旋翼機的空氣動力學原理

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：2022-07-30  

直升機和旋翼機都是通過旋翼來產生升力的，因此解釋升力產生的許多基本空氣動力學原理對兩種飛行器而言是相同的，今天小編給大家科普關于旋翼機的知識。

自旋

直升機和旋翼機之間一個根本的不同在于：在依靠動力維持飛行的過程中，旋翼機旋翼系統工作在自旋狀態下。這意味著旋翼依靠向上流過翼面的氣流維持自身的自由旋轉，而不是通過發動機的動力旋轉翼面，從上方吸收氣流。

在自旋過程中產生的力一方面維持旋翼的旋轉，另一方面產生將飛行器維持在空中的升力（如圖1）。從空氣動力學的角度而言，在正常飛行時旋翼機旋翼系統的運轉和直升機的旋翼系統在發動機失效時，向前自旋下降時的運轉方式一樣。

圖1

在旋翼機上氣流通過旋翼系統的方向和動力飛行狀態下的直升機相反。這些氣流是把動力從旋翼機發動機傳送到旋翼系統并保持旋翼自轉的媒介。

垂直自旋

在垂直自旋過程中，旋翼槳片遇到的相對風由兩個基本的組成部分。如圖2所示，一個是向上的通過旋翼系統的空氣流，在一個給定的飛行條件下該氣流保持相對不變。另一個分量是槳葉旋轉造成的周向氣流（旋轉方向的相對氣流，譯者注）。這個分量的大小和離開旋翼葉轂的距離關系很大。

圖2 在垂直自旋中，槳葉旋轉造成的相對氣流和向上的氣流合成了最終流經翼型表面的氣流。

舉例來說，考慮一個轉速300轉/分鐘(r.p.m)的直徑25英尺的槳盤，在離開旋翼葉轂1英尺的位置上的一點，槳葉沿著一個周長6.3英尺的圓運動，這時的線速度大約為31.4英尺/秒(f.p.s)或者21英里/小時(m.p.h)。在翼尖上的一點，旋轉周長大約是78.5 英尺，在同樣的轉速下，速度大約為393英尺/秒，或者267英里每小時。這樣情況下造成的結果是翼尖的相對風速更大，而相對于旋翼的攻角更?。ㄈ鐖D3）。

圖3沿著旋翼向外移動，旋轉速度的增加超過了氣流的向上的速度分量，造成更快的相對氣流和更低的攻角。

漿盤分區

無論選用什么樣的翼型，旋翼產生的升力總是垂直于相對氣流的方向。處于自旋中的旋翼相對氣流的攻角在內側較大而在外側較小，因此靠近槳轂的內側旋翼產生的升力具有較大的向前分量，而靠近翼尖的旋翼產生較大的垂直分量。這種現象造成了槳盤的不同功能分區，從而產生自旋狀態下飛行所必需的力。

如圖4所示，自旋區域，又稱驅動區域，產生的總氣動力(TAF)的前向分量超過所有的后向空氣阻力的總和，從而保持了槳葉的旋轉。螺旋槳區，又稱被驅動區，產生的總氣動力具有較大的垂直分量，從而保證旋翼機能夠在空中飛行?？拷鼧P中心是失速區。在失速區里槳葉周向運動的相對氣流太小，以至于合成氣流的角度超過了翼型的失速極限。失速區對槳葉旋轉產生空氣阻力，必須依靠驅動區域產生的前向力來克服。

圖4

圖4總氣動力在被驅動區落后于旋轉軸，在驅動區領先于旋轉軸。

空氣阻力是失速區的主要氣動力。垂直自旋的全面力學分析參見《第三章直升機飛行空氣動力學》，參見圖5。

圖5

向前飛行時的自旋

截至目前我們討論的都只是旋翼機垂直下降時自旋的空氣動力學。通常情況下旋翼機都是向前飛行的，因此由于向前的飛行速度引起的相對氣流與旋翼的相互作用也必須考慮在內。這個氣流分量不影響造成槳葉自旋的空氣動力學原理，但是會造成槳盤不同區域的形狀變化。

