高速直升机教案.ppt

高速直升机 现代航空工程课程航空宇航学院陈仁良 高速直升机 直升机的研制历程直升机的型式现役直升机的最大飞行速度影响直升机飞行速度的因素提高直升机飞行速度的措施高速直升机的研究现状高速直升机的发展趋势 直升机研制历程 竹蜻蜓 达 芬奇设计的扑翼机 直升机研制历程 1792年 英国航空之父 乔治 凯利在其成功发明 试验了滑翔机后自制了一架直升机模型 但因为直升机自身不带动力装置 因此实验失败了 直升机研制历程 1907年 法国人柯尔尼制造了一架大型直升机 两个旋翼分别装在驾驶员前后 是第一架能垂直飞行的载人直升机 柯纽仍成为驾驶直升机升空第一人 直升机研制历程 旋翼机 1920年 西班牙科学家西尔华设计了第一架 自转旋翼机 C 1 但无法前飞 直升机研制历程 旋翼机 1923年 西班牙科学家西尔华成功设计了第一架带关节连接桨叶的 自转旋翼机 C 4 开创了旋翼机的辉煌历史 其中的 关节连接桨叶 方法是直升机发展史上一次重大的技术突破 旋翼机辉煌时期 1923 1935 1929年 1926年 1924年 1931年 直升机研制历程 1936年 德国H 福克成功地试飞了第一架载人地双旋翼横列式直升机FW 61 FW 61的飞行速度为120km h 航程为241km 试飞员为女飞行员HannaReitsch 直升机研制历程 1939年 俄裔美国人伊格尔 西科斯基 IgorSikorsky 发明第一架有用的单旋翼直升机VS 300 1941年 VS 300持续飞行1 5小时 创世界记录 直升机研制历程 R 4 R 5 S 61海王 S 64空中吊车 S 70黑鹰 不同形式的直升机 单旋翼带尾桨式直升机双旋翼直升机共轴式双旋翼直升机纵列式双旋翼直升机横列式双旋翼直升机交叉式双旋翼直升机无尾桨直升机复合式直升机 单旋翼带尾桨式直升机 旋翼反作用扭矩靠尾桨推力平衡 优点 构造简单 操纵系统简单 成本较低 缺点 尾部螺旋桨造成功率损失 重心定位范围窄 尾部长 尺寸大 共轴双旋翼直升机 卡 27 两个旋转方向相反的旋翼安装在一根轴上 旋翼的反作用扭矩相互平衡 优点 机身短外形好 正面阻力小 外廓尺寸小 缺点 操纵系统及传动系统复杂 旋翼有相互干扰 方向稳定性不够 纵列双旋翼直升机 CH 47 两个旋翼安装在机身的前后端 后面的旋翼通常高于前面旋翼的旋转平面 优点 纵向稳定性好 重心定位范围广 重量效率高 机身有效容积大 缺点 传动系统复杂 平飞时诱导损失大 利用旋翼自转进行滑翔降落困难 横列双旋翼直升机 米 12 两个旋翼位于机身两侧并在同一平面内 转向相反 优点 操纵性 稳定性较好平飞诱导损失小 经济性较好 缺点 构造复杂 操纵系统复杂 交叉双旋翼直升机 两个旋翼位于机身两侧 但两个桨毂之间很近 转轴向外倾斜 优点 正面阻力小 外廓尺寸小 缺点 传动系统复杂 桨尖可能碰地 不安全 直升机的平衡复杂 K 600 无尾桨直升机 MD600 旋翼反扭矩由尾部旋转气流平衡 优点 没有尾桨 安全性好 缺点 系统复杂 复合式直升机 倾转旋翼式直升机 YSH 60F 现役直升机的最大飞行速度 CH 47 每小时297公里 山猫 每小时400公里 卡 27 每小时250公里 现役直升机的最大飞行速度 倾转旋翼飞行器 V 22鱼鹰 509公里 小时 复合式直升机 YSH 60F 450公里 小时 影响直升机飞行速度的因素 直升机阻力发动机功率气流分离激波噪声 阻力对飞行速度的影响 阻力直接影响直升机的飞行速度 减小直升机的阻力是提高直升机飞行速度的有效方法之一 直升机阻力的组成流线型部件的阻力起落架的阻力桨毂的阻力其他废阻力 功率对飞行速度的影响 直升机在飞行中除了满足力的平衡外 还需满足功率的平衡直升机的动力来自发动机发出的功率 称为直升机的可用功率 只有当发动机的功率大于或等于直升机在飞行中所消耗的功率时 直升机才能进行飞行 直升机在飞行中所消耗的功率称为直升机的需用功率 功率对最大飞行速度的限制 需用功率随飞行速度的变化 