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发表时间 : 2018-12-29 17:12:24 | 浏览 : 13785    评论 : 0

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本帖最后由 七分熟谢谢 于 2018-12-31 13:58 编辑

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       前言:掌握直升机空气动力可以帮助我们更好的操控,本文从直升机由地面开车至起飞增速再到巡航时所遇到的气动力影响来探讨。

       关于作者:侯立铭( Damien )毕业于美国洛杉矶直升机公司,持有FAA颁发商照、教员照。

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旋翼气动力(Aerodynamic of Rotor System):

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注:关车状态时,旋翼受重力影响自然下垂。

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注:开车后,旋翼转速逐渐加快,受圆周运动而出现的离心力影响,桨叶被拉平。

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注:当旋翼转速到达一定值时,逐渐获得的升力使桨叶锥进

锥进(Coning):桨叶受离心力与升力的共同作用而锥起。

       科里奥利效应(Coriolis Effect):一种生活中常见的惯性现象。例如,由于地球自转产生科氏力使得水池或抽水马桶放水时水面形成漩涡,而漩涡方向在北半球为逆时针、南半球为顺时针。

       科里奥利效应对于直升机旋翼的影响在于当桨叶锥进时,由于圆周运动的周长缩小使其旋转速度增大给予补偿。也就是说当圆周运动的桨尖距离主轴(圆心)越近则其旋转速度越大。

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注:同样的原理可以参考滑冰运动员。其双手从打开时到上举或抱在胸前,旋转速度会大大增加。

       受到科里奥利效应的作用,为了防止桨叶的进一步锥进。设计人员为全铰接式桨叶系统设置了摆振阻尼器(Blade dampers)。全铰式桨叶每片桨叶能够独立的挥舞与摆振。桨叶前后摆振阻止了桨叶因科里奥利效应影响而增减速。阻尼器相当于弹簧,通过前拉后拽的方式使得整个桨盘旋转平面趋于平衡状态。

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注:阻尼器(图中桨根的黑色圆柱体),是以提供运动的阻力,耗减运动能量的装置。

       而在R22、R44这种小型直升机上,由于其市场定位趋向于轻便简单,所以并没有采用复杂的摆振阻尼器来平衡科里奥利效应的影响。而是采用了相对更加简单但同时风险(低过载主轴碰撞)却更大的方法—— 悬挂式(Underslung)主旋翼。

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注:R22悬挂式主旋翼的桨毂像一顶帽子扣在主轴上方。

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注:悬挂式桨毂使得桨叶随着锥进挥舞,向上挥位伸出同时下舞位缩回,这样保持了桨叶旋转平面的平衡。

横侧漂移(Translating Tendency):也被称作尾桨漂移,是指直升机在悬停时向尾桨推力方向一侧漂移。

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       注:由于主旋翼做逆时针旋转产生的扭矩使得直升机机身向顺时针旋转,通过尾桨反扭矩的补偿阻止了机身的旋转,但机尾相反的两个力相互抵消后,还剩余一个机头部分向右的力,这个力也就使得直升机向右侧(尾桨推力方向)漂移。

       设计师通过1、将主轴(Mast Rigging)向左偏置一定角度;2、将周期变距杆(Cyclic Bias)向左偏置一定角度;3、安装电子配平系统(Electrical Trim)来修正横侧漂移的偏差。飞行员在操纵直升机悬停时,通过稍向左的稳杆(Pilot Input)来修正横侧漂移的偏差。

       横流效应(Transverse Flow Effect):也被称为入流翻滚,是指直升机由悬停至向前飞行时桨叶平面前部与后部的升力不平衡。

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       注:可以看出前部桨叶旋转平面与相对气流夹角小;后部桨叶旋转平面与相对气流夹角大。前部桨叶迎角大;后部桨叶迎角小。

       前部升力大,后部升力小。加之陀螺进动性效应,升力作用点90°延迟至270°(机身左侧)。
这就是为什么在压低机头起飞增速时,大概在12-16Kts时,直升机会出现机头上仰同时微微向右滚转并突然出现抖动。此时应向前迎杆并稳住,使直升机保持姿态与高度直至获取有效过渡升力(16-24Kts)。

       过渡升力(Translational Lift):当直升机水平(任意方向)位移时,出现的旋翼效能增大现象。过渡升力产生是因为相对运动导致气流速度的改变、相对气流方向的改变(诱导气流大小的改变)、阻力的减少(桨尖涡流的减少)。

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       注:根据升力公式,气流的相对运动速度增大,V成平方的增加,升力自然显著增大。

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       注:悬停时(右)与前飞时(左),相对气流改变,由垂直向下变为带有一定切入角度。根据升力公式,相对气流方向的改变(迎角增大),CL(升力系数)增大,升力增大。

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       注:悬停时(右)桨尖产生的涡流大大削弱了旋翼效能,而前飞时(左)的相对气流将桨尖涡流向后方吹散使得旋翼效能增强。

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       注:同样的,前飞产生的相对气流将悬停状态时尾桨的桨尖涡流向后吹散使得尾桨效能增强。

       有效过渡升力ETL(Effective Translational Lift)大致出现在16-24Kts,过渡升力的获得并不一定需要直升机前飞,有时地面风20Kts即使悬停状态就已然获得。

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注:逆风1-5Kts,直升机悬停时,气流扰动与涡流消散的大致图示。

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       注:逆风10-15Kts,直升机悬停时,气流更趋向于水平,扰动与涡流消散图示。

       正常前飞时,随着前飞速度增大,过渡升力变得越来越有效。综合横流效应、升力不对称性与陀螺进动性,直升机姿态变化明显:机头上仰、左偏,机身稍向右翻滚。所以,在经历过渡时操纵直升机动作轻柔,根据姿态变化趋势,向左前方稳杆,轻柔增加右脚蹬量,这样就不容易出现直升机在经历过渡升力速度时花枝乱颤了。

       升力的不对称性(Dissymmetry of Lift):是指直升机前飞或巡航时,前行桨叶区与后行桨叶区升力不一致。

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前行桨叶:直升机桨叶转动方向与其前飞方向相同的桨叶。
后行桨叶:直升机桨叶转动方向与其前飞方向相反的桨叶。

升力不对称性讲解


桨叶挥舞

       后行桨叶失速(Retreating Blade Stall):直升机前飞速度过大时(Vne),后行桨叶挥舞过度,造成的后行桨叶补偿迎角过大,并超过了临界迎角从而导致后行桨叶失速。

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       随着前飞速度超过或有时接近最大平飞速度时,后行桨叶的大部分区域处于失速状态,导致升力急剧衰减。

       前行区与后行区不平衡的升力造成直升机振动,机身后行桨叶区一侧翻滚,机头上仰。意识到后行桨叶失速,应立即下放总距,操纵周期变距杆修正偏转姿态。

       本文简单阐述了直升机由地面关车至起飞巡航时所经历的主要气动力。对于掌握好基本空气动力学能更大程度上帮助提高直升机飞行技巧。希望大家能对本文中错误纰漏作出指正,积极探讨,感谢阅读!


注:欢迎分享转发,转载请标注作者侯立铭( Damien )和来源临云行
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