07旋翼飛行器技術(shù)課件

旋翼機技術(shù)

飛行器設(shè)計與應(yīng)用力學(xué)系

07旋翼飛行器技術(shù)直升機定義以旋翼作為主要升力來源，并可垂直起降的飛行器；具有一個或兩個旋翼，旋翼軸近于鉛直，產(chǎn)生向上的拉力平衡總重；并可通過特殊機構(gòu)產(chǎn)生前、后、左、右分力使直升機可垂直起落、空中懸停，向任一方向靈活飛行。07旋翼飛行器技術(shù)騰空而起直升機方式（1）需要更大的馬力重量比的發(fā)動機（2）旋翼左右不對稱的旋轉(zhuǎn)升力面氣動、強度、平衡和操縱難于左右對稱的固定翼飛機07旋翼飛行器技術(shù)騰空而起（鳥）萊特兄弟發(fā)明飛機；需要跑道（草地、緩坡）“正規(guī)”的混凝土跑道起飛、著陸；飛機的滑跑速度、重量和對跑道的沖擊，要求有增無減；連簡易跑道也是高速公路等級的?，F(xiàn)代戰(zhàn)斗機和其他高性能軍用飛機對平整、堅固的長跑道的需求增加07旋翼飛行器技術(shù)投產(chǎn)日期第一代1946～1955第二代1956～1965第三代1966～1975第四代1976～特征活塞式發(fā)動機木質(zhì)混合式槳葉渦輪軸發(fā)動機金屬槳葉

玻璃纖維槳葉復(fù)合材料新型旋翼系統(tǒng)空重/總重0.750.600.55<0.5最大飛行速度<200公里/小時250公里/小時300公里/小時近于350公里/小時旋翼槳葉壽命600小時1200小時>3600小時近于無限壽命全機振動水平0.20g0.15g0.10g

近于0.05g噪音水平110分貝100分貝90分貝

小于80分貝飛行品質(zhì)（庫珀－哈珀駕駛員評定等級）4.5級3.5級3級

近2級

型號舉例

貝爾47直－5

米8

SA321（超黃蜂）BO-105WG-13(山貓)SA350(松鼠)SA360(海豚)S-70(YUH-60A)

07旋翼飛行器技術(shù)“萬用”的直升機直升機的獨特優(yōu)：★垂直起落、懸?！锪己玫牡退亠w行性能使直升機可廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域、各種環(huán)境。07旋翼飛行器技術(shù)★救生：海上、失火樓頂、山區(qū)、搶救傷員07旋翼飛行器技術(shù)★運輸：

石油平臺、山區(qū)、市區(qū)、吊運07旋翼飛行器技術(shù)★公安：交通巡查、滅火、追捕

07旋翼飛行器技術(shù)★特種作業(yè)：吊運、吊裝、

管線巡查、空中攝影等07旋翼飛行器技術(shù)★軍事：攻擊、反潛攻艦、機降和運輸、戰(zhàn)勤07旋翼飛行器技術(shù)

直升機是萬用、萬歲的飛行器。

伊戈爾.西科斯基預(yù)言：直升機將如同私人轎車，走進千家萬戶。07旋翼飛行器技術(shù)直升機誕生已70年，仍遠未普及世界民用直升機現(xiàn)有量：2.5萬架中國民用直升機現(xiàn)有量：120余架對比：世界民用飛機總量：約40萬架07旋翼飛行器技術(shù)直升機分類

輕型直升機－3噸以下（延－2，BO105)多用途直升機－3~7噸（直－5，海豚)中型運輸直升機－7~16噸（米－8，超黃蜂)重型直升機16噸以上（CH－53，米－6)07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)直升機分類按反扭矩的補償方式單旋翼帶尾槳形式；共軸雙旋翼形式；縱列式；橫列式；橫列交叉式；傾轉(zhuǎn)旋翼式；07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)CH-4707旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)米-1207旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)

