自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的基本構(gòu)造和原理

自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的基本構(gòu)造和原理自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的基本構(gòu)造包括：機(jī)身、旋翼、尾翼、起落裝置、動(dòng)力裝置、座艙儀表。如圖3-1所示。圖3-1自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的基本構(gòu)造一、 機(jī)身機(jī)身的主要功能是為其它部件提供安裝結(jié)構(gòu)。機(jī)身的常見(jiàn)材料是金屬材料和復(fù)合材料?？梢允呛附踊蚴锹菟ㄟB接，也可以采用搭配組合方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。二、 旋翼旋翼的主要功能是為自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)提供必須的升力和控制能力。常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)是帶槳轂傾斜控制的蹺蹺板式旋翼。翹翹板式旋翼，也就是兩片槳葉剛性地連接在一起，當(dāng)一片槳葉向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，另一片槳葉向下運(yùn)動(dòng)。圖3-2蹺蹺板式結(jié)構(gòu)的旋翼頭三、 尾翼尾翼由垂直尾翼和水平尾翼組成。主要功能是為自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)提供穩(wěn)定性及偏轉(zhuǎn)控制。四、 起落裝置起落裝置的功用是提供航空器起飛、著陸和地面停放之用。它可以吸收著陸沖擊能量，減少?zèng)_擊載荷，改善滑行性能。自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)一般有三個(gè)起落架，其中兩個(gè)主要起落架位于重心附近的機(jī)身兩側(cè)，起主要的支撐作用，另一個(gè)起落架在機(jī)頭或機(jī)尾。若在機(jī)尾，則稱(chēng)為后三點(diǎn)式，較適合在粗糙道面上行進(jìn)；若在機(jī)頭，則稱(chēng)為前三點(diǎn)式，為大多數(shù)自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)所采用，并且該前輪可通過(guò)方向舵腳蹬控制偏轉(zhuǎn)，以便地面滑行時(shí)靈活轉(zhuǎn)彎。輪式起落架一般設(shè)有減震裝置，能吸收大部分著陸能量，可以在硬性路面上進(jìn)行滑行起飛和降落。能在水上起降的自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)，采用浮桶式起落架。五、 動(dòng)力裝置為自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)提供動(dòng)力，推動(dòng)其前進(jìn)的裝置稱(chēng)為動(dòng)力裝置。它由發(fā)動(dòng)機(jī)、燃料系統(tǒng)以及導(dǎo)管、附件儀表等組成。在地面，動(dòng)力裝置提供旋翼系統(tǒng)預(yù)旋的動(dòng)力；飛行時(shí)，動(dòng)力裝置不為旋翼系統(tǒng)提供動(dòng)力。六、座艙儀表座艙儀表是提供給飛行員觀(guān)察和判斷飛行狀態(tài)，以做出正確的操縱控制。它們一般包括發(fā)動(dòng)機(jī)儀表（如轉(zhuǎn)速表、油壓表等）、氣動(dòng)儀表（如空速表、升降速度表等）、電子儀表（如地平儀、導(dǎo)航儀）等。不同的自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)根據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度選裝不同配置的儀表。圖3-6為常見(jiàn)的自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)座艙儀表。