旋翼機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用

申 斌，吳一波，林冬生

武漢市軍械士官學(xué)校，湖北武漢 430070

0 引言

旋翼機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全性能良好、操作容易等多方面的優(yōu)點(diǎn)，具有很好的垂直著陸能力及短距離的起飛能力，在很多領(lǐng)域得到了很好的應(yīng)用。因此，本文對(duì)于旋翼機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用方面的研究不僅具有一定的理論指導(dǎo)作用，也具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 旋翼機(jī)國(guó)內(nèi)外研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

19 世紀(jì)30 年代，西班牙工程師席爾瓦設(shè)計(jì)發(fā)明了第一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)可控飛行的旋翼機(jī)，并且旋翼機(jī)試飛成功。隨后在1934 年，席爾瓦設(shè)計(jì)制造了第一架能夠?qū)崿F(xiàn)跳躍起飛的旋翼機(jī)，型號(hào)為C30 型，該設(shè)計(jì)中旋翼機(jī)采用直接旋翼操作，能夠?qū)崿F(xiàn)旋翼機(jī)的一次性的轉(zhuǎn)向動(dòng)作、俯仰動(dòng)作以及側(cè)傾動(dòng)作的操作，在很大程度上簡(jiǎn)化了旋翼機(jī)的操作控制，因此C30 旋翼機(jī)成為當(dāng)時(shí)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)并且最受歡迎的旋翼機(jī)，圖1 所示為C30 型旋翼機(jī)。

圖1 C30 型旋翼機(jī)

隨后，國(guó)外很多航空工作者和專家都對(duì)旋翼機(jī)進(jìn)行了深入的研究，都取得了不錯(cuò)的研究成果。根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前積極在美國(guó)已經(jīng)正式注冊(cè)登記的旋翼機(jī)就已經(jīng)達(dá)到了幾萬(wàn)架之多，而針對(duì)旋翼機(jī)進(jìn)行研究生產(chǎn)制造的公司就有幾十家大型的航空公司。美國(guó)格萊恩航空公司生產(chǎn)的“獵鷹”2 型號(hào)（HAWK—2）旋翼機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)最大飛行速度185km/h，巡航速度130km/h，持續(xù)飛行時(shí)間長(zhǎng)達(dá)四小時(shí)，飛行里程最大為500km，旋翼機(jī)守家在6 萬(wàn)-7.5 萬(wàn)美元之間，是目前世界上安全性能最好，并且質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的高性能旋翼機(jī)。隨后2002 年，美國(guó)格萊恩航空公司生產(chǎn)的“獵鷹”4 型號(hào)（HAWK—4）旋翼機(jī)，執(zhí)行第19 屆奧林匹克冬季運(yùn)動(dòng)會(huì)期間的安保巡邏工作，在巡邏期間，該旋翼機(jī)成功完成67 項(xiàng)項(xiàng)目，無(wú)需任何方面的維修和保養(yǎng)工作，表現(xiàn)出極其優(yōu)秀的性能，該旋翼機(jī)在美國(guó)很多的政府的空中警察隊(duì)執(zhí)行偵查和巡邏任務(wù)，起到十分很重要的作用。

但是，針對(duì)旋翼機(jī)的研究在我國(guó)國(guó)內(nèi)還處于初級(jí)階段，相關(guān)方面的研究還是比較少。1998 年，泰克（天津）飛行器制造有限公司參加中國(guó)珠海國(guó)際航空航天展覽會(huì)過(guò)程中，展出了本次航空航天展的唯一一架泰克150 型旋翼機(jī)，該旋翼機(jī)具有優(yōu)秀的機(jī)動(dòng)性能，引起了當(dāng)時(shí)參展人員的極大關(guān)注。最近，由北京東方神鷹科技發(fā)展有限責(zé)任公司與南京航空航天大學(xué)直升機(jī)技術(shù)研究所合作，共同研發(fā)了ZX1 型“開(kāi)拓者”自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)，也具有不錯(cuò)的綜合性能，為旋翼機(jī)的研究發(fā)展提供了一定的指導(dǎo)作用。

2 多旋翼工作原理及其主要特點(diǎn)

旋翼機(jī)的主要升力裝置為不同數(shù)目的旋翼，旋翼在工作過(guò)程中自由旋轉(zhuǎn)，空氣氣流從下向上的方向穿過(guò)旋翼槳盤，提供旋翼機(jī)上升的升力。旋翼機(jī)在起飛時(shí)所需要的拉力或者推力主要來(lái)自于旋翼機(jī)前部的拉力螺旋槳或者旋翼機(jī)后部的推力螺旋槳，迎面流動(dòng)的空氣驅(qū)動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)旋翼機(jī)的前進(jìn)飛行。