一、直升機的發(fā)展歷史公元4世紀我國晉代一書《抱樸子》

“竹蜻蜓”中國陀螺(chinesetop)

公元15世紀意大利科學(xué)家達芬奇畫，最早的直升機設(shè)計方案；本世紀30年代德國、法國、美國載人直升機

07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)1923年西班牙人J·西爾瓦發(fā)明鉸接式旋翼

1926年英國人H·葛勞渥發(fā)表了旋翼機的一般理論

1942年，美籍俄人I·西科斯基（I·Sikorsky）試飛成功直升機VS---300里程碑60年成批生產(chǎn)了鉸接式單旋翼直升機R—41946年美國人L·貝爾（LBell）翹板式單旋翼直升機貝爾—47獲得了美國政府第一次頒發(fā)的直升機適航證07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)中國竹蜻蜓2,000多年；達·芬奇在15世紀設(shè)計直升機草圖；

1796年，英國人GeorgeCayley設(shè)計了第一架用發(fā)條作動力、能夠飛起來的直升機；

1842年，英國人W.H.Philips用蒸氣機作動力，設(shè)計了一架只有9公斤重的模型直升機。1878年，意大利人EnricoForlanini用蒸氣機制作了一架只有3.5公斤重的模型直升機07旋翼飛行器技術(shù)D'Ascanio的直升機是第一個現(xiàn)代意義上的直升機，能完成前飛，具有基本的飛行控制能力07旋翼飛行器技術(shù)1880年，美國發(fā)明家托馬斯·愛迪生開始研制用電動機驅(qū)動的直升機，最后放棄；1907年，法國人PaulCornu制成第一架載人的直升機，旋翼轉(zhuǎn)速每分鐘90轉(zhuǎn)，發(fā)動機一臺24馬力的汽油機。Cornu用旋翼下的“舵面”控制飛行方向和產(chǎn)生前進的推力，但Cornu的直升機的速度和飛行控制能力很可憐。07旋翼飛行器技術(shù)1923年，JuandelaCierva在設(shè)計旋翼機時，無意中解決了直升機的一個重大問題，他發(fā)明的揮舞鉸解決了困擾直升機旋翼設(shè)計的一個重大問題；1930年10月，意大利人CorradinoD‘Ascanio設(shè)計的共軸反轉(zhuǎn)雙槳直升機是公認的第一架現(xiàn)代意義上的直升機，在18米高度上前飛了800多米的距離；德國人AntonFlettner設(shè)計的FL282是第一種量產(chǎn)直升機，在二戰(zhàn)中為德國海軍生產(chǎn)了近1,000架；07旋翼飛行器技術(shù)30年代德國的FW61直升機07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)主要技術(shù)發(fā)動機（渦流軸）槳葉：改善飛行性能（由金屬到復(fù)合材料）達到無限壽命槳轂改善使用效能（彈性，柔性）07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)直升機概況八十年代初，世界上估計已有四萬多架直升機在各地使用總重由初期的1噸左右提高到今天的100噸以上