圖3-6常見(jiàn)的自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)座艙儀表自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的工作原理自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)是通過(guò)旋翼來(lái)產(chǎn)生升力的，因此，了解旋翼空氣動(dòng)力的產(chǎn)生和變化，是掌握自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)運(yùn)動(dòng)規(guī)律和操縱原理的基礎(chǔ)。本章介紹旋翼、槳葉的工作參數(shù)，分析旋翼升力、阻力的產(chǎn)生和影響因素，以及槳葉運(yùn)動(dòng)的空氣動(dòng)力。第一節(jié)旋翼和槳葉一、旋翼（一） 旋翼直徑和槳盤(pán)載荷旋翼直徑：旋翼旋轉(zhuǎn)時(shí)，槳尖所劃圓圈的直徑，叫做旋翼直徑，用D表示。如圖4-1所示。圖4-1旋翼直徑槳盤(pán)面積：槳葉旋轉(zhuǎn)所劃圓的面積，叫槳盤(pán)面積，用F表示。槳盤(pán)載荷：自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的飛行重量與槳盤(pán)面積的比值，叫做槳盤(pán)載荷。即式中：P-槳盤(pán)載荷（千克/米2）G-旋翼機(jī)的飛行重量（千克）F-旋翼的槳盤(pán)面積（米2）（二） 旋翼實(shí)度（或稱(chēng)充填系數(shù)）所有槳葉面積之和同槳盤(pán)面積的比值，叫做旋翼實(shí)度，用a表示。式中K-片數(shù)F-一片槳葉的面積（米2）（三）旋翼轉(zhuǎn)速和槳轂旋轉(zhuǎn)平面旋翼轉(zhuǎn)速：旋翼每分鐘旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)，叫旋翼轉(zhuǎn)速，用n表示。旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)的快慢又可用角速度（Q）表示。角速度以每秒鐘轉(zhuǎn)過(guò)的弧度為單位（弧度/秒）。兩者的關(guān)系為：Q=2n（n/60）=nn/30（弧度/秒）圓周速度（Qr）：槳葉某一切面在旋轉(zhuǎn)中的切向速度。其數(shù)值等于旋翼的旋轉(zhuǎn)角速度和該切面至旋轉(zhuǎn)中心的距離的乘積，即Qr。槳轂旋轉(zhuǎn)平面：槳轂旋轉(zhuǎn)時(shí)與槳轂軸垂直的旋轉(zhuǎn)平面，叫槳轂旋轉(zhuǎn)平面。在研究問(wèn)題時(shí)，它是槳葉和旋翼很重要的基準(zhǔn)面。（四） 旋翼的有效工作面積旋翼工作時(shí)，整個(gè)槳盤(pán)面積并不都有效地產(chǎn)生拉力。槳葉尖端由于存在槳尖渦流，槳盤(pán)上下壓力差減小，產(chǎn)生的拉力很小。槳轂不產(chǎn)生拉力，因此，在計(jì)算有效面積時(shí)應(yīng)減去旋翼槳盤(pán)面積的中心和邊緣部分。有效面積約為槳盤(pán)面積的92%-96%。（五） 旋翼迎角旋翼迎角：相對(duì)氣流與槳轂旋轉(zhuǎn)平面之間的夾角，叫旋翼迎角。二、槳葉（一）槳葉的平面形狀槳葉通常有矩形、梯形、混合梯形和槳尖具有后掠形，目前旋翼機(jī)普遍采用矩形槳葉。如圖4-2所示。圖4-2槳葉的平面形狀（二） 槳葉的切面形狀槳葉通常為平凸型、雙凸型和對(duì)稱(chēng)型，如4.3圖所示。自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)通常采用S翼型，如8H-12翼型。圖4-3槳葉的切面型狀（三） 槳葉的工作參數(shù)槳葉切面安裝角槳葉的弦線(xiàn)與槳轂旋轉(zhuǎn)平面之間的夾角，叫槳葉安裝角，用9表示。如圖4-4所示。相對(duì)于槳轂旋轉(zhuǎn)平面，槳葉前緣高于后緣，9為正。槳距：槳葉半徑等于0.7R處的切面(該切面稱(chēng)特性切面)的安裝角?？偩啵焊髌瑯~的槳距的平均值叫旋翼的總距，用97表示。圖4-4槳葉安裝角槳葉切面迎角槳葉旋轉(zhuǎn)時(shí)，槳葉切面的相對(duì)氣流合速度(W)與其翼弦之間的夾角，用a表示。相對(duì)氣流從弦線(xiàn)下方吹來(lái)，迎角為正。