旋转的奥秘_|www.h2o-life.com

澳门威尼斯人官网|真人娱乐

当前位置: 澳门威尼斯人官网 > 民用航空飞行员 > 旋转的奥秘正文

旋转的奥秘

时间:2012-11-21 11:49来源:澳门威尼斯人官网 作者:admin 点击:
澳门威尼斯人官网自古以来,人类一直都有着在天空中自由飞翔的梦想。而为了达成飞翔的梦想,经过千百年来的无数构思,提炼出两个主要的探索方向。第一个探索方向,是仿效鸟儿,在翅膀上下功夫,通过模拟飞鸟的翅膀来实现飞行,中外历史上都有过用羽毛粘成翅膀意图飞翔的传说

  自古以来,人类一直都有着在天空中自由飞翔的梦想。而为了达成飞翔的梦想,经过千百年来的无数构思,提炼出两个主要的探索方向。第一个探索方向,是仿效鸟儿,在翅膀上下功夫,通过模拟飞鸟的翅膀来实现飞行,中外历史上都有过用羽毛粘成翅膀意图飞翔的传说和记载,这个方向又经过无数摸索和挫折之后,最终发展成为了现代的飞机。另一个探索方向则是利用人工机械产生直接向上的力量,使得人脱离地面的束缚,中国早在晋朝就出现了文字记录的竹蜻蜓,就是这样一种人工机械,其工作原理与现代直升机并无二致,但由于缺乏适当的驱动装置,竹蜻蜓一直都只是停留在玩具阶段,没有进一步的发展。欧洲文艺复兴时期,著名的天才达·芬奇曾经设计过一种直升机,用一个布料做成、类似于螺丝钉一样的螺旋面来“锥进”空气中,从而将人带到天上,同样的,由于不存在可用的动力装置,达·芬奇的直升机始终都没有走下过绘图板。
  欧洲工业革命之后,特别是在19世纪末发明了质量轻、功率大的汽油机之后,人类飞天的梦想才得到了坚实的支持。但由于直升机技术的复杂性,在1903年莱特兄弟实现飞机的首次飞行之后,直到1937年,德国著名的福克教授才成功试飞了完全可以操纵的福克直升机,这也是第一种公认的直升机。而直升机技术的复杂性,主要来源于其升力的源头——旋翼系统。
  现代直升机都是用直径巨大的旋翼来实现飞行的,旋翼是为直升机飞行产生升力和操纵力的核心部件。传统的直升机旋翼由连接到桨毂上的两片或多片桨叶组成。桨叶通常靠来自发动机的扭矩保持旋转运动。
  桨叶和桨毂
  由于旋翼系统产生直升机飞行所必需的升力、拉力和操纵力,集多项功能于一身。与普通螺旋桨式飞机的螺旋桨相比,直升机的旋翼系统要复杂得多。从结构上分,旋翼系统由桨叶和桨毂两部分组成,其中桨叶翼型有传统的对称翼型和桨尖弯曲翼型两种;桨叶材料有金属和复合材料两种。桨毂主要有铰接式桨毂,半无铰式桨毂,无铰式桨毂,无轴承桨毂等。
  先看桨毂,铰接式桨毂是最早实用的直升机旋翼系统桨毂类型,其上设置有挥舞铰、摆振铰和变距铰来实现桨叶的挥舞、摆振和变距运动。
  挥舞铰的作用是使得桨叶可以在垂直方向上挥舞,从而改变桨叶的升力,保持直升机的平衡。因为直升机在前飞时,旋翼向前转动方向上的半周,桨叶相对于气流的实际速度,等于桨叶旋转线速度与直升机前飞速度之和(此时称为前行桨叶),而在向后转动方向上的半周,桨叶相对于气流的速度,等于桨叶旋转线速度与直升机前飞速度之差(此时称为后行桨叶),由于桨叶线形是固定不变的,显然前行桨叶上产生的升力将会远远大于后行桨叶,这就造成了直升机两侧升力的不平衡,这也是绝大部分早期实验直升机因而铩羽的主要原因。在使用了挥舞铰之后,前行桨叶在较大的升力作用下会向上挥舞,此时在相对气流的作用下,其实际仰角会减小,从而降低升力,而后行桨叶在相对气流的作用下刚好相反,其实际仰角会增加,升力也随之提高,由于挥舞铰的作用,使得左右两侧前行桨叶和后行桨叶的升力得以平衡,直升机才不会发生翻滚。
  但是,桨叶在旋转过程中,因为挥舞而不断升高、降低,桨叶尖端离圆心的距离不断改变,引起科里奥利效应,所以桨叶在水平方向也要前后摇摆,以补偿桨叶上下挥舞所造成的科里奥利效应。摆振铰利用前行时阻力增加,使桨叶自然增加后掠角(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),这也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,阻力减小,阻尼器(相当于弹簧)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),当然也加强了增加迎角的作用,所以摆振铰也称领先-滞后铰。