最大飛行速度由初期的150公里/小時左右發(fā)展到今天的350公里/小時以上

07旋翼飛行器技術(shù)直升機的主要特點直升機：旋翼(rotary-wing)：升力面、操縱面、推進器；不需跑道，可垂直起降，可懸停。氣動效率較低；飛行速度較低?？删S護較差，壽命較短；載重較小；經(jīng)濟性差；振動較大，舒適性差；操縱較難，穩(wěn)定性差；07旋翼飛行器技術(shù)飛機：升力面：機翼；操縱面：升降舵、方向舵、襟副翼；推進器：螺旋槳、噴氣發(fā)動機；氣動效率較高；需要跑道；飛行速度大；升限高；壽命較長；載重大，經(jīng)濟性好；平穩(wěn)舒適；操縱容易，穩(wěn)定性好；07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)直升機構(gòu)造特點槳穀槳葉自動傾斜器尾槳機身起落架傳動系統(tǒng)07旋翼飛行器技術(shù)拉扭式槳穀構(gòu)造07旋翼飛行器技術(shù)層壓彈性軸承07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)星形柔性槳穀07旋翼飛行器技術(shù)離心力的傳遞槳穀變距運動07旋翼飛行器技術(shù)揮舞運動擺振運動07旋翼飛行器技術(shù)無軸承旋翼07旋翼飛行器技術(shù)EC-13507旋翼飛行器技術(shù)hingelessbearingless07旋翼飛行器技術(shù)Bo-105無鉸槳葉07旋翼飛行器技術(shù)Bo-105槳轂07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)金屬槳葉07旋翼飛行器技術(shù)復(fù)合材料槳葉07旋翼飛行器技術(shù)自動傾斜器07旋翼飛行器技術(shù)尾槳07旋翼飛行器技術(shù)機身07旋翼飛行器技術(shù)起落架07旋翼飛行器技術(shù)傳動系統(tǒng)07旋翼飛行器技術(shù)主減速器07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)連軸節(jié)07旋翼飛行器技術(shù)離合器07旋翼飛行器技術(shù)周期變距吹風揮舞：當氣流左右不對稱時引起槳尖平面后倒；當迎角前后不對稱時引起槳尖平面?zhèn)鹊?；氣動輸入與揮舞輸出相差90度；自動傾斜器07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)直升機飛行原理旋翼產(chǎn)生空氣動力飛行時形成倒錐體；拉力矢量垂直于槳尖軌跡平面07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)自動傾斜器07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)旋翼拉力作用07旋翼飛行器技術(shù)直升機飛行原理槳葉葉素剖面的來流和迎角07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)旋翼錐體的形成07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)尾槳的作用和特點尾槳產(chǎn)生拉力用以克服旋翼的扭矩。通過改變尾槳拉力實現(xiàn)對直升機的航向操縱。某些直升機的尾槳軸與旋翼軸傾斜某一角度用于提供部分升力和調(diào)整直升機的重心范圍。07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)直升機主旋翼反扭矩07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)直升機抵消反扭力的方案

最常規(guī)的是采用尾槳07旋翼飛行器技術(shù)各國直升機旋翼轉(zhuǎn)向07旋翼飛行器技術(shù)尾槳問題尾槳尺寸限制：尾槳要是太大了，會打到地上；尾槳的噪聲就很大：要提供足夠的反扭力，就需要提高轉(zhuǎn)速，這樣，尾槳翼尖速度就大，極端情況下，尾槳翼尖速度甚至可以超過音速；形成音爆。尾槳需要安裝在尾撐上，尾撐越長，尾槳的力矩越大，反扭力效果越好，但尾撐的重量也越大。尾撐內(nèi)需要安裝一根長長的傳動軸，這又增加了重量和機械復(fù)雜性。尾槳是直升機飛行安全的最大挑戰(zhàn)，主旋翼失去動力，直升機還可以自旋著陸；但尾槳一旦失去動力，那直升機就要打轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，失去控制。故障率高：在戰(zhàn)斗中，直升機因為尾槳受損而墜毀的概率遠遠高于因為其他部位被擊中的情況。即使不算戰(zhàn)損情況，平時使用中，尾槳對地面人員的危險很大，一不小心，附近的人員和器材就會被打到。在居民區(qū)或林間空地懸?；蚱鹇鋾r，尾槳很容易掛上建筑物、電線、樹枝、飛舞物品。07旋翼飛行器技術(shù)EC-120直升機07旋翼飛行器技術(shù)海豚直升機上的涵道尾槳07旋翼飛行器技術(shù)已經(jīng)下馬的美國RAH-66“科曼奇”

07旋翼飛行器技術(shù)NoTailRotor07旋翼飛行器技術(shù)MD600N07旋翼飛行器技術(shù)直升機的操縱一般沒有用于操縱的活動舵面單旋翼帶尾槳：旋翼+尾槳；雙旋翼：兩旋翼；07旋翼飛行器技術(shù)旋翼操縱系統(tǒng)

