自轉旋翼機技術知識-自轉

提供者:  來源:河北天啟通宇航空器材科技發展有限公司,法國DTA航空,天啟通宇航空,JRO自轉旋翼機,COMBO(亢保)動力三角翼,旅行者動力三角翼   時間:2022-04-09  

自轉旋翼機技術知識-自轉

升力的基本原理

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    旋翼的坡度角是水平面與旋翼(是經過旋翼前緣和后緣之間的一條想象出來的線)之間的夾角,一架旋翼機旋翼的坡度角由制造商來確定。

    相對氣流是作用在旋翼上且與旋翼轉動方向相反的合成氣流。我們稱相對氣流與翼旋構成的角為迎角。在上面的圖示中,表示相對氣流那根線只是作為象征而已,迎角可以比坡度角小、與坡度角相同或者比坡度角大,這要看風從哪里來。

    旋翼上產生的升力總是與相對氣流成 90 度角。作用在旋翼上的阻力總是與相對氣流的方向相同。

    旋翼有一個最佳的迎角,旋翼處于該迎角時可獲得最大的升力。通常該迎角在 12--14 度左右。迎角超出這個范圍,旋翼產生的升力就會變小,最終就會像傳統機翼一樣出現失速現象,與此同時,旋翼的阻力也會急劇增加。迎角小于這個范圍,旋翼產生的升力就會減少,但阻力也會減少。

    空氣動力壓力的中心是一個翼弦線上的一個想象出來的點,我們認為所有空氣動力的作用力都集中在該點上。當旋翼的迎角增加時,空氣動力壓力的中心會沿著翼弦線向旋翼前緣移動。


    垂直氣流

    因此,即使旋翼的坡度角保持不變,沿著整個旋翼翼展的相對氣流和迎角也不同。如果考慮到旋翼機在引擎關閉零空速情況下垂直下落,這就很容易解釋了。

    如果旋翼機正垂直下落,我們假定此刻正勻速下落,就會有氣流垂直地作用在旋翼的底部。我們稱這股氣流為流入氣流。這股氣流會持續向上流過旋翼。

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    水平氣流

    旋翼旋轉并形成一個圓。如果考慮到沿著翼展有許多個點,那么每一點轉一圈形成的圓的周長都不同,點離翼尖越近,形成的圓越大。

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    由于整個旋翼的轉速是勻速的,比如說,轉一圈花 1∕5 秒(300rpm),這意味著旋翼上每一點線速度一定不同,翼尖速度最快,翼根速度最慢。這一線速度與流過旋翼上各點的水平氣流速度相同。

    旋翼尖處的相對氣流

    下面的示意圖顯示了翼尖處的垂直氣流和水平氣流的相對尺寸。合成氣流偏向于氣流水平成份。因此導致一個很小的迎角。

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    旋翼的尖端所承受的合力有許多垂直的成份,有利于維持旋翼機在空中飛行(好!),然而它還有一個向后的成份試圖使旋翼速度減慢下來(不好!)。


    旋翼中部的相對氣流

    下面的示意圖顯示了作用在旋翼中部水平和垂直氣流的相對尺寸。

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    作用在旋翼中部的合力指向旋翼壓力中心的前面,當這個壓力產生以后,它主動地拉動旋翼向前旋轉。這是自轉力(很好!)。


    旋翼根部的相對氣流

    下面的示意圖顯示了作用在旋翼根部的水平和垂直氣流的相對尺寸。

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    對于飛行來講,這點上的迎角太大,旋翼在這點失速。這點試圖使旋翼轉速減慢下來(不好!)。


    旋翼上各區域

    通過上面得到的信息,我們可以清晰地看出氣流順翼展流過三個區域。它們是:

    ·被驅動區域,這一區域靠近翼尖,能產生最多的有用的垂直的升力,但試圖使旋翼速度慢下來。

    ·驅動區域,這一區域靠近旋翼的中部,它產生的自轉力拉動旋翼轉動。幸運的是,該力要遠大于由被驅動區和失速區產生的阻力的合力。

    ·失速區域,這一區域靠近翼根,它產生的阻力試圖使旋翼轉速減慢下來。

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    每個區域的實際尺寸將依據實際情況而改變。它們還可以在制造過程中通過沿著翼展扭曲漿葉來改變。

    在區域之間的接合點有一個平衡點,在那里,合力或者指向旋翼的前面或者指向旋翼的后面。

    下面的示意圖代表著相同的信息,但是該圖是從旋翼盤的正上方向下看的視圖。

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    向前飛行時的自轉

    為了完成旋翼機的旋翼自轉圖形,我們需要添加向前飛行的成份。這意味著有氣流流過旋翼盤。

    當旋翼轉動時,某一時刻,一個旋翼一定迎著(向前)氣流,與此同時,另一個旋翼一定順著氣流(向后)。

    ·我們稱迎著氣流的漿葉為前進漿葉。

    ·我們稱順著氣流的漿葉為后退漿葉。


    兩個旋翼之間空速的不同

    加入一個迎面氣流意味著氣流經過前進漿葉和后退漿葉產生的空速不同。

    ·前進漿葉上的空速為旋翼轉速與迎面氣流的速度之和。

    ·后退漿葉上的空速為旋翼轉速與迎面氣流速度之差。

    如果旋翼的尖端以 300mph 的轉速旋轉,而迎面氣流的速度為 60mph。

    ·前進漿葉的尖端會有 360mph,而后退漿葉的尖端僅會有 240mph 的空速。

    正如前面討論的,氣流與旋翼上某點的迎角取決于速度。速度越快,迎角越小。這意味著,在向前飛行中,如下圖所示,旋翼的三個區域是呈扁偏形的。

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    升力的不對稱

    旋翼上產生的升力大小會受到空速的極大影響??账僭酱?,升力也越大。因此按理說旋翼盤前進一側上產生的升力要比旋翼盤后退一側上產生的升力要大,我們稱其為升力不對稱。

    如果旋翼盤兩側升力不對稱,不就造成旋翼機向旋翼盤的退漿一側傾翻嗎?


    拍打中趨于平衡

    旋翼機之所以沒有傾翻是由于旋翼蹺蹺板或拍打。這是一種旋翼圍繞中心螺栓的蹺蹺板式的上下搖動,而中心螺栓連接著旋翼葉轂和旋翼頭 (我們稱中心螺栓為蹺蹺板螺栓)。

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    這個機構是如何發揮作用的呢?如果前進漿葉產生的升力大于后退漿葉產生的升力,那么作用在前進漿葉上的額外升力會導致前進漿葉上揚,我們叫它向上拍打,同時,后退漿葉將向下拍打。

    由于考慮到一個額外的垂直成份,這意味著總的流向漿葉的相對氣流有變化。下面為最初的相對氣流示意圖。

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    相對氣流是如何隨著漿葉向上拍打導致迎角減小而變化的。

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相對氣流是如何隨著漿葉向下拍打導致迎角減小而變化的。

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升力雖然是由于空速的作用產生的,迎角的變化對其也有影響。


作用在前進漿葉上的額外的空速使漿葉上揚,然而,當漿葉上揚時,迎角也在減少(迎角的減小會導致旋翼上產生的升力的減少),這導致了漿葉上產生的總的升力不變的結果。反過來對于后退漿葉來講,道理也相同。

    我們將這種現象稱其為“拍打中達到平衡”。

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