功率对最大飞行速度的限制 气流分离对飞行速度的限制 后行桨叶气流分离区域随前飞速度增加而增大 气流分离对最大飞行速度的限制 激波对飞行速度的限制 桨叶翼型升力系数与临界M的关系 激波对飞行速度的限制 噪声对飞行速度的限制 根据过去20年的研究发现 当直升机桨尖速度达到230米 秒时 直升机的噪声使驾驶员无法忍受 最大飞行速度受到限制 直升机最大平飞速度的确定 提高直升机飞行速度的措施 降低直升机阻力增加发动机功率推迟后行桨叶气流分离推迟前行桨叶激波降低前行桨叶的噪声水平 降低直升机阻力 改善直升机外形 流线型 表面光洁度 降低桨毂阻力 整流 起落架 滑橇式 收放式 适当提高发动机喷口速度 增加发动机功率 增加发动机数量或改进发动机的性能山猫直升机的发动机1800马力两台发动机3200马力提高减速器的传动能力改进前1400马力改进后2500马力挖掘潜能如何利用700马力 挖掘发动机潜能 改进型山猫直升机发动机喷口尺寸降至原尺寸的40 利用700马力的剩余功率产生600磅推力 不仅消除了原发动机引起的阻力 而且还产生了600磅推力 直升机的阻力降低了50 发动机附加推力使直升机抬头 降低大速度飞行时的低头程度 改善后行桨叶的工作环境 激波的推迟 推迟出现前行桨叶激波的两个措施翼型厚度对弦长的比值小 后掠激波的推迟有利于噪声水平的降低和激波阻力的减小 山猫直升机采用BERP桨叶 BritishExperimentalRotorProgram 来达到上述目的 气流分离的推迟 气流分离 失速 与采用的翼型截面形状有关 一般桨叶翼型当迎角大于12度或16度时出现气流分离现象 提高翼型失速迎角的措施翼型厚度和弯度大 与降低激波要求正好相反 山猫直升机的BERP桨叶虽然翼型厚度和弯度小 但其中的凹口所产生的旋涡使气流紧贴上下表面流动 其原理与三角翼类似 提高直升机速度的其它措施 由于常规直升机受阻力 发动机功率 后行桨叶气流分离 前行桨叶激波和噪声等因素的限制 在现有技术的条件下提高直升机的速度已很可能 需寻求其它途径 一种合理有效的途径是将直升机和固定翼飞机结合 低速时采用直升机模式 高速时采用固定翼飞机模式 这已成为高速直升机的发展趋势 提高直升机的飞行速度是直升机界一直关注的问题 用直升机和固定翼飞机组合来提高直升机的飞行速度这一思想在直升机的发展进程中早已出现 纵观各种高速直升机的方案 大多数方案采取了从直升机模式过渡到飞机模式的方法 从升力部件的结构上来说 就是机翼加桨叶的形式 二者相互协调 相互配合 充分发挥各自优势 高速直升机的各种形式 按直升机和固定翼飞机结合的不同形式 高速直升机可分为以下几类 复合式倾转旋翼 机翼式旋翼 机翼转换式 复合式高速直升机 该形式的高速直升机在悬停和低速时以直升机模式工作 速度提高到一定程度后旋翼进入自转状态 速度再提高时旋翼转速降低并逐渐卸载 机翼逐步承载 当转速降至一半时 旋翼只承担升力很小部分 这样 桨叶剖面迎角的减小和旋翼转速的下降分别推迟了后行桨叶的气流分离和前行桨叶的激波失速 让机翼为旋翼卸载 这就是复合式直升机的核心思想 复合式高速直升机 McDonnellXV 1 FaireyRotodyne Piasecki16H 1 矢量推进装置 倾转旋翼 机翼式高速直升机 该形式的高速直升机在悬停和低速时以直升机模式工作 速度提高到一定程度后倾转旋翼 机翼成为螺旋桨 直升机模型成为固定翼飞机模式 这是倾转旋翼 机翼式直升机的核心思想 倾转旋翼 机翼式高速直升机按倾转部件的不同可分为 旋翼倾斜涵道倾斜 倾转旋翼 机翼式高速直升机 BellXV 3 BellXV 15 V 22Osprey 倾转旋翼 机翼式高速直升机 Nord500Cadet VanguardOmniplane 旋翼 机翼转换式高速直升机 该形式的高速直升机在悬停和低速时以直升机模式工作 速度提高到一定程度后旋翼由机替代 成为固定翼飞机 这是旋翼 机翼转换式直升机的核心思想 旋翼 机翼转换式高速直升机 XV 2