直升机旋翼机技术特征及未来发展趋势

1、直升机技术特点与发展刖景飞行器总体设计课程直升机部分课程报告SY1005525余艳辉2010-12-24文章总结了直升机的主要技术特点，概括了未来直升机发展的可能方向、 直升机的技术特点：直升机的技术先进性主要体现在如下5个方面：动力装置、升力系统、机体结构材料、电子系统和直升机总体特性。1）动力装置 50年代中期以前，绝大部分直升机都安装活塞发动机。小型活塞发动 机具有耗油率低，经济性好等优点；缺点是体积大、重量重，振动大、噪声高；寿 命短，维护工作量大。50年代以后，涡轴发动机逐渐取代活塞发动机。涡轴发动 机具有体积小、重量轻、比容积和比功率大、寿命长、噪声低、便于维护等优点。2）升力系统

2、 40年代至50年代中期，直升机升力系统通常采用木质或钢木混合材料桨叶。桨叶寿命短，通常在600h 一下；采用对称翼型，桨尖平面形状通常为矩形。 桨毂采用全铰结构。旋翼效率约为0.5，旋翼升阻比约为68 50年代中期，旋翼桨叶以金属结构为主，桨叶寿命提高到1200h以上。将也开始采用非对称翼型，桨毂仍以全铰式为主。旋翼效率约为0.6，旋翼升阻比为7.3 60年代末到70年代中期，桨叶逐渐被玻璃钢等复合材料取代金属结构，寿命提高到3600h以上。桨叶采用直升机专用翼型， 桨尖形状后掠和尖削； 开始采用结构简单， 便于维护的无铰 式桨毂；旋翼效率提高到大约0.75，旋翼升阻比大约为 8.5, 80

3、年代中期以后，旋翼系统采用先进复合材料结构桨叶，桨叶寿命无限。桨叶采用直升机专用高效翼型，桨尖形状三位变化，不但尖削、后掠，而且下反。桨毂采用结构进一步简化的无铰 式、星形柔性、球柔性和无轴承式桨毂，提高了可靠性和维护性。旋翼效率接近0.78左右，旋翼升阻比达到 10.5左右。3）机体结构状态50年代中期以前，直升机机体通常采用全金属构架结构、金属大梁和蒙皮。50年代末到60年代末，大多采用金属薄壁结构，金属大梁和铝合金蒙皮。自70年代起，复合材料在直升机上得到应用，最初应用于次要结构上，自90年代以来，主结构如机身盒形龙骨梁、隔框、桁条、水平安定面等，也广泛采用复合材料，新型直升机机体复合材

4、料 结构占结构重量的 50%以上。4）电子系统50年代中期以前的直升机采用简单仪表和电子管通信设备。50年代末到60年代末，直升机多采用军标通信设备和商业导航设备。占用空间大，重量重，可靠性低。70年代末至80年代，直升机航电系统为半综合型，采用集成电路通信设备、自主导航设备和综 合仪表。机载电子设备靠双向数据总线交联，通过总线进行信息传输。自90年代以来，信息技术在直升机上广泛使用，直升机航电系统朝高度综合化的方向发展。5）直升机总体特性主要从直升机设计原理、使用性能、全机升阻比、振动水平、噪声水平、飞行速度及操 纵品质、可靠性以及隐身性、抗坠毁性能等方面进行综合评价。、直升机发展方向：1）

5、高可靠性和耐久性民用直升机的事故率，是固定翼科技事故率的 5-6倍，飞行寿命也明显低于固定翼飞机。而事故率高，大部分事故起源于环境因素和人为因素。固定翼客机只在机场跑道上起落，飞行于已知的、净空条件良好的航线上，又总能得到地面设备的引导以及气象情况的预报。而直升机多适用于地形复杂而生疏或气象条件不佳的情况，却又得不到当地环境和局部气象报告的指导和帮助，而且时常是执行缺乏预先准备的紧急任务。因此，技术上的研究和发展可能主要集中在下列方面：1. 旋翼动力学和空气动力学相结合的研究，重点在于降低交变载荷。预计在桨尖形状优化、旋翼尾迹及载荷预估、涡桨干扰、动力学参数优化和剪裁设计、 振动主动控制、气弹

