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旋翼机的空气动力学的原理是怎样的?

日期:2021-09-27 10:25:17 


直升机和旋翼机都是通过旋翼来产生升力的,因此解释升力产生的许多基本空气动力学原理对两种飞行器而言是相同的。今天给大家分享关于旋翼机的知识。


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自 旋




直升机和旋翼机之间一个根本的不同在于:在依靠动力维持飞行的过程中,旋翼机旋翼系统工作在自旋状态下。这意味着旋翼依靠向上流过翼面的气流维持自身的自由旋转,而不是通过发动机的动力旋转翼面,从上方吸收气流。



图1是在自旋过程中产生的力一方面维持旋翼的旋转,另一方面产生将飞行器维持在空中的升力。从空气动力学的角度而言,在正常飞行时旋翼机旋翼系统的运转和直升机的旋翼系统在发动机失效时,向前自旋下降时的运转方式一样。

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图1 在旋翼机上气流通过旋翼系统的方向和动力飞行状态下的直升机相反


这些气流是把动力从旋翼机发动机传送到旋翼系统并保持旋翼自转的媒介。







垂直自旋





在垂直自旋过程中,旋翼桨片遇到的相对风由两个基本的组成部分。如图2所示,一个是向上的通过旋翼系统的空气流,在一个给定的飞行条件下该气流保持相对不变。另一个分量是桨叶旋转造成的周向气流(旋转方向的相对气流,译者注),这个分量的大小和离开旋翼叶毂的距离关系很大。

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图2 在垂直自旋中,桨叶旋转造成的相对气流和向上的气流合成了最终流经翼型表面的气流


举例来说,考虑一个转速300转/分钟(r.p.m) 的直径25英尺的桨盘,在离开旋翼叶毂1英尺的位置上的一点,桨叶沿着一个周长6.3英尺的圆运动,这时的线速度大约为31.4英尺/秒(f.p.s) 或者21英里/小时(m.p.h)。在翼尖上的一点,旋转周长大约是78.5英尺,在同样的转速下,速度大约为393英尺/秒,或者267英里每小时。这样情况下造成的结果是翼尖的相对风速更大,而相对于旋翼的攻角更小,如图3。

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图3 沿着旋翼向外移动,旋转速度的增加超过了气流的向上的速度分量,造成更快的相对气流和更低的攻角。





浆盘分区




无论选用什么样的翼型,旋翼产生的升力总是垂直于相对气流的方向。处于自旋中的旋翼相对气流的攻角在内侧较大而在外侧较小,因此靠近桨毂的内侧旋翼产生的升力具有较大的向前分量,而靠近翼尖的旋翼产生较大的垂直分量。这种现象造成了桨盘的不同功能分区,从而产生自旋状态下飞行所必需的力。


如图4所示,自旋区域,又称驱动区域,产生的总气动力 (TAF) 的前向分量超过所有后向空气阻力的总和,从而保持了桨叶的旋转。螺旋桨区,又称被驱动区,产生的总气动力具有较大的垂直分量,从而保证旋翼机能够在空中飞行。靠近桨盘中心是失速区,在失速区里桨叶周向运动的相对气流太小,以至于合成气流的角度超过了翼型的失速极限。失速区对桨叶旋转产生空气阻力,必须依靠驱动区域产生的前向力来克服。

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图4 总气动力在被驱动区落后于旋转轴,在驱动区领先于旋转轴。空气阻力是失速区的主要气动力。






向前飞行时的自旋




截至目前我们讨论的都只是旋翼机垂直下降时自旋的空气动力学。通常情况下,旋翼机都是向前飞行的,因此,由于向前的飞行速度引起的相对气流与旋翼的相互作用也必须考虑在内。这个气流分量不影响桨叶自旋的空气动力学原理,但是会造成桨盘不同区域的形状变化。


