无人机飞行原理-第07章

单旋翼无人机第7章无人直升机飞行原理17.1旋翼的空气动力学旋翼的运动方式与固定翼飞机的机翼不同，区别在于旋翼的桨叶除了随机体一起作直线或曲线运动外，还绕旋翼轴不断旋转，因此桨叶的空气动力现象比机翼的复杂得多，虽然有共同点，但也有许多不同的特点。从原理上讲旋翼和螺旋桨没有区别，但是旋翼提供的拉力可以分解为升力和推力，而螺旋桨仅提供推力。直升机的飞行状态改变，是靠改变旋翼拉力的大小和方向来完成的。27.1旋翼的空气动力学旋翼的桨叶类似于普通固定翼飞机的机翼，旋翼产生拉力与机翼产生升力的道理大致相同。旋翼旋转时，旋翼上面的空气压力小，下面的空气压力大，旋翼拉力可以认为是压力差的总和。把每片桨叶产生的升力合成为一个力，这个力作用在桨叶叶尖旋转平面的中心，且垂直于这个平面，这个力叫作旋翼拉力。旋翼拉力的大小与桨叶数量和各桨叶的拉力有关，而桨叶的拉力是各段微元桨叶拉力之和。从设计角度上讲，直升机的起飞重量越大所需要的桨叶数量越多。37.1旋翼的空气动力学1、旋翼拉力（1）直升机垂直飞行状态。作用在叶素上的升力大小与相对气流速度的平方成正比，方向垂直于相对气流方向；同时与该段桨叶的迎角成正比。4叶素升力和拉力的关系表示为7.1旋翼的空气动力学直升机旋翼拉力与桨尖轨迹平面TPP基本成90°。在悬停状态中，旋翼还受到一个近似水平方向的力：惯性离心力，它与旋翼拉力一起使旋翼形成倒立锥体。如果直升机前飞或侧飞，桨尖轨迹平面TPP倾斜，旋翼拉力也随之倾斜。重量与锥角的关系：重量大，锥角大；重量小，锥角小。57.1旋翼的空气动力学（2）直升机前飞状态。当直升机前飞时，相对气流与旋转轴不平行，出现斜流。直升机前飞时，桨叶的气动特性可采用类似于垂直飞行时的状态进行描述。前飞时的旋翼拉力与垂直飞行状态的旋翼拉力表达式一致，只是叶素升力和阻力在旋转轴上的分量不一样而已。沿旋转方向桨叶的周向来流速度是直升机空气动力的重要因素之一。67.1旋翼的空气动力学旋翼拉力公式及影响因素旋翼拉力公式：飞机机翼升力系数只与机翼的翼型和迎角有关，而旋翼的拉力系数不仅与桨叶的翼型和迎角有关，而且还与旋翼的实度成正比。77.1旋翼的空气动力学（1）旋翼转速对拉力的影响。旋翼转速增加，桨叶微元的相对气流就加快，桨叶升力就增大，桨叶拉力也增大。旋翼拉力与旋翼转速的平方成正比，即转速增大1倍，拉力增大到原来的4倍。（2）空气密度对拉力的影响。空气密度增大，桨叶升力就增大，桨叶拉力也增大。所以旋翼拉力与空气密度成正比。（3）桨叶迎角对拉力的影响。桨叶微元升力与其迎角成正比，因此桨叶拉力与桨叶迎角成正比。应该指出，当桨叶迎角超过临界迎角以后，桨叶拉力随迎角的增大反而减小。（4）旋翼实度对拉力的影响。当旋翼的半径一定时，旋翼实度与桨叶的片数和桨弦成正比。显然，桨弦越长，各段桨叶的升力越大，整个桨叶的拉力也就越大；桨叶片数增多，旋翼拉力也增大。因此，旋翼拉力与旋翼的实度成正比。（5）旋翼半径对拉力的影响。旋翼半径增大，一方面桨叶的投影面积增大，旋翼实度也增大，使桨叶的拉力增大；另一方面，桨尖的周向速度增大，桨叶的拉力又有所增大。旋翼拉力与旋翼半径的三次方成正比，即旋翼半径增大1倍，旋翼拉力增大到原来的8倍。87.1旋翼的空气动力学7.1.2旋翼阻力当旋翼转动时，不仅产生拉力，而且还会产生阻止旋翼旋转的阻力。为了保证旋翼作稳定旋转，必然要消耗一定的功率。阻止旋翼旋转的空气动力，叫旋翼旋转阻力，简称旋翼阻力。旋翼阻力与桨毂旋转平面平行，而方向与旋转方向相反。按产生原因的不同，旋翼阻力可分为翼型旋转阻力、诱导旋转阻力、上升旋转阻力、废阻旋转阻力。