直升机螺旋桨的原理原理和结构图

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图:直升机飞行拉力的产生。图/微信“鹏程翔安”

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拉力的产生

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直升机在地面停放时旋翼的桨叶会因为自身重量的作用呈自然下垂状态。直升机飞行时,旋翼不断旋转,空气流过桨叶上表面,流管变细,流速加快,压力减小;空气流过桨叶下表面时,流管变粗,流速变慢,压力增大。这样以来桨叶的上下表面就形成了压力差,桨叶上产生一个向上的拉力。拉力大小受到很多方面影响,比如桨叶与气流向遇时的角度、空气密度、机翼的大小和形状,还有和气流的相对速度等。各桨叶拉力之和就是旋翼的拉力。

直升机飞行时,旋翼的桨叶会形成一个带有一定锥度的底面朝上的大锥体,将其称为旋翼椎体。旋翼的拉力垂直于旋翼椎体的底面,当向上的拉力大于直升机自重,直升机就上升,小于直升机自重,直升机就下降,刚好相等,直升机就悬停。

通过控制旋翼椎体向前后左右各方向的倾斜,就可以改变旋翼拉力的方向,从而实现直升机向不同方向的飞行。

“恼人”的反作用力

牛顿第三定律告诉我们“相互作用的两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等,方向相反,作用在同一条直线上”。所以当直升机驱动旋翼旋转时,旋翼也必然会对直升机产生一个反作用力矩,如果只有一个旋翼,没有其他措施,直升机机体会进入“不由自主”的旋转。

为此设计者想了很多控制反作用力矩的方法,比如按照左右并排,前后纵列,上下共轴,交叉互切等布局给直升机装上两个大小相等,旋转方向相反的旋翼来抵消相互的反作用力矩,再比如用喷气引射和主旋翼下洗气流的有利交互作用抵消反作用力矩,但是最简单的还是在机尾装一个垂直旋转的小旋翼,称之为尾桨,通过或“拉”或“推”的方式抵消反作用力矩,这也是现代大多数直升机普遍采取的方式。本文在探讨有关问题时,除特殊说明外,均是指这种单旋翼带尾桨的直升机。

通过控制尾桨“拉力”或“推力”的大小,可以达到使直升机偏转的目的,从而实现直升机的转向。

桨叶挥舞

旋翼旋转时做圆周运动,由于半径关系,桨叶尖处线速度很大,而桨叶靠近圆心处的根部线速度很小,甚至几乎为零,所以单片桨叶上各处产生的升力并不相同,靠近桨尖的地方产生最大的升力,而靠近根部的地方只产生很小的升力。

此外当直升机前进时,旋翼中的前行桨叶(向机头方向转动的桨叶)的相对气流速度高于后行桨叶(向机尾方向转动的桨叶)的相对气流速度,其产生的升力也大于后行桨叶,这就造成两侧升力的不均。

如果桨叶和桨毂刚性连接,一方面桨叶上不均的升力会使桨叶产生强烈的扭曲,既会加速桨叶材料的疲劳,又容易引起振动,另一方面旋翼两侧升力的不均会使机体失去平衡向一侧翻滚。为了解决这些问题,设计者设计了一个铰接装置来连接桨叶和桨毂,即“挥舞铰”。

“挥舞铰”,也叫“水平较”,就是在桨叶的根部设置一个水平的轴孔,通过插销与桨毂相连,这种连接方式允许桨叶在一定幅度范围内挥舞。这样以来桨叶在前行时,由于升力增加,自然向上挥舞,其运动的实际方向不再是水平,而是斜线向上的,桨叶实际的迎角也由于这种运动而减小,升力降低。桨叶在后行时,升力不足,自然下降,这种边旋转边下降的运动,使桨叶的实际迎角增大,升力增加。同时由于离心力的存在,桨叶会有自然拉直的趋势,因此不会在升力作用下无限升高或降低,也就是说桨叶的挥舞幅度不是无限的。同时设计者在机械构造上也采取了相应的措施,保证桨叶不至于因无限挥舞而碰撞机身。

摆振的问题

桨叶的挥舞虽然解决了升力不均材料疲劳等问题,但也带来了新的问题。桨叶向上挥舞时,重心离旋转轴的距离减小,产生的科氏力矩使桨叶加速旋转,桨叶恢复水平时,重心离旋转轴的距离增加,科氏力矩又会使桨叶减速旋转。科氏力矩的大小和方向随着桨叶的挥舞呈现出周期性变化,桨叶在水平方向也会前后摇摆,补偿挥舞造成的科里奥利效应。如果不加控制,这种摇摆对桨叶根部的损伤会非常大,解决的办法就是安装“摆振铰”。

“摆振铰”,也叫“垂直铰”,就是在桨叶的根部再设置一个垂直的轴孔,通过插销与桨毂其他结构相连,这种连接方式允许桨叶前后小幅度摆动,从而避免桨叶根部变弯或疲劳断裂。此外为了给桨叶绕摆振铰的摆振运动提供阻尼以及保证其有足够的稳定性裕度,防止出现“地面共振”,摆振铰上通常都还装有摆振阻尼器,称为减摆器。