6、耦合稳定性等方面会有大的进展，从而缓解直升机上严 重的工作负荷及振动水平。2. 复合材料的应用于新型结构相结合，是设计技术发展进步。例如破损安全设计、整体结构、抗坠毁、隔振隔阻设计等，尤其是智能旋翼的采用，将会大幅度 降低直升机的振动，使其寿命发生质的飞跃。2）良好的经济性直升机由于结构复杂和制造费用高，其售价也高，大约是同等商载固定翼飞机售价的3-8倍。又因为一些动部件的使用寿命较短，使得折旧费用较高。可以预期，直升机的经济性将会逐步提高，而这方面的改进与应用普及化优势相辅相成的。经济性好有助于普及应用，应用的普及推动着经济性的改善。1. 随着技术的进步，直升机的安全性、维修性和使用寿命将不

7、断改善，这会直接 降低保险费、维修费、备件费等构成使用成本的主要部分。2. 刚刚发展起来的“成本控制设计技术”，从设计阶段开始就对造价和使用成本进行目标控制和优化。这将对改善未来直升机的经济性有重要贡献。3）驾驶及维护简易化直升机操纵较为复杂，而且检查和维护工作量也比较大，这是直升机尚未广泛 普及的原因之一。容易驾驶，维护简单，是直升机的一个发展方向。这方面的技术 进展主要在如下三个方面：1. 依靠电子设备，是直升机操纵稳定特性有重大改善，辅以自动控制系统、座舱综合显示系统等，降低驾驶直升机的难度。2. 采取低维护设计，如结构整体化、附件整体化、无润滑、自检系统等，是直升 机的维护工作简单易做

8、，不需专设机械师。3. 提高全天候的适应性，包括设置必要的辅助设备，良好的防冰、防蚀、防砂能力，使其不受天气或地区的限制。4）提高飞行速度和增大航程直升机独特的飞行性能，主要是悬停、垂直升降和低速性能，许多特殊作业，如 救生、吊装、海上垂直补给、声纳反潜等，都是依赖于直升机的悬停和低速性能得以实 现。但是，另一方面，直升机的飞行速度较低以及航程较短，对于执行某些任务仍不能 令人满意。作为运输类飞行器，高速度意味着高效率、搞经济性和低成本，这是军用和 民用两方面一致追求的目标。限制直升机飞行速度的根本原因是旋翼的工作状态。边旋 转边前进的旋翼，其左右两侧位置的桨叶上，迎面气流速度之差等于飞行速度

9、的两倍。 例如创速度记录的英国“山猫”直升机，当它以 400km/h飞行时，前行桨叶桨尖处的 速度已达1160km/h，而后行桨叶将减速度仅为360km/h。桨叶挥舞运动虽然能够以迎角变化来补偿速度的差异，但只能在一定的速度范围内实现左右两边升力的均衡。当速 度过大时，后行桨叶的迎角将超过失速迎角，另一侧前行桨叶处则会出现激波。前行桨 叶产生激波和后行桨叶陷入失速，都将引起桨叶的铰链力矩大幅增加，导致旋翼操纵机 构产生很大的交变载荷和直升机振动。为了提高飞行速度，必须推迟激波和失速的发生并削弱其影响。当前已经采用或者正在 探索可能采用的新技术：1. 研究新的翼型，激波临界 M数要求达0.93-

10、0.95，低速下的动态失速迎角尽可能大， 且动态力矩系数要小。2. 先进的桨叶几何形状。可以预料，今后的直升机旋翼将舍弃平直形桨叶，采用先进 的桨尖形状、特型后缘以及更好的尖削和扭转配置。3. 降低前飞阻力以减小高速飞行时的旋翼前倾角。有可能采用整体式无轴承桨毂或增 装整流罩以减小讲足阻力、机身流线型、可收进的起落架等方法。4. 机身上具有固定的短翼，在大速度时产生升力，使旋翼得意部分地卸载。同时，短 翼还可以兼做武器挂架、起落架支撑及收进仓或油箱。增装短翼会降低直升机的重 量效率及悬停性能，但由于减轻结构重量和采用富裕功率大的动力装置方面已经取 得重大发展，这一缺点已不甚重要，带翼直升机可能

11、成为发展方向。5）高机动性敏捷性用于对地面、海面攻击的直升机正在迅速发展，空中格斗型不久投入使用。这类直升机 的发展趋势，除机载火力外，重点将是高敏捷性和大机动能力。为了提高直升机的敏捷 性和机动能力，技术上可能重点发展以下几个方面：1. 整体旋翼桨毂。该桨毂使旋翼有很大的操纵功效和气动阻尼，是创造高水平武装直 升机主要技术基础。2. 光传（至少是电传）操纵。即可实现多余度以提高生存力，又便于采用侧置手柄取 代传统的驾驶杆舵机构，是驾驶舱尺寸小，结构重量轻，尤其宜于实现操纵的自动 协调和可变增益，改善驾驶品质。3. 电子综合显示、电子增控增稳系统以及地形规避系统等。记在电子设备会有长足发 展，