97.1旋翼的空气动力学翼型旋转阻力附面层分为层流层和紊流层。摩擦阻力是在附面层内产生，附面层的性质不同，摩擦阻力的大小也不同。紊流层的摩擦阻力要比层流层的摩擦阻力大得多。由于气流分离会形成涡流区，压力减小，桨叶前后便产生压差阻力。摩擦阻力和气流压差阻力所构成的桨叶空气阻力，其方向与相对气流合速度平行。桨叶空气阻力在桨毂旋转平面上的分力，叫翼型旋转阻力。107.1旋翼的空气动力学诱导旋转阻力。旋翼旋转产生拉力时，桨毂旋转平面内就有诱导速度，诱导速度会使入流角增大一角度。这时相对气流合速度偏离桨毂旋转平面，会引起桨叶升力向桨叶后缘倾斜，由此产生的旋转阻力称为诱导旋转阻力。117.1旋翼的空气动力学地面效应：直升机的地面效应，是旋翼排向下方的气流受到地面阻挡而影响旋翼空气动力的一种现象，也叫地面气垫。对固定翼飞机而言，相对气流流过机翼之后，虽具有一定的下洗速度，但下洗角不大，所受到的地面阻挡作用也不强，直升机则不然，被旋翼排向下方的气流，直接向地面流去，受到地面的阻挡作用大得多，所以直升机的地面效应也就比飞机的强烈得多。127.1旋翼的空气动力学地面效应的强弱的影响因素1．直升机距离地面高度的影响2．直升机飞行速度的影响137.2旋翼挥舞原理旋翼旋转时桨叶会发生挥舞运动、桨距改变和摆振运动。桨叶自由挥舞和摆振运动的目的就是在旋转运动中寻找平衡。为了实现此目的，直升机在结构上的明显特征就是在桨根处安装了铰链。铰链的目的就是让每片桨叶独立地作挥舞和摆振运动。147.2旋翼挥舞原理挥舞铰可以实现桨叶挥舞运动，桨叶绕挥舞铰的起伏动作叫做挥舞。挥舞铰的作用就是使桨叶绕挥舞铰产生的力矩无法传递到机身上，从而消除横侧不平衡力矩。摆振铰除了叫垂直铰，也可以称之为阻力铰。摆振铰的作用是消除旋转过程中科氏力矩对桨叶的影响。桨叶挥舞是消除桨叶拉力不对称性的主要方式。157.2旋翼挥舞原理自然挥舞是由于相对气流速度引起桨叶的上下挥舞运动，与前飞速度有直接关系。直升机在无风中垂直升降或悬停飞行时，桨叶不会产生自然挥舞运动。167.2旋翼挥舞原理桨叶的摆振运动当直升机前飞时，旋翼桨叶绕挥舞铰上下挥舞，桨叶挥舞会引起桨叶重心相对旋翼轴的距离发生周期性变化，桨叶旋转角速度也会发生变化。桨叶向上挥舞时，桨叶旋转角速度增大，桨叶加速旋转；桨叶向下挥舞时，桨叶旋转角速度减小，桨叶减速旋转。桨叶的变距桨叶绕轴向铰转动来改变安装角或桨叶角，称为桨叶变距。一般通过操纵总距杆可以一起改变所有桨叶的桨距，通过周期变距杆可以周期性地改变桨叶的桨距。177.2旋翼挥舞原理操纵挥舞在周期变距作用下，旋翼也会发生操纵挥舞。由周期变距引起旋翼的另一种挥舞作用，称之为操纵挥舞。周期变距杆操纵旋翼时，变距拉杆上下运动引起旋翼斜盘倾斜，桨叶旋转时其桨叶角就会周期性发生改变，桨尖轨迹平面TPP也随之发生倾斜。187.2旋翼挥舞原理斜盘倾斜与操纵挥舞197.3旋翼挥舞特性方位角相位滞后最普遍的一种理论认为，直升机旋翼桨叶在飞行中是一个转动的物体，则具有陀螺进动性。陀螺进动性原理指出，当一个外力沿轴线方向作用在转动中的陀螺上，则陀螺的旋转平面将倾斜，倾斜的最大位移量发生在沿陀螺转动方向90°滞后的点上。另一种理论称为惯性原理。当变距力作用到桨叶上时，由于桨叶的惯性，桨叶不会马上对作用力做出反应，而先使桨叶挥舞，也就是说，产生的升力在使桨叶挥舞前首先必须克服桨叶的惯性，此时桨叶已经转动了1/4圆周，所以力的作用效果将沿转动方向滞后90°。207.3旋翼挥舞特性桨叶上存在返流的区域称为返流区，或反流区。在这个区域内，桨叶各切面的相对气流不是从桨叶前缘流向后缘，而是从桨叶后缘流向前缘。