这一困难，在旋翼上设置了摆振铰，这样桨叶可以绕摆振铰在旋转平面内前后摆动。10. 解释直升机周期变距、自动倾斜的原理和作用；用图示说明其结构特征；说答： 自动倾斜器是用来周期的改变桨叶桨矩的机构，关键组件是一对不旋转环和旋转环，它们可以一同向任意方向倾斜，操纵环（不旋转环）与驾驶杆相连，旋转环跟桨叶同步旋转，旋转环上的每根拉杆分别与各片桨叶的变矩摇臂连接，桨叶根部有轴向铰（变矩铰），桨叶可以绕该铰轴线转动以改变桨矩，当自动倾斜器偏转时，拉杆滑动节点使桨叶变矩。周期变矩：一般情况下，自动倾斜器偏转造成的桨叶周期变矩为：=sin+（-）cos，就是说，当操纵平面CC相对于构造旋转平面SS倾斜时，桨叶桨矩在旋转中发生周期变化，桨矩的变化幅值恰好等于CC平面的倾斜角，但相位滞后90度。由于桨叶本身的升力自动调节作用，当气流左右不对称是引起桨尖平面后倒，当前后桨叶的迎角不对称时引起桨尖平面侧倒，只要设法造成桨叶升力的不对称因素，桨叶就会通过挥舞造成桨尖平面因此而气动合力倾斜，但倾斜的方向在方位角上与桨叶升力不对称的方位相差90度，这样，为了使旋翼气动合力向某一特定方位倾斜，只要人为地在提前90度方位角处减小桨叶迎角就可以实现。直升机通过自动倾斜器的偏转可以实现直升机的纵横向运动、实现纵横向的操纵。简单的说，要想通过控制直升机横向运动，就通过拉杆使自动倾斜器的操纵平面CC左右偏转，要控制直升机纵向运动，就通过拉杆使自动倾斜器的操纵平面CC前后偏转。11、直升机发动机的主要要求？活塞发动机与涡轮轴发动机的主要性能特点和区别。答：P581.发动机的有效功率Nu首先要求所选用的发动机能够保证在直升机飞行包线范围内具有足够的功率。要考虑发动机在各种外界条件下的有效功率，以适应各种使用状态，还必须注意各种功率损失，并力图在设计中尽量减少各种损失，提高功率利用系数。2.发动机的比重或功率比发动机的功率比或用其倒数发动机功率重量比，是表征发动机重量完善程度的参数，其中Ge为发动机重量。为了保证直升机具有较高的重量效率，在保证发动机可靠性的前提下，应使发动机比重越小越好，或功率比越大越好。3.发动机的油耗特性Ce它是决定发动机及直升机使用经济性的主要因素，是评价发动机的重要指标。要求直升机发动机的单位油耗率Ce越小越好。4.发动机的高度特性一般来说，随时用高度增加，由于空气减少，发动机的有效功率也将减小。随外界温度降低，单位空气流量的功率增加，单位耗油率随之降低。5.发动机的温度特性环境温度升高后，进入发动机的空气密度减小，发动机的有效功率也就明显下降，而单位油耗率将增加。6.发动机的速度特性涡轮轴发动机在直升机上安装需考虑利用进气的冲压效应。由于速度的影响，使进入发动机的总压缩比和流量都增加，随着速度的增加，功率将增加，而单位油耗率将减小。7.发动机的启动特性使用条件要求发动机在各种条件下都易于启动，以使发动机转速从零达到慢车转速。另外好要考虑发动机在空中启动的可能性。8.发动机的功率反应特性加速性指从慢车转速达到最大转速历时快慢的性能。一般需3s至5s，对于活塞式发动机和定轴涡轮发动机尚不难达到，而自由涡轮发动机加速性较差。9.单位横截面的有效功率NcNc=Nu/Smax Smax为发动机最大迎风面积。单位横截面积的有效功率大，则在一定功率下其横截面积就小，易于改善全机发动机的自身的气动特性和合理地实现总体布置。10.发动机可靠性它直接影响飞行安全，一般用单位时间内故障次数来衡量。它很大程度上取决于其寿命，发动机寿命分为保证寿命，修理寿命，总计术寿命。发动机的比重的减小已达到一定的水平，较重要的是增加发动机的可靠性，延长使用寿命和简化使用维护要求。11.技术维护的简易性技术维护特性是表征结构设计完善性的重要方面。涡轮轴发动机易受沙尘磨损，高温部件多，需