07旋翼飛行器技術(shù)直升機的固有特性靜穩(wěn)定動不穩(wěn)定07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)旋翼揮舞特性07旋翼飛行器技術(shù)

揮舞形成07旋翼飛行器技術(shù)揮舞公式推導(dǎo)用周期函數(shù)表示對揮舞角求導(dǎo)：得到：對揮舞角速度求導(dǎo)：得到：揮舞速度最大與揮舞角最大相差90度07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)槳葉橫向升力分布07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)結(jié)論

錐度角：由繞水平角的兩個力矩－拉力力矩和離心力矩的平衡關(guān)系決定；后倒角：由于旋轉(zhuǎn)平面上周向來流的不對稱引起；側(cè)倒角：由于錐度角引起的垂直槳葉平面氣流引起；鉸接式旋翼在斜流中的揮舞運動自動調(diào)節(jié)槳葉拉力，消除旋翼的側(cè)傾力矩；07旋翼飛行器技術(shù)傾轉(zhuǎn)旋翼機飛行操縱功能07旋翼飛行器技術(shù)V-22直升機和飛機方式的操縱特點07旋翼飛行器技術(shù)傾轉(zhuǎn)旋翼機的變換過程07旋翼飛行器技術(shù)飛行特點07旋翼飛行器技術(shù)飛行包線的比較07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)旋翼的環(huán)境07旋翼飛行器技術(shù)旋翼氣動載荷07旋翼飛行器技術(shù)旋翼氣動載荷07旋翼飛行器技術(shù)翼型發(fā)展07旋翼飛行器技術(shù)直升機翼型氣動特性的對比07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)翼型對旋翼性能的影響07旋翼飛行器技術(shù)氣動載荷分布07旋翼飛行器技術(shù)氣動載荷分布07旋翼飛行器技術(shù)氣動載荷分布07旋翼飛行器技術(shù)試驗和理論比較07旋翼飛行器技術(shù)機身與旋翼氣動干擾07旋翼飛行器技術(shù)機身與旋翼氣動干擾07旋翼飛行器技術(shù)顫振07旋翼飛行器技術(shù)地面與空中共振07旋翼飛行器技術(shù)直升機駕駛特點1.操縱的滯后性2.操縱的反復(fù)性3.操縱的協(xié)調(diào)性07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)懸停和垂直飛行1.懸停需用功率：地面效應(yīng)發(fā)動機可用功率07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)垂直上升需用功率：07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)垂直下降需用功率：

渦環(huán)狀態(tài)07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)前飛狀態(tài)平飛時力的平衡平飛時的需用功率最大速度、最小速度、經(jīng)濟速度（最大航時）、有利速度（最大航程）、最大爬升率、最小下降率；平飛需用功率隨高度變化動升限平飛最大速度的限制（激波、氣流分離）07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)起飛垂直起飛滑跑起飛影響起飛重量的主要因素07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)爬升爬升時力的平衡07旋翼飛行器技術(shù)爬升爬升速度：上升時間動升限07旋翼飛行器技術(shù)下滑下滑的力平衡07旋翼飛行器技術(shù)直升機下滑性能07旋翼飛行器技術(shù)垂直著陸07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)瞬時增距著陸07旋翼飛行器技術(shù)利用動能著陸07旋翼飛行器技術(shù)綜合著陸07旋翼飛行器技術(shù)回避區(qū)07旋翼飛行器技術(shù)直升機的平衡07旋翼飛行器技術(shù)直升機的穩(wěn)定性水平安定面產(chǎn)生的俯仰安定力矩07旋翼飛行器技術(shù)懸停穩(wěn)定性07旋翼飛行器技術(shù)直升機穩(wěn)定性特點1.與固定翼飛機相比較差，特別在懸停狀態(tài)，受到擾動后，縱、橫向平衡變化，偏離原平衡狀態(tài)出現(xiàn)往返擺動；2.直升機大速度飛行時，穩(wěn)定性比懸停好，但受擾后，仍出現(xiàn)擺動，且消失需一段時間；3.直升機在不穩(wěn)定氣流中飛行隨時受到擾動，駕駛員操縱頻繁；07旋翼飛行器技術(shù)直升機操縱性操縱功效：