这种由桨叶后缘流向前缘的气流，叫返流，或反流。217.3旋翼挥舞特性返流区的大小与飞行速度和旋翼转速有关。前飞速度一定时，旋翼转速增大，由旋转所引起的相对气流速度增大，使旋翼工作状态特性系数（前进比）值减小，于是旋翼的返流区缩小；反之，旋翼转速减小，值增大，则旋翼返流区扩大。旋翼转速一定时，前飞速度增加，前进比值变大，旋翼的返流区扩大；反之，减小前飞速度，前进比值变小，旋翼的返流区缩小。总之，前进比值越小，返流区越小；前进比值越大，返流区越大。旋翼的返流区越大，表明旋翼相对气流的不对称性越大，旋翼拉力不对称性越强。227.3旋翼挥舞特性相对气流不对称性升机在前飞、后退飞行或侧飞中，旋翼桨叶的周向相对气流才会出现不对称现象。旋翼的相对气流不对称性，会使前行桨叶相对气流速度大，不考虑其他影响因素，根据空气动力特性，则产生的拉力就大，且在方位角90°处拉力最大；后行桨叶的相对气流速度小，则产生的拉力小，且在方位角270°处拉力最小。由于旋翼相对气流的不对称性和返流区的存在，造成的旋翼两侧拉力不对称现象，就形成了横侧不平衡力矩。237.3旋翼挥舞特性迎角不对称性在桨叶相对气流不对称性的影响下，因挥舞速度不同所引起的桨叶迎角不对称性，前行桨叶区内的迎角小，而后行桨叶区内的迎角大。相对气流不对称性和迎角不对称性促使桨叶在各个方位的拉力大致保持不变。所以，旋翼装有挥舞铰后，不仅消除了横侧不平衡力矩，就连拉力的不对称也基本消除了。247.3旋翼挥舞特性自然挥舞特性由于桨叶的周向气流速度不对称引起的自然挥舞运动，产生的挥舞响应使桨叶在180°处挥得最高，而在0°或360°处挥得最低。相对于桨毂旋转平面，轨迹前高后低，旋翼呈现为倒锥体向后倾斜，旋翼产生后倒姿态。前飞速度越大，旋翼相对气流速度不对称性越大，旋翼锥体向后倾斜也越多，后倒程度就越快。257.3旋翼挥舞特性旋翼自然挥舞中，一方面，由于旋翼桨叶的相对气流不对称性，造成前飞中旋翼锥体向0°方位倾斜；另一方面，由于旋翼桨叶的迎角不对称性，造成前飞中旋翼锥体向90°方位倾斜。换句话说，由于桨叶本身的拉力自动调整作用，气流不对称性引起桨尖轨迹平面TPP后倒，迎角不对称性引起桨尖轨迹平面TPP侧倒。267.3旋翼挥舞特性胡克效应直升机在悬停状态时，主轴和虚轴两轴互相重合，当操纵周期变距杆时，直升机处在过渡飞行状态，桨叶旋转形成的锥体轴与旋翼轴不再重合，此时旋翼桨叶会重新定位，从而会产生胡克效应（HookerJointEffect），也叫万向节效应（UniversalJointEffect）。277.4直升机的控制和操纵直升机的操纵方式直升机的6个自由度只需要以下4个操纵。（1）垂直运动操纵。通过总距杆改变旋翼桨叶角而改变旋翼拉力，操纵直升机升降改变拉力的大小来实现。（2）纵向运动操纵。通过驾驶杆的前后移动，改变旋翼纵向倾斜角而改变升力方向，产生附加纵向力来操纵直升机前进或后退。（3）横侧运动操纵。通过驾驶杆的左右移动，改变旋翼横向倾斜角而改变升力方向，产生附加横侧力来实现。（4）航向运动操纵。通过改变尾桨拉力大小，改变尾桨桨距而改变尾桨拉力，来保证原定航向或进行左右转弯。287.4直升机的控制和操纵以上4种运动操纵是通过3种操纵系统来实现的，即总距操纵、周期变距操纵和尾桨操纵。总变距杆移动可以同时等量地改变所有旋翼桨叶的桨叶角，从而改变旋翼拉力。周期变距杆是用来倾斜旋转的旋翼，即使旋翼向前、向后、向左或向右以及这些方向的合成倾斜。297.4直升机的控制和操纵单旋翼直升机的操纵规律为：通过操纵总距杆的总距操纵来实现直升机的升降运动；通过操纵周期变距杆的变距操纵来