通常情況下，旋翼機(jī)的主要特點(diǎn)有以下幾個(gè)方面：

1）旋翼機(jī)整體結(jié)構(gòu)組成簡(jiǎn)單，具有較高的經(jīng)濟(jì)性能。旋翼機(jī)的升力是由旋翼自由旋轉(zhuǎn)提供，不會(huì)產(chǎn)生反轉(zhuǎn)扭力，沒(méi)有設(shè)計(jì)多余的發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)裝置，所以說(shuō)旋翼機(jī)的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，維修和操作程序也比較簡(jiǎn)單，并且旋翼機(jī)的介質(zhì)僅為同量級(jí)直升機(jī)的1/5 ～1/10，旋翼機(jī)的經(jīng)濟(jì)性能較高；

2）旋翼機(jī)操作和維護(hù)程序簡(jiǎn)單。旋翼機(jī)的旋翼是沒(méi)有動(dòng)力裝置的，并且旋翼機(jī)的尾部也沒(méi)有傳動(dòng)系統(tǒng)和減速器等相關(guān)的動(dòng)力系統(tǒng)，并且大部分的旋翼機(jī)都沒(méi)有主旋翼的減速以及傳動(dòng)系統(tǒng)裝置，因此旋翼機(jī)在操作起來(lái)程序比較簡(jiǎn)單。除此之外，旋翼機(jī)的維護(hù)工作也比較簡(jiǎn)單，國(guó)外的針對(duì)旋翼機(jī)的培訓(xùn)中心，一般沒(méi)有任何飛行經(jīng)驗(yàn)的飛行員，經(jīng)過(guò)兩天的培訓(xùn)即可完全掌握操作和維護(hù)程序；

3）旋翼機(jī)起飛和下降距離比較短，不需要專門的停機(jī)機(jī)場(chǎng)。通常情況下，旋翼機(jī)有短距離起飛和幾乎垂直起飛兩種不同的起飛方式，這兩種起飛凡是都是利用旋翼機(jī)旋翼自身的特性，實(shí)現(xiàn)旋翼機(jī)的起飛，兩種方式的起飛距離都比較短。在旋翼機(jī)下降過(guò)程中，能夠通過(guò)操作旋翼機(jī)的錐體實(shí)現(xiàn)旋翼機(jī)后傾，能夠?qū)崿F(xiàn)點(diǎn)式著陸，幾乎能夠?qū)崿F(xiàn)旋翼機(jī)的垂直降落，因此不需要專門的停機(jī)機(jī)場(chǎng)，使用方便；

4）旋翼機(jī)具有十分高的安全性能。旋翼機(jī)的前進(jìn)飛行時(shí)，一直保持自傳狀態(tài)，不會(huì)以為發(fā)動(dòng)機(jī)的停止出現(xiàn)突然的市區(qū)控制，能夠?qū)崿F(xiàn)安全的著陸，能夠保證旋翼機(jī)像降落傘一樣實(shí)現(xiàn)下降，因此，旋翼機(jī)被稱之為世界上最安全的航空飛行器。

3 多旋翼技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，旋翼機(jī)技術(shù)的發(fā)展速度也越來(lái)越快，對(duì)比目前旋翼機(jī)技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，未來(lái)多旋翼技術(shù)的發(fā)展主要的新技術(shù)有以下幾個(gè)方面：旋翼機(jī)旋翼新技術(shù)、旋翼機(jī)振動(dòng)控制技術(shù)以及旋翼機(jī)復(fù)合材料應(yīng)用新技術(shù)等。

3.1 旋翼機(jī)旋翼新技術(shù)

在旋翼機(jī)的設(shè)計(jì)與研發(fā)中，旋翼一直是設(shè)計(jì)師重視和創(chuàng)新設(shè)計(jì)的主要結(jié)構(gòu)，主要的新技術(shù)體現(xiàn)在旋翼機(jī)旋轂和旋槳兩個(gè)主要結(jié)構(gòu)上，這也成為旋翼機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)突破的重要標(biāo)志之一。

隨著生產(chǎn)工藝以及結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的快速發(fā)展，旋翼旋轂的結(jié)構(gòu)也在不斷的發(fā)生著變化。特別是最近這幾年來(lái)，出現(xiàn)了很多種不同結(jié)構(gòu)形式的旋翼旋轂，比如帶彈性鉸的鉸接式、無(wú)鉸式以及星形柔性等旋轂結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，重量比較輕，維護(hù)以及生產(chǎn)方便，具有較高的安全性能。并且結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)和有限元技術(shù)，對(duì)于旋轂結(jié)構(gòu)建立有限元模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化以及尺寸形狀優(yōu)化，對(duì)于旋轂新技術(shù)的開(kāi)發(fā)具有十分重要的作用。