自動傾斜器傳動比：縱向操縱功效：07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)角速度阻尼角速度阻尼：07旋翼飛行器技術(shù)操縱靈敏度操縱靈敏度：07旋翼飛行器技術(shù)旋翼槳穀形式07旋翼飛行器技術(shù)翹翹板槳穀特點

鉸接式07旋翼飛行器技術(shù)急推駕駛桿07旋翼飛行器技術(shù)入流增大，拉力減小07旋翼飛行器技術(shù)阻尼變化07旋翼飛行器技術(shù)失重導(dǎo)致滾轉(zhuǎn)07旋翼飛行器技術(shù)直升機總體參數(shù)選擇P確定07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)共軸式雙旋翼直升機與單旋翼直升機相比有如下特點：

懸停效率高；

無尾槳，因此無需為平衡旋翼的扭矩而消耗功率；

空氣動力保持對稱；

縱橫向操縱力的偏轉(zhuǎn)功率高；

結(jié)構(gòu)緊湊、重量效率高；有較大的爬升率和使用升限。

07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)半鉸式旋翼07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)直升機的基本理論動量理論(滑流理論)葉素理論渦流理論

計算流體力學(xué)（CFD)07旋翼飛行器技術(shù)動量理論

流體力學(xué)基本守恒定律質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒宏觀分析，總氣流速度與總旋翼拉力和功率的關(guān)系。是牛頓定律在旋翼上的應(yīng)用；07旋翼飛行器技術(shù)動量理論假設(shè)空氣是沒有粘性的，不可壓縮的理想流體。旋轉(zhuǎn)著的旋翼是一個均勻作用于空氣的無限薄的圓盤（槳盤），流過槳盤的氣流速度在槳盤處各點為一常數(shù)?；鳑]有扭轉(zhuǎn)（不計旋翼的旋轉(zhuǎn)影響）；在定常飛行中，滑流沒有周期性的變化。07旋翼飛行器技術(shù)動量理論07旋翼飛行器技術(shù)動量理論在懸停時的經(jīng)典公式動量理論能量守恒定律

旋翼付出的功率應(yīng)為

旋翼平面處的誘導(dǎo)速度為

07旋翼飛行器技術(shù)前飛的動量理論

07旋翼飛行器技術(shù)前飛的動量理論

橢圓升力分布的理想機翼假設(shè)；全部空氣質(zhì)量的向下加速，在數(shù)學(xué)上相當于只有一圓形流管內(nèi)的空氣質(zhì)量的均勻加速，圓管的直徑等于機翼展長。對于翼展為b的機翼，動量方程可寫為：07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)前飛的動量理論誘導(dǎo)速度誘導(dǎo)功率

型阻功率廢阻功率尾槳功率07旋翼飛行器技術(shù)葉素理論07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)升力、阻力和功率07旋翼飛行器技術(shù)渦流理論目的是得到任意點的誘導(dǎo)速度固定渦系預(yù)定渦系自由渦系根據(jù)比奧－沙伐爾定理：07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)07旋翼飛行器技術(shù)直升機平飛需用功率07旋翼飛行器技術(shù)計算直升機速度---功率曲線的流程圖

07旋翼飛行器技術(shù)直升機主要設(shè)計參數(shù)槳盤載荷功率載荷旋翼實度槳尖速度

07旋翼飛行器技術(shù)直升機主要參數(shù)對需用功率影響總單位需用功率槳盤載荷影響誘導(dǎo)功率全機廢阻僅對飛行速度較大時有較大影響單位型阻功率決定于槳尖速度和槳葉載荷但由于出現(xiàn)氣流分離和激波時主要影響大速度前飛時的型阻功率。07旋翼飛行器技術(shù)影響直升機型阻功率的因素阻升比：