當旋翼機在空氣中向前運動時，向前的運動速度對于前行槳葉而言將造成相對氣流的速度加快，對后行葉而言則減小相對氣流的速度。為了應對槳盤兩側升力的不平衡，前行槳葉在蹺蹺板的作用下翹起以減小攻角和升力，與此同時后行槳葉向下以增加攻角和升力。（關于升力不平衡的詳細討論參見《第三章-直升機飛行空氣動力學》）前行槳葉的攻角減小導致驅動區域變大，同樣,后行槳葉的攻角增加導致更大的失速區域。向前飛行導致原有的槳盤分區向后行槳葉方向移動，其大小和程度和飛行器的飛行速度大小有關，參見圖6。

圖6：向前自旋飛行的槳盤分區

旋翼受力分析

同任何重于空氣的飛行器一樣，旋翼機飛行時也受到升力，重力，推力和阻力這四種力的作用。旋翼機的升力來自于旋翼系統，推力直接來自螺旋槳。如圖7所示，旋翼產生的力可以分為兩個分量：旋翼升力和旋翼空氣阻力。垂直于飛行路徑的是旋翼升力，平行于飛行路徑的是空氣阻力。為了推出整體的飛行器空氣阻力反應，必須把機身空氣阻力計算在內。

圖 7.在向前飛行時旋翼機的旋翼系統所受的氣動合力方向與直升機相反

旋翼升力

旋翼升力可以簡單的想象成為支撐飛行器重量的升力。當翼面產生升力的同時，空氣阻力也就伴隨著產生了。對一個給定的翼型，最有效的攻角是產生最大升力和最小阻力的角度。然而旋翼槳葉并不是工作在這種有效的角度，在每一圈的旋轉過程中攻角都在發生變化。而且，旋翼系統必須保持一定的自旋槳距以持續地產生升力。有一些旋翼機安裝了小的附加機翼以便在較高巡航速度飛行時產生升力。這些附加的機翼產生的升力可以作為旋翼升力的補充，甚至可以完全取代旋翼升力。

旋翼空氣阻力

合成的旋翼空氣阻力是作用在槳葉的每個槳葉位置上的旋翼空氣阻力的總合。每一個槳葉位置的貢獻根據速度和角度的不同而不同。當旋翼槳葉旋轉的時候，根據不同的位置，旋翼速度，飛行速度等的不同空氣阻力也在不斷的快速變化。槳盤攻角的變化可以快速有效地影響空氣阻力的變化。

旋翼阻力可以分為誘導阻力(induced drag)和翼型阻力(profile drag)。誘導阻力是升力的結果，而翼型阻力是旋翼轉速的函數。由于誘導阻力旋翼產生升力的結果，翼型阻力可以被看作是不產生升力時的旋翼阻力。這個阻力可以被理解成在不產生升力的情況下，預旋時為了達到給定的飛行轉速所要克服的空氣阻力。在具備對稱翼型和可變槳距的旋翼機上，這種工作狀態可以通過設置旋翼攻角為0°實現。對于安裝非對稱翼型和固定槳距角的旋翼系統，必須在預旋時克服誘導阻力。而大多數的業余制作的安裝蹺蹺板的旋翼系統正是屬于這一類。

推力

自旋翼機的推力定義為螺旋槳產生的氣動力中平行于相對來流的分量。和其他的作用于飛行器的力一樣，推力作用在重心(譯者：center of gravity,簡稱CG，是自旋翼機的重要常用縮寫之一)附近。根據推力作用的位置與重心的關系，螺旋槳的氣動力會有一個較小的垂直于相對來流的分量，并且根據位置關系可以表現為額外的升力或者重量。

飛行的時候，機身本質上相當于一個懸掛在旋翼系統下面的重錘，因此容易產生類似于直升機的鐘擺運動(pendularaction)。和直升機不同的是，自旋翼機的推力直接作用于機身之上而不是通過旋翼系統獲得。由此，在飛行的時候作用在自旋翼機和直升機上的力也不盡相同。例如：發動機力矩會使得機身向與螺旋槳轉向相反的方向偏轉幾度，從而使得機身偏離垂直平面。如圖8所示,通常在大多數的飛行條件下，這種輕微的偏斜是可以忽略的，也不會產生重要影響。