由于摆振铰的存在,桨叶前行时自然增加后掠角(即所谓“滞后”,因为桨叶在旋转方向上的角速度低于圆心的旋转速度),变相增加桨叶在气流方向上剖面的长度,加强了减小迎角的作用;在后行时,减摆器使桨叶恢复的正常位置(即所谓“领先”,因为桨叶在旋转方向上的角速度高于圆心的旋转速度),加强了增加迎角的作用,所以摆振铰有时也被称为领先-滞后铰。

变距的问题

桨叶根部还有一个重要的铰链装置,那就是“变距铰”,也称“轴向铰”。它的作用是使桨叶绕其轴线在一定范围内偏转,实现改变其安装角,从而调整桨叶产生的升力,简单说就是实现桨叶变距运动的转动关节。

挥舞铰、摆振铰和变距铰是实现直升机控制和旋翼正常工作的关键。

其他形式

除了采取这种全铰接式(装有挥舞铰、摆振铰和变距铰)旋翼的直升机外,有的直升机采用一个球面弹性体轴承组件来实现实挥舞铰、摆振铰、变距铰三个铰接组件的功能,还有的直升机采用的是无铰接结构,即取消了独立的挥舞铰与摆振铰,挥舞和摆振的功能由桨叶根部的柔性元件的变形来实现。

 

此外主旋翼只有两片桨叶的直升机通常采用跷跷板式的桨毂结构,及桨毂与主轴通过一个水平插销结构相连接,桨毂可以绕这个插销转动。

操纵机构

前面提到通过控制旋翼和尾桨就可以实现使直升机上升、下降、悬停、前飞、侧飞以及转弯等,因此实际上直升机的操纵机构主要是针对旋翼和尾桨的。直升机的主要操纵机构包括驾驶杆(又称周期变距杆)、总距杆、脚蹬等。

驾驶杆位于驾驶员座椅前面,通过操纵线系与自动倾斜器连接,通过自动倾斜器来实现对旋翼椎体倾斜方向的控制。

总距杆通常位于驾驶员座椅的左方,由驾驶员左手操纵,通过操纵线系与自动倾斜器连接,通过自动倾斜器来控制所有桨叶的迎角,实现桨叶变距,从而改变旋翼升力的大小。有的总距操纵杆的手柄上设置旋转式油门操纵机构,用来调节发动机油门的大小,使发动机输出功率与旋翼桨叶变距后的旋翼需用功率相适应;有的总距杆上则集成了发动机功率控制器,可根据旋翼桨叶变距情况自动对发动机的输出功率进行调整;因此,总距杆又被称为总距油门杆。

自动倾斜器是实现驾驶杆和总距杆操纵的重要部件,由两个主要零件组成:一个不旋转环和一个旋转环。不旋转环安装在旋翼轴上,并通过操纵线系与驾驶杆和总距杆相连。它能够向任意方向倾斜,也能沿旋翼轴上下垂直移动,但是不能转动。旋转环通过轴承被安装在不旋转环上,通过拉杆与变距铰(轴向铰)相连,不但能够同旋翼轴一起旋转,而且能够作为一个单元体随不旋转环同时倾斜和沿旋转轴上下垂直移动。

操纵的实现

驾驶员对驾驶杆的横向和纵向操纵通过操纵线系或液压助力装置使自动倾斜器的旋转环和不旋转环一起向相应的方向倾斜。由于旋转环同桨叶的变距铰之间有固定长度的拉杆相连,所以自动倾斜器的倾斜会导致桨叶的桨距发生周期变化,使得旋翼空气动力不对称,旋翼椎体将向相应方向倾斜,旋翼的拉力矢量方向也向相应方向倾斜,这样就达到操纵直升机横向和纵向飞行的目的。如果驾驶杆偏离中立位置向前,旋翼椎体向前倾斜,直升机低头并向前运动;向后,旋翼椎体向后倾斜,直升机抬头并向后退;向左,旋翼椎体向左倾斜,直升机向左倾斜并向左侧运动;向右,旋翼椎体向右倾斜,直升机向右倾斜并向右侧运动。

驾驶员对总距杆上提和下放的操纵通过操纵线系使自动倾斜器的旋转环和不旋转环一起沿着旋翼轴向上或向下移动。同样由于旋转环同桨叶的变距铰之间有固定长度的拉杆相连,所以自动倾斜器的上下移动会导致桨叶的桨距增大或减小,使得旋翼的升力增加或减小。简单来说,上提总距杆,桨叶的桨距和发动机输出功率增加,旋翼升力增加,直升机上升;下放总距杆,桨叶的桨距和发动机输出功率减小,旋翼升力减小,直升机下降。

脚蹬位于驾驶员座椅前下方,由驾驶员双脚操纵,通过操纵线系与尾桨连接,实现对尾桨的变距,控制尾桨桨叶的桨距,改变尾桨的“拉力”或“推力”。尾桨的构造同旋翼相似,不过比旋翼要简单得多,既没有自动倾斜器,也不存在周期变距问题。一般来说,蹬某一侧脚蹬,直升机机头就会向该侧偏转。

以上就是单旋翼带尾桨直升机飞行的一些基本原理,“走马观花”式的叙述难免错漏之处,不作为任何依据,仅供大家了解参考,深入学习还请翻阅相关著作。

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