当旋翼机在空气中向前运动时,向前的运动速度对于前行桨叶而言将造成相对气流的速度加快,对后行叶而言则减小相对气流的速度。为了应对桨盘两侧升力的不平衡,前行桨叶在跷跷板的作用下翘起以减小攻角和升力,与此同时后行桨叶向下以增加攻角和升力。前行桨叶的攻角减小导致驱动区域变大,后行桨叶的攻角增加导致更大的失速区域。向前飞行导致原有的桨盘分区向后行桨叶方向移动,其大小和程度和飞行器的飞行速度大小有关。参见图5。

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图5 向前自旋飞行的桨盘分区





旋翼受力分析




同任何重于空气的飞行器一样,旋翼机飞行时也受到升力、重力、推力和阻力这四种力的作用。旋翼机的升力来自于旋翼系统,推力直接来自螺旋桨。如图6所示,旋翼产生的力可以分为两个分量:旋翼升力和旋翼空气阻力。垂直于飞行路径的是旋翼升力,平行于飞行路径的是空气阻力。为了推出整体的飞行器空气阻力反应,必须把机身空气阻力计算在内。

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图6 在向前飞行时旋翼机的旋翼系统所受的气动合力方向与直升机相反





旋翼升力




旋翼升力可以简单的想象成为支撑飞行器重量的升力。当翼面产生升力的同时,空气阻力也就伴随着产生了。对一个给定的翼型,最有效的攻角是产生最大升力和最小阻力的角度。然而旋翼桨叶并不是工作在这种有效的角度,在每一圈的旋转过程中攻角都在发生变化。而且,旋翼系统必须保持一定的自旋桨距以持续地产生升力。有一些旋翼机安装了小的附加机翼以便在较高巡航速度飞行时产生升力,这些附加的机翼产生的升力可以作为旋翼升力的补充,甚至可以完全取代旋翼升力。





旋翼空气阻力




合成的旋翼空气阻力,是作用在桨叶的每个桨叶位置上的旋翼空气阻力的总合,每一个桨叶位置的贡献根据速度和角度的不同而不同。当旋翼桨叶旋转的时候,根据不同的位置、旋翼速度、飞行速度等的不同,空气阻力也在不断的快速变化。桨盘攻角的变化可以快速有效地影响空气阻力的变化。


旋翼阻力可以分为诱导阻力 (induced drag) 和翼型阻力 (profile drag)。诱导阻力是升力的结果,而翼型阻力是旋翼转速的函数。由于诱导阻力旋翼产生升力的结果,翼型阻力可以被看作是不产生升力时的旋翼阻力。这个阻力可以被理解成在不产生升力的情况下,预旋时为了达到给定的飞行转速所要克服的空气阻力。在具备对称翼型和可变桨距的旋翼机上,这种工作状态可以通过设置旋翼攻角为0°实现。对于安装非对称翼型和固定桨距角的旋翼系统,必须在预旋时克服诱导阻力,而大多数的业余制作的安装跷跷板的旋翼系统正是属于这一类。





推力




自旋翼机的推力定义为螺旋桨产生的气动力中平行于相对来流的分量。和其他的作用于飞行器的力一样,推力作用在重心(译者:center of gravity,简称CG,是自旋翼机的重要常用缩写之一)附近。根据推力作用的位置与重心的关系,螺旋桨的气动力会有一个较小的垂直于相对来流的分量,并且根据位置关系可以表现为额外的升力或者重量。


飞行的时候,机身本质上相当于一个悬挂在旋翼系统下面的重锤,因此容易产生类似于直升机的钟摆运动 (pendularaction)。和直升机不同的是,自旋翼机的推力直接作用于机身之上而不是通过旋翼系统获得。由此,在飞行的时候作用在自旋翼机和直升机上的力也不尽相同。例如:发动机力矩会使得机身向与螺旋桨转向相反的方向偏转几度,从而使得机身偏离垂直平面。如图7所示,通常在大多数的飞行条件下,这种轻微的偏斜是可以忽略的,也不会产生重要影响。


钟摆运动—由于悬挂在旋翼系统下方造成的机身的横向或者纵向摆动,类似于钟摆的运动。

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图7 作用在螺旋桨上的发动机力矩有一个大小相同,方向相反的力矩作用在机身上,使得机身在飞行时偏离垂直方向一些。