鐘擺運動—由于懸掛在旋翼系統下方造成的機身的橫向或者縱向擺動,類似于鐘擺的運動。進一步的討論參見《第三章-直升機飛行空氣動力學》。

圖8: 作用在螺旋槳上的發動機力矩有一個大小相同，方向相反的力矩作用在機身上，使得機身在飛行時偏離垂直方向一些。

穩定性

飛行器的穩定性有助于減輕飛行員的負擔增加安全性。類似于典型的通用飛行教練機一樣，一架穩定的飛行器，需要飛行員較少的精力去維持期望的飛行的姿態，在遇到陣風(Gust of wind)或者其他外力的影響的時候會自動修正姿態。相反的，一架不穩定的飛機需要飛行員持續不斷的保持注意力以維持飛機的控制。

有很多因素影響自旋翼機的穩定性。其中一個是水平安定面的位置。另一個是機身阻力與重心的關系。第三個是繞俯仰軸的慣性距，第四個是螺旋槳推力線與重心的垂直位置的關系。然而最重要的因素是旋翼力的作用線和重心水平位置的關系。

水平安定面

水平安定面有助于增加縱向的穩定性，離開重心越遠越是有效。因為升力正比于速度的平方，所以飛行速度越高水平安定面也就越有效，由于自旋翼機的速度不是很高，制造者可以通過改變水平安定面的大小，調整到重心的距離，或者放置在螺旋槳滑流(slipstream)中來獲得期望的穩定性。

機身阻力（壓力中心）

如果機身阻力或者壓力中心位于重心的后面，自旋翼機被認為是更穩定的設計。對于繞垂直軸的偏航運動尤其是這樣。為了達到這個條件就必須有足夠大的垂直尾翼面。另外，自旋翼機需要一個平衡的縱軸壓力重心以獲得足夠的周期運動（cyclicmovement）防止機頭壓低或者抬升, 當速度增加時前面的區域聚集了很多的壓力。

仰臥慣量

不用改變整體重量和重心位置，把重量配置得離重心越遠，自旋翼機就越穩定。例如，將飛行員的座位從重心向前移，將發動機從重心向后移，保持重心不變的情況下，自旋翼機會變得更加穩定。這和走鋼絲者(tightrope walker)用一根長棍來增加自身的平衡是相同的原理。

螺旋槳推力線

僅針對螺旋槳推力線本身而言，如果高于重心，當增加推力的時候，自旋翼機會有頭部向下的趨勢，而推力減小是會有抬頭的趨勢。螺旋槳推力線低于重心時，相反的情況會發生。如果推力線恰好通過重心或者在附近通過時，自旋翼機就不會有頭部俯仰的動作發生。如圖9所示。

圖9.螺旋槳推力線高于重心的自旋翼機通常稱為低姿(LowProfile)自旋翼機。螺旋槳推力線低于重心的被認為是高姿(HighProfile)自旋翼機。

旋翼力

由于一些自旋翼機根本沒有水平穩定面，而且螺旋槳推力線也是各不相同，自旋翼機的制造者可以通過把重心調整到旋翼力線的前面或者后面來獲得期望的穩定性。如圖16-10，假設向前飛行時CG位于旋翼力線的后方。如果陣風增加了攻角，旋翼力增大了。這同時導致了先后行槳葉的升力差，從而增加了槳葉揮舞角，導致旋翼的抬起。這個俯仰動作增加了相對于重心的力矩，導致攻角的進一步增加。這樣的結果是一種不穩定的狀態。如果CG位于旋翼力線的前方，陣風增加了攻角，導致槳盤產生同樣的反應，但是這時旋翼力的增大和槳葉揮舞將減小力矩，從而減小攻角，這種情況就是一種穩定狀態。

配平條件（TRIMMED CONDITION)

如前所述，制造者通過組合不同的穩定性因素來獲得一架配平的自旋翼機（trimmed gyroplane）。例如，如果你有一架重心低于螺旋槳推力線的自旋翼機，在加力的時候螺旋槳推力會造成頭部向下的俯仰力矩。在這種類型的自旋翼機上, 為了補償這種俯仰力矩，重心通常位于旋翼力線的后方。這個位置會產生一個抬頭的俯仰力矩。相反的，如果重心高于螺旋槳推力線，重心通常位于旋翼力線的前方。當然，機身阻力的位置，俯仰慣量和附加的水平穩定面都可以影響重心的位置。

圖 10.重心位與旋翼力線的前方的旋翼機比重心位與旋翼力線后方更穩定

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