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灵感源自橡皮筋模型—直升机旋翼桨叶挥舞和变距概谈

203 人阅读 | 时间:2018年07月23日 14:46

相比于直升机的悬停状态,对前飞状态下的旋翼桨叶而言,两者最显著的差异就是——前飞状态下,随着旋翼一圈圈地旋转,桨叶微段地相对来流速度由旋转速度和来流速度叠加而成,因而桨叶在不同径向及不同方位角站位上,其速度都不相同,且随着旋翼的周期性旋转往复循环变化。下图显示的是一副逆时针旋转的旋翼来流示意图,图中,Forward Speed 为直升机前飞来流速度,Tip Speed为旋翼桨尖速度,前行侧 Advancing Side 位于右侧,后行侧 Retreating Side 位于左侧,图中间的小圆圈内,由于前飞来流速度从桨叶几何后缘吹向前缘,而由于旋转导致的空气流动从前缘吹向后缘,两者叠加之后,前飞来流速度占优,导致桨叶经过该圆圈时,总气流从桨叶几何后缘吹向前缘,因而这个小圆圈所占的区域被称为反流区 Reverse Flow Region,显然,由于直升机旋翼转速是不变的,随着前飞速度的增加,反流区将逐渐增大,假如前飞速度达到桨尖速度(前进比——来流速度于桨尖速度的比值——μ=1),几乎整个后行侧都将处于反流区内,这就是高速型旋翼机面临的高前进比状况,当然这暂且不在本文讨论范围之内,所以暂时略过不谈。

上文提到的前进比可以说是直升机前飞速度分布分析中最为重要的一个参数,其符号一般为μ(音:Miu),

前进比 = 前飞速度/旋翼桨尖速度

显然,在悬停状态下,前进比为零,而对于现代大多数直升机而言,其极速飞行状态下,前进比的数值可以达到0.45。上面那张图中,直升机前飞对应的前进比大约为0.3,这也是典型的巡航状态前进比(参考巡航速度为200~270千米时,具体巡航前进比数值还是要取决于旋翼桨尖速度,正常情况下一般不会超过0.4)。

在前飞状态下,旋翼”头部“和”尾部“(对应180°和0°方位角)的桨叶速度分布与悬停状态一致(不考虑偏流——沿着桨叶半径方向的气流——的情况下;对于常规直升机,偏流效应不显著,往往不考虑),但是后行侧桨尖气流速度比悬停要低30%,前行侧桨尖气流速度则要比悬停告30%(对应方位角270°和90°)。 

关于反流区还有一点值得注意的是,在低速飞行情况下,反流区往往只附着在桨毂周围,再加上桨叶根切,反流区对旋翼几乎没影响,但是当直升机极速飞行时——如上文所言,达到0.45前进比时——反流区直径将扩大为旋翼半径的45%左右,这时候,反流区对旋翼的影响就不得无视了。

桨叶挥舞

上一节所介绍的前飞过程中非对称速度分布是直升机和固定翼飞行器(气流速度对称分布)的主要区别之一。

相对于固定翼飞行器的机翼而言,直升机旋翼的安装连接方式相对来说,可以算是比较”松散“了,这种”松散“既奠定了旋翼类飞行器研制成功的基石,同时也给旋翼类飞行器带来了一系列独特的特点,尤其是在稳定性和操纵性方面。

桨叶连接到桨毂采用铰接而非固连是一项相当重要的发明,虽然这项发明并非是在直升机的研制中出现的——而是在自转旋翼机 Autogyro 的研制中发明出来的——但是这项发明却实实在在促进了直升机理论和工程实际方面的长足发展。

这项发明出现的时间是20世纪20年代,当时,西班牙的自转旋翼机设计师 Juan de la Cierva 正在为其设计的自转旋翼机存在的一系列气动问题而苦恼。

当时Cierva的信条是——如果失败了就从头再来。显然他第一次驾驶他自制的自转旋翼机获得了失败,他驱动自己的自转旋翼机滑跑试图起飞,然后他的自转旋翼机在达到起飞速度之前,突然就侧翻了,旋翼打到地面,彻底报废。Cierva毫不气馁,没多久就又进行了第二次试飞,然而没有对旋翼做任何改进的情况下,第二次试飞与第一次并没有什么差别,他的自转旋翼机又一次侧翻了。

在那个年代,Cierva没有任何关于旋翼技术的知识,这位聪明的西班牙发明家最多就是有些关于风车的技术——这方面的知识至少比同国的堂吉诃德要好些。

这种侧翻(滚转力矩)的成因对于他来说简直就像当时西方社会中流传的”来自东方的神秘力量“一样神秘,因为Cierva在试飞他的橡皮筋动力的自转旋翼机模型过程中从来没有发生过侧翻,因为无法解决这个问题,自转旋翼机的研制进度一度暂停。

转机在他听某场歌剧的时候出现了,也许是某个婉转的音调刺激了他的神经,他脑海中灵光闪现,他突然就意识到,之所以模型不会侧翻而他真正的”座驾“会侧翻的原因很可能就是两者旋翼的刚度不一致,模型的桨叶是”柔软“的竹材,而座驾则是类似于当时的固定翼飞机一般”刚硬“支承的桨叶。

”刚硬“支承的桨叶在前进过程中,前行侧的气流速度显然要大于后行侧,由于两侧的桨叶安装角一致,因而其气动迎角也大致相等,因而不同的气流速度就会导致不同的升力分布,从而导致了前行侧的力大于后行侧,随着前进速度增大,两者的力之差形成的力矩达到一个可观的数值,一下就掀翻了自转旋翼机。

而在模型自转旋翼机中,由于桨叶可以自由弯曲,上下挥动,因此具有较大气动力的前行侧就会激发桨叶挥得高一点,由于陀螺的进动效应,这种激励将会有滞后,而随着旋翼回到桨盘前方,其气流速度降低,桨叶气动力恢复到正常水平,随后桨叶转入后行侧,其气流速度减小,桨叶气动力减小,因而就会挥得低一些,如此循环。而前行侧桨叶的挥起将会减小其气动迎角,降低其气动力,后行侧的桨叶则相反。

当前行侧和 后行侧桨叶的挥舞导致的气动力变化变化刚好能够抵消由于速度分布不对称导致的气动力变化的时候,挥舞达到平衡状态。

歌剧结束之后,Cierva立刻就决定采取行动——将他的全尺寸旋翼改为具备弹性挥舞功能的。他决定采取一种最简单的做法,就是在旋翼和桨毂之间安装一个机械铰链,这样他的桨叶就能够挥舞了——就类似于他的模型旋翼机一样。事实证明他的想法确实成功了,他的自转旋翼机成功起飞,并且在飞行过程中,气动力激励桨叶挥舞,而高速旋转的桨叶离心力又向弹簧一般把桨叶拉回水平位置。

随着旋翼挥舞技术的突破,Cierva在自转旋翼机上取得了成功,并且开始对挥舞铰进行一系列的改进,这些都直接促成了如今直升机上所使用的挥舞铰的出现。

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