隨著計(jì)算技術(shù)的快速發(fā)展，多體動(dòng)力學(xué)以及空氣動(dòng)力學(xué)技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了快速的進(jìn)步，國(guó)內(nèi)外很多企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)對(duì)于旋翼的旋槳進(jìn)行了大量的深入研究。對(duì)于旋翼的槳葉進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)以及多體動(dòng)力學(xué)方面的研究設(shè)計(jì)，優(yōu)化旋翼機(jī)的旋翼槳葉的形狀及其結(jié)構(gòu)性能，并且進(jìn)行多學(xué)科之間的多目標(biāo)綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得旋翼機(jī)旋翼新技術(shù)的研究步入了一個(gè)嶄新的發(fā)展階段。

3.2 旋翼機(jī)振動(dòng)控制技術(shù)

隨著人們對(duì)于振動(dòng)理論研究的逐步深入，旋翼機(jī)振動(dòng)控制技術(shù)的研究也越來(lái)越深入。在進(jìn)行振動(dòng)控制技術(shù)的研究中，關(guān)注最為重要的是振動(dòng)的抑制技術(shù)，在旋翼機(jī)的設(shè)計(jì)與研發(fā)過(guò)程中，將現(xiàn)代主動(dòng)控制理論技術(shù)與旋翼機(jī)的振動(dòng)控制相互結(jié)合，對(duì)于旋翼機(jī)的整體振動(dòng)進(jìn)行主動(dòng)控制，主動(dòng)控制旋翼的氣動(dòng)載荷或控制機(jī)體對(duì)旋翼激振的響應(yīng)，從而在整體上降低旋翼機(jī)的振動(dòng)水平。

除此之外，對(duì)于旋翼機(jī)組成零部件的振動(dòng)研究也有著十分重要的作用，對(duì)于主要結(jié)構(gòu)件比如說(shuō)旋翼、發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)體等進(jìn)行相關(guān)振動(dòng)方面的研究，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)和有限元技術(shù)，建立結(jié)構(gòu)件有限元模型，進(jìn)行結(jié)構(gòu)件模態(tài)分析，了解其主要振動(dòng)頻率和振型，降低結(jié)構(gòu)件本身的振動(dòng)，也能夠?qū)崿F(xiàn)旋翼機(jī)整體的振動(dòng)水平的降低。

3.3 旋翼機(jī)復(fù)合材料新技術(shù)應(yīng)用

旋翼機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)快速的發(fā)展，離不開(kāi)復(fù)合材料新技術(shù)的應(yīng)用。符合材料的應(yīng)用能夠大大降低旋翼機(jī)的質(zhì)量，改進(jìn)旋翼機(jī)的性能，提高旋翼機(jī)的整體安全性。

復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)在旋翼槳葉上得到了充分的發(fā)揮，它為旋翼槳葉氣動(dòng)外形的改進(jìn)和優(yōu)化、旋翼動(dòng)力學(xué)特性的優(yōu)化提供了可能。更重要的是復(fù)合材料使在交變載荷作用下的旋翼壽命大幅度提高。這不僅提高了旋翼機(jī)的安全性，而且使槳葉制造成本大大降低，由此帶來(lái)了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

除此之外，復(fù)合材料在旋翼機(jī)槳毅和機(jī)身上的應(yīng)用研究也取得了不錯(cuò)的成果。法國(guó)宇航公司于70 年代后期研制成功的星形柔性槳毅就是復(fù)合材料在旋翼槳毅上應(yīng)用的首次突破，使旋翼結(jié)構(gòu)全復(fù)合材料化成為可能這是旋翼機(jī)技術(shù)發(fā)展的一次革命。

4 結(jié)論

在今后的研究工作中，應(yīng)該創(chuàng)新旋翼機(jī)研究方法和研究思路，重點(diǎn)重視旋翼機(jī)結(jié)構(gòu)以及性能等方面的實(shí)驗(yàn)研究及動(dòng)力學(xué)模型仿真研究，進(jìn)行重要結(jié)構(gòu)件的多目標(biāo)優(yōu)化研究工作，從而做到從根本上提高旋翼機(jī)的整體性能指標(biāo)。

[1]王博，招啟軍，趙國(guó)慶.改進(jìn)型CLOR槳尖旋翼氣動(dòng)特性試驗(yàn)研究及數(shù)值分析[J].航空學(xué)報(bào).

[2]唐敏，唐正飛，吳浩東.旋翼反扭矩系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其氣動(dòng)特性的影響分析[J].直升機(jī)技術(shù)，2013(2).

[3]呂維梁，史勇杰，魏鵬.旋翼非定常氣動(dòng)載荷及瞬態(tài)氣動(dòng)響應(yīng)計(jì)算[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2013(1).