通常特性切面的迎角，叫槳葉迎角，用a7表示。槳葉迎角和旋翼迎角是不同的。槳葉切面來(lái)流角槳葉的相對(duì)氣流合速度W與槳轂旋轉(zhuǎn)平面的夾角。用￡表示。相對(duì)氣流合速度與槳轂旋轉(zhuǎn)平面一般是不平行的。W從上方吹向槳轂旋轉(zhuǎn)平面，e為正；反之，從下方吹向槳轂旋轉(zhuǎn)平面，e為負(fù)。如圖4-5所示。圖4-5槳葉安裝角、迎角、來(lái)流角三者的關(guān)系從圖4-5中不難看出，安裝角、槳葉迎角、來(lái)流角三者之間的關(guān)系為：a=9-E第二節(jié)旋翼的自旋一、 自旋直升機(jī)和自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)之間的一個(gè)根本不同：在于依靠動(dòng)力維持飛行的過(guò)程中，直升機(jī)通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力旋轉(zhuǎn)翼面，從上方吸收氣流；自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)旋翼系統(tǒng)工作在自旋狀態(tài)下。這意味著旋翼依靠向上流過(guò)翼面的氣流維持自身的自由旋轉(zhuǎn)。在自旋過(guò)程中產(chǎn)生的力一方面維持旋翼的旋轉(zhuǎn)，另一方面產(chǎn)生將飛行器維持在空中的升力。從空氣動(dòng)力學(xué)的角度而言，在正常飛行時(shí)自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)旋翼系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)和直升機(jī)的旋翼系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)失效時(shí)，向前自旋下降時(shí)的運(yùn)轉(zhuǎn)方式一樣。如圖4-6所示。圖4-6在自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)上氣流通過(guò)旋翼系統(tǒng)的方向和動(dòng)力飛行狀態(tài)下的直升機(jī)相反二、 垂直自旋當(dāng)旋翼機(jī)垂直下降時(shí)，槳葉也可以產(chǎn)生自旋，這稱(chēng)為垂直自旋。由于旋翼機(jī)做垂直下降，這相當(dāng)于有一個(gè)垂直氣流吹向槳葉，另外，由于槳葉在自旋，這相當(dāng)于有一個(gè)與槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)面平行的氣流吹向槳葉。也就是說(shuō)，有兩股氣流吹向槳葉（見(jiàn)圖4-7，圖中所示為槳葉的某一剖面）。其中，吹向槳葉的垂直氣流的速度通常是不變的，等于下降速度，而平行槳盤(pán)吹向槳葉某一剖面的氣流速度實(shí)際上是該槳葉剖面轉(zhuǎn)動(dòng)的線(xiàn)速度，其大小正比于該槳葉剖面到轉(zhuǎn)軸的半徑，也就是說(shuō)，在槳盤(pán)外側(cè)槳尖處，平行槳盤(pán)吹向槳葉的氣流速度大，在槳盤(pán)內(nèi)側(cè)槳轂處，平行槳盤(pán)吹向槳葉的氣流速度?。ㄒ?jiàn)圖4-8）。旋翼上某一槳葉剖面升力的定義跟固定槳葉上升力的定義是相同的，升力方向都是垂直于相對(duì)氣流的方向。注意，槳葉剖面的升力與旋翼升力的概念是不同的，旋翼上垂直于飛行方向的力稱(chēng)為旋翼升力，由圖圖4-8可見(jiàn)。圖4-7某一槳葉剖面所處的相對(duì)氣流與合成的相對(duì)氣流圖4-8槳尖和槳轂處的相對(duì)氣流三、 槳盤(pán)分區(qū)無(wú)論選用何種翼型，平行槳盤(pán)吹向槳葉的氣流速度從槳轂到槳尖逐漸增大，而向上氣流速度不變，因此，從槳尖到槳轂迎角逐漸增大（在槳葉沒(méi)有扭轉(zhuǎn)的條件下）。這樣，在槳轂附近，由于迎角大，可能超過(guò)失速迎角，槳轂附近就稱(chēng)為失速區(qū)（見(jiàn)圖4-9）。