12、大幅度地提高直升机的作战效能，降低驾驶员工作负荷并降低事故率。4. 直升机的动力装置也将改善。武装直升机需要安装剩余功率大、响应特性良好的发 动机。6）乘坐的舒适性影响乘坐舒适性的主要原因是振动和噪声。直升机的主要振源是旋翼，旋翼处在弹性振 动情况下工作，旋翼的振动传到机体上引起直升机的振动。除了旋翼之外，尾桨、发动 机、传动系统这些旋转部件都会引起机体的振动。在引起振动的同时，这些旋转部件还 造成了严重的噪声。基于上述原因，直升机设计要求把减振、降噪以提高乘客的舒适性， 作为直升机设计和技术发展所有的目标和发展方向之一，其技术发展主要在以下几个方面：1. 旋翼空气动力学和动力学设计与分析技术

13、研究，以精确预估旋翼气动载荷，通过旋翼气动外形与空气动力学优化设计，减小旋翼振动载荷、 改善桨涡干扰即噪声特性，并控制机身对旋翼激振力的响应。2. 振动、噪声控制技术的研究，包括采用被动的减振、隔振、吸振装置；振动主动控 制技术及智能结构；减速器噪声控制技术及舱内噪声主动控制技术等，以降低和改 善舱内振动和噪声水平。3. 改善舱内通风、空调及装饰，创造良好的乘坐环境。三、新技术的采用及发展:桨毂新技术随着材料、制造工艺及结构动力学技术的发展，旋翼桨毂的结构经历了有简单到复杂，再由复杂到更简单的发展过程。特别是近20年来，多种不同结构形式的桨毂同时流行，诸如无侥式、带弹性轴承的铰接式等。这些桨毂

14、的设计都在 试图避免常规的的铰接式桨毂由于“铰”带来的弊端，而采用层压弹性轴承或 新材料的柔性来取代挥舞铰和摆振铰中需要润滑的机械轴承。无轴承式桨毂的 主要结构是单向复合材料制成的柔性梁，柔性梁外端同桨叶相连接，内端同固 定的旋翼轴上的连接盘相连接，柔性梁在保证一定的弯曲刚度和强度的情况下, 扭转刚度很低，起到了挥舞、摆振和变距铰的作用。二. 桨叶几何形状优化旋翼桨尖形状的改进是近年来旋翼气动技术发展的又一突出成果。桨尖是桨叶 的动压最高区，也是前飞时动压变化最大的区域，是桨叶气动特性最敏感的位 置。桨尖形状的改善，将大大改善桨叶的气动载荷分布、桨涡干扰、振动及噪 声特性，提高旋翼效率。近年来

15、，如后掠尖削、后掠桨尖、前缘后掠、短尖削、 长尖削、双曲线后掠，抛物线型后掠等，研究表明后掠桨尖能够缓解压缩性影 响，同时，由于桨尖翼弦变小，使边缘涡留密度减小，又延缓了后行桨叶的气 流分离，大大改善了旋翼的气动特性。三. 新型反扭矩系统直升机的反扭矩系统采用平衡旋翼反扭矩和实现直升机的航向操纵，在单旋翼 尾桨直升机上这个功能是由尾桨来完成的。常规尾桨虽然经过几十年发展，技 术比较成熟，尾桨结构本身也有了很大的改进，如无轴承尾桨和交叉布置的无 轴承尾桨。长期以来，直升机设计把改进和发展扭矩系统作为直升机技术发展 的重要课题之一，研究反扭矩系统新概念、新结构，先后出现和发展的形式主 要有桨尖喷气、环形尾桨等。下面主要介绍发展比较成熟的喊到尾桨和近年来 才发展起来的无尾桨概念：1. 函道尾桨2. 无尾桨概念四. 振动控制技术主动减振技术是把现代主动控制技术应用到直升机振动控制上，主动抑制抑制 旋翼的气动载荷或抑制机体对旋翼激振的响应，从而降低直升机的振动水平。1. 高阶谐波控制2. 主动控制襟翼3. 结构相应主动控制五. 复合材料的应用复合材料的优点在旋翼桨叶上得到了充分的发挥，它为旋翼桨叶气动外形的改 进和优化以及旋翼动力学特性提供了可能。更重要的是复合材料使在交变载荷 作用下的旋翼寿命大幅度提高。不仅提高了直升机的安全性，而且