雙層旋翼直升飛機(jī)傾斜控制器新型直升飛機(jī)可行性報告(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 增大，在直升機(jī)增加高度的同時又要向一邊偏轉(zhuǎn)。因此，必須相應(yīng)地蹬舵，才能保持航向平衡。加大舵量后，尾槳拉力所形成的滾轉(zhuǎn)力矩也增大，為保持側(cè)向平衡，還必須向另一側(cè)壓桿。而且，上提油門總距桿越猛，力和力矩的變化也就越突然，駕駛桿和舵配合保持平衡就越困難。反之，操縱得越柔和，保持平衡就越容易。 21 此外，操縱還必須考慮到旋翼的陀螺效應(yīng)對飛行狀態(tài)的影響，當(dāng)操縱駕駛桿時，旋翼的陀螺效應(yīng)使直升機(jī)產(chǎn)生進(jìn)動作用，對飛行狀態(tài)的影響如圖 2． 1— 36 所示。進(jìn)動大小決定于操縱桿動作的粗猛程度。柔和協(xié)調(diào)地操縱駕駛桿，直升機(jī)轉(zhuǎn)