在槳尖附近，由于迎角小，升力幾乎都在垂直方向，略向前（即槳葉運(yùn)動(dòng)方向）傾斜，加上阻力后，合力就略向后傾斜，這意味著合力阻礙槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)，這里就稱(chēng)為被動(dòng)區(qū)，由于此處的升力、阻力特性就像直升機(jī)螺旋槳一樣，因此，也稱(chēng)為螺旋槳區(qū)，另外，由于槳尖附近相對(duì)氣流速度高，升力大，平衡自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)重量的旋翼升力大部分都是在此區(qū)產(chǎn)生的。在槳葉中段，迎角逐漸增大，升力向前（即槳葉運(yùn)動(dòng)方向）傾斜的角度也增大，加上阻力后，合力向前傾斜，這意味著合力驅(qū)使槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)，這里就稱(chēng)為驅(qū)動(dòng)區(qū)，因?yàn)闃~不需要發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)而自行轉(zhuǎn)動(dòng)。圖4-9被動(dòng)區(qū)/驅(qū)動(dòng)區(qū)/失速區(qū)圖4-10槳葉不同部位產(chǎn)生的力旋翼槳尖部位的受力主要是垂直向上的（參見(jiàn)圖4-10），正是這部分垂直向上的力（即旋翼升力）使自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)飛在空中，而在旋翼的中間部位，旋翼主要受到推力而向前轉(zhuǎn)動(dòng)。四、 前飛行時(shí)旋翼的自旋前面，我們講述了自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)垂直下降時(shí)，旋翼的相對(duì)氣流、迎角以及槳盤(pán)的分區(qū)。自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)通常的飛行狀態(tài)是前飛，此時(shí)旋翼的相對(duì)氣流速度就要考慮前飛速度。前行槳葉的相對(duì)氣流速度是轉(zhuǎn)動(dòng)速度加上前飛速度，升力增大；后行槳葉的相對(duì)氣流速度是轉(zhuǎn)動(dòng)速度減去前飛速度，升力減小。前行和后行槳葉的相對(duì)氣流速度不同，導(dǎo)致槳盤(pán)左右兩側(cè)的升力不對(duì)稱(chēng)，為了避免升力不對(duì)稱(chēng)，可以讓前行槳葉向上揮舞以減小迎角和升力，同時(shí)另一側(cè)的后行槳葉向下?lián)]舞以增大迎角和升力。實(shí)現(xiàn)槳葉上下?lián)]舞的機(jī)構(gòu)如圖4-11所示，旋翼圍繞揮舞鉸做蹺蹺板式的上下?lián)]舞。圖4-11槳葉上下?lián)]舞的機(jī)構(gòu)具體來(lái)說(shuō)，前行槳葉產(chǎn)生的升力大于后行槳葉產(chǎn)生的升力，那么前行槳葉向上揮舞，同時(shí)，后行槳葉將向下?lián)]舞。由于槳葉的向上揮舞或向下?lián)]舞，導(dǎo)致流向槳葉的相對(duì)氣流的方向發(fā)生變化，即迎角發(fā)生變化。槳葉的向上揮舞導(dǎo)致迎角減小，槳葉的向下?lián)]舞導(dǎo)致迎角增大。槳葉前行時(shí)迎角減小，這就增大了被動(dòng)區(qū)，槳葉后行時(shí)迎角增大，這就增大了失速區(qū)，這樣使槳盤(pán)的分區(qū)向后行槳葉一側(cè)偏移（參見(jiàn)圖4-12）。圖4-12后行槳葉失速后行槳葉失速前飛時(shí)自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)后行槳葉失速發(fā)生在從槳轂向外20%到40%左右區(qū)域（見(jiàn)圖4-12），而直升機(jī)后行槳葉失速發(fā)生在槳尖。由于自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)后行槳葉失速是固有的，失速區(qū)在后行槳葉內(nèi)側(cè)，隨著前飛速度增大，后行槳葉的迎角需要增大以避免左右兩側(cè)力不對(duì)稱(chēng)，這樣，失速區(qū)會(huì)向后行槳葉的外側(cè)移動(dòng)，因?yàn)槭賲^(qū)是由內(nèi)側(cè)向外側(cè)發(fā)展，并不像直升機(jī)失速一開(kāi)始就出現(xiàn)在槳尖（在槳葉沒(méi)有扭轉(zhuǎn)的條件下，直升機(jī)從槳轂到槳尖迎角逐漸增大，剛好與自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)相反），所以，相對(duì)自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的重心，力矩變化較小，駕駛員可能感到抖動(dòng)有一點(diǎn)增加，但不會(huì)感覺(jué)會(huì)有較大俯仰或滾轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。