稳定性




飞行器的稳定性有助于减轻飞行员的负担增加安全性。类似于典型的通用飞行教练机一样,一架稳定的飞行器,需要飞行员较少的精力去维持期望的飞行的姿态,在遇到阵风 (Gust of wind) 或者其他外力的影响的时候会自动修正姿态。相反的,一架不稳定的飞机需要飞行员持续不断的保持注意力以维持飞机的控制。


有很多因素影响自旋翼机的稳定性。其中一个是水平安定面的位置。另一个是机身阻力与重心的关系。再有就是绕俯仰轴的惯性距和螺旋桨推力线与重心的垂直位置的关系。然而,最重要的因素是旋翼力的作用线和重心水平位置的关系。





水平安定面




水平安定面有助于增加纵向的稳定性,离开重心越远越是有效。因为升力正比于速度的平方,所以飞行速度越高水平安定面也就越有效,由于自旋翼机的速度不是很高,制造者可以通过改变水平安定面的大小,调整到重心的距离,或者放置在螺旋桨滑流 (slipstream) 中来获得期望的稳定性。





机身阻力




如果机身阻力或者压力中心位于重心的后面,自旋翼机被认为是更稳定的设计,对于绕垂直轴的偏航运动尤其是这样。为了达到这个条件就必须有足够大的垂直尾翼面。另外,自旋翼机需要一个平衡的纵轴压力重心,以获得足够的周期运动 (cyclicmovement) 防止机头压低或者抬升,当速度增加时前面的区域聚集了很多的压力。






仰卧惯量




不用改变整体重量和重心位置,把重量配置得离重心越远,自旋翼机就越稳定。例如,将飞行员的座位从重心向前移,将发动机从重心向后移,保持重心不变的情况下,自旋翼机会变得更加稳定。这和走钢丝者 (tightrope walker) 用一根长棍来增加自身的平衡是相同的原理。





螺旋桨推力线




仅针对螺旋桨推力线本身而言,如果高于重心,当增加推力的时候,自旋翼机会有头部向下的趋势,而推力减小是会有抬头的趋势。螺旋桨推力线低于重心时,相反的情况会发生;如果推力线恰好通过重心或者在附近通过时,自旋翼机就不会有头部俯仰的动作发生。如图8所示。

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图8 螺旋桨推力线高于重心的自旋翼机通常称为低姿 (LowProfile) 自旋翼机;螺旋桨推力线低于重心的被认为是高姿 (HighProfile) 自旋翼机。





旋翼力




由于一些自旋翼机根本没有水平稳定面,而且螺旋桨推力线也是各不相同,自旋翼机的制造者可以通过把重心调整到旋翼力线的前面或者后面来获得期望的稳定性。如图9,假设向前飞行时CG位于旋翼力线的后方。如果阵风增加了攻角,旋翼力增大了,这同时导致了先后行桨叶的升力差,从而增加了桨叶挥舞角,导致旋翼的抬起。这个俯仰动作增加了相对于重心的力矩,导致攻角的进一步增加,这样的结果是一种不稳定的状态。如果CG位于旋翼力线的前方,阵风增加了攻角,导致桨盘产生同样的反应,但是这时旋翼力的增大和桨叶挥舞将减小力矩,从而减小攻角,这种情况就是一种稳定状态。

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图9 重心位与旋翼力线的前方的旋翼机比重心位与旋翼力线后方更稳定





配平条件




如前所述,制造者通过组合不同的稳定性因素来获得一架配平的自旋翼机 (trimmed gyroplane)。例如,如果你有一架重心低于螺旋桨推力线的自旋翼机,在加力的时候螺旋桨推力会造成头部向下的俯仰力矩。在这种类型的自旋翼机上, 为了补偿这种俯仰力矩,重心通常位于旋翼力线的后方。这个位置会产生一个抬头的俯仰力矩。相反的,如果重心高于螺旋桨推力线,重心通常在那个位于旋翼力线的前方。当然,机身阻力的位置,俯仰惯量和附加的水平稳定面都可以影响重心的位置。




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