  挥舞铰和摆振铰是旋翼升力均匀、直升机平稳飞行的关键。而变距铰则是直升机改变升力大小和方向、实现自由飞行的关键。变距铰通过拉杆与下方的变距斜盘相连,使得桨叶可以绕自身轴线旋转,从而改变桨叶相对于水平面的仰角,进而改变桨叶的升力,操纵直升机飞行。变距斜盘有轴向上下移动和水平倾转两种运动,前者由总距-油门杆操纵,后者由周期变距操纵杆(即驾驶杆)操纵。当飞行员加大油门(同时提高总距)时,变距斜盘轴向移动,通过拉杆使得桨叶的仰角增大,升力也增大,反之则升力减小;当飞行员摆动驾驶杆时,变距斜盘水平倾转,此时倾转的前方仰角减小,后方仰角增大,由于后方升力高于前方,使得桨叶的合成升力指向驾驶杆摆动的方向,其水平分力即为驱动直升机前飞的动力。通过油门-总距杆和驾驶杆的综合操纵,直升机就能获得飞行员需要的任意飞行姿态。
  铰接式桨毂在设计年代较早的老式直升机中广泛应用,例如苏联/俄罗斯生产的米-4直升机和米-8直升机。铰接式桨毂还有一种变型,称为跷跷板式桨毂,主要为美国贝尔公司生产的直升机所采用,其双叶桨叶刚性连接成一个整体,共用一副挥舞铰,就像跷跷板一样,其结构比普通铰接式桨毂简化很多,但只适用于中小型直升机,例如贝尔公司生产的著名的UH-1直升机。
  由于铰接式桨毂结构复杂,难以维护,寿命也受到影响,为此出现了半无铰式桨毂,一般是用一个弹性元件取代了挥舞铰和摆振铰的功能,例如著名的H-60“黑鹰”直升机,采用的是一个层压弹性轴承。半无铰式桨毂结构大为简化,而且弹性元件一般进行了低润滑需求设计,不用频繁添加、更换桨毂铰链润滑剂,维护工作量大幅度减少。
  但是,半无铰式桨毂仍然有单独的弹性元件,在此基础上,将弹性元件与桨叶一体化,进一步减少零件数量,就是无铰式桨毂。例如德国的BO-105直升机,其桨叶挥舞和摆振运动是通过玻璃钢桨叶根部的弯曲变形来实现的。英国“山猫”式直升机的无铰式桨毂稍有特别,由于舰载旋翼折叠的要求,其柔性桨根跟桨叶是铰链连接的,但本质上仍属于无铰式桨毂。
  无轴承桨毂既无挥舞铰、摆振铰,也无变距铰,其工作变化完全通过桨叶自身的柔性变形来实现,由于直升机旋翼周期工作时间长、受力条件恶劣,材料极易产生疲劳损坏,目前,虽然美国西科斯基公司和波音公司都对无轴承桨毂进行了试验,但迄今为止,仍无实用机型的应用记录。
  直升机的旋翼
  再看旋翼,传统的直升机旋翼普遍采用对称翼型,桨叶各处翼型剖面、弦长都是一样的,这虽然有利于桨叶的设计和制造,但是桨叶的气动性能不能很好的满足周期旋转的气动要求。例如,前行桨叶速度高,当接近本地声速时,就会在线速度最高的桨尖部位出现激波,使得阻力增加、桨叶振动加剧,而后行桨叶仰角大,当仰角超过失速仰角时,就会造成桨尖失速,升力下降、阻力上升。为此,从第二代直升机开始,普遍采用不对称翼型。按照传统思维的理解,不对称的翼型件是不稳定的,但通过对旋翼后缘弯曲部分的校正,不对称翼型也能具有和对称翼型相同的稳定性,此外,不对称翼型还能在允许旋翼在较高的旋转速度下产生升力,克服了传统对称翼型的不足。
  另外,旋翼的设计也不断参考机翼的设计。仍以著名的H-60“黑鹰”直升机为例,其桨叶的末端有一小段带下反角的后掠翼,可以有效地延缓桨尖气流分离、提高气动效率、改善气动载荷分布、降低振动和噪声。而从第二代“黑鹰”直升机H-60M开始,其旋翼系统进一步升级,桨叶改为内侧和外侧采用不同的翼型和弦长,同时仍然保留了后掠翼尖的设计,使得其升力加大的同时,气动性能有了进一步的改善。
  传统的直升机桨叶由金属材料制成,通常以一根截面为C字型或D字型的铝合金大梁为主要承力结构,以蒙皮构成完整的流线翼型,由于桨叶工作条件恶劣,而铝合金材料存在疲劳损坏的问题,一般金属桨叶的寿命为1 000小时以上。现代直升机广泛采用复合材料桨叶,复合材料容易制造成复杂的气动外形,而且表面质量好,可以提高气动效率,通过适当的剪裁和铺设,可以获得极高的比强度,疲劳寿命大幅度提高,耐冲击,被轻型火力命中时具有破损安全能力,同时其工艺性好,容易制造,互换性好、成本低。目前,现代复合材料旋翼已经可以做到视情维护,理论上可以具有无限寿命,新型直升机无一例外,均采用复合材料桨叶的旋翼。

(责任编辑:admin)
顶一下
(0)
0%
踩一下
(0)
0%
------分隔线----------------------------
相关论文