第三節(jié)旋翼的平衡一、旋翼的錐體和拉力的方向旋翼拉力的方向與旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所處的位置有關(guān)。旋翼不旋轉(zhuǎn)時(shí)，槳葉受本身重力的作用而下垂。旋翼旋轉(zhuǎn)時(shí)，每片槳葉上的作用力除重力外，還有空氣動(dòng)力和慣性離心力。圖4-13旋翼上揮形成錐體如圖4-13所示，當(dāng)旋翼高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，槳葉拉力（T葉）對(duì)槳轂形成使槳葉上揮的力矩。重力（G葉）對(duì)槳轂形成的力矩使槳葉下垂。慣性離心力康慣）將槳葉向外拉。三個(gè)外力迫使旋翼產(chǎn)生彈性變形形成向上揮舞的錐體，從而使旋翼處于平衡狀態(tài)。旋翼的槳葉不論轉(zhuǎn)到哪個(gè)方位，都是向上傾斜的，所以拉力向內(nèi)傾斜。旋翼產(chǎn)生的拉力始終與槳盤(pán)法線(xiàn)方向一致。當(dāng)旋翼受到氣流擾動(dòng)或由于機(jī)動(dòng)飛行使兩片槳葉的氣流速度不一致時(shí)，旋翼會(huì)自發(fā)地產(chǎn)生揮舞運(yùn)動(dòng)來(lái)平衡兩槳葉的不均勻拉力。二、旋翼的揮舞運(yùn)動(dòng)旋翼的揮舞運(yùn)動(dòng)，即旋翼葉片在繞旋翼轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的同時(shí)周期性地上下運(yùn)動(dòng)。這是旋翼用來(lái)抵消由于速度差產(chǎn)生的升力不均勻的主要途徑。圖4-14旋翼?yè)]舞時(shí)迎角的變化在槳盤(pán)的一邊，葉片向前運(yùn)動(dòng)（與飛行方向一致），稱(chēng)前行槳葉；而另一邊葉片向后運(yùn)動(dòng)（稱(chēng)后行槳葉）。由于整個(gè)飛行器是向前飛行的，前后行槳葉存在速度差。前行槳葉上某一點(diǎn)的來(lái)流速度等于旋轉(zhuǎn)的線(xiàn)速度加上飛行速度；而后行槳葉上相對(duì)稱(chēng)的一點(diǎn)上的來(lái)流速度等于旋轉(zhuǎn)的線(xiàn)速度減去飛行速度。速度差的存在使得前行槳的升力大于后行槳產(chǎn)生的升力，這稱(chēng)為升力的不對(duì)稱(chēng)。翹翹板式的旋翼依靠周期性的揮舞運(yùn)動(dòng)來(lái)自發(fā)地抵消升力的不對(duì)稱(chēng)。由于廣義不平衡力的存在，旋翼在慣性力的作用下產(chǎn)生周期性的揮舞運(yùn)動(dòng)，而揮舞運(yùn)動(dòng)使旋翼在旋轉(zhuǎn)的各個(gè)位向上的實(shí)際迎角發(fā)生變化，從而產(chǎn)生附加的氣動(dòng)力來(lái)平衡兩邊升力的不對(duì)稱(chēng)。如圖4.14所示，在0°至180°方位內(nèi)，槳葉的相對(duì)氣流速度大；在180°至360°方位內(nèi)，相對(duì)氣流速度較小。由0°至90°方位，相對(duì)氣流速度逐漸增大。槳葉相對(duì)氣流速度增大愈多，由于槳葉自動(dòng)調(diào)整拉力向上揮舞的就愈快，在90°方位槳葉相對(duì)氣流速度增大最多，上揮最快。由90°至180°方位，相對(duì)氣流速度的增量逐漸減小，上揮速度逐漸減慢，但槳葉仍繼續(xù)上揮。轉(zhuǎn)至180°方位，相對(duì)氣流速度的增量為零，槳葉上揮速度為零，但槳葉揮舞的位置最高。槳葉揮舞最快和最高的方位相差90°。由于蹺蹺板式旋翼的特點(diǎn)是一邊向上運(yùn)動(dòng)，一邊則向下運(yùn)動(dòng)，一邊向上運(yùn)動(dòng)的速度與另一邊向下運(yùn)動(dòng)的速度大小一樣，方向相反，因此，當(dāng)一片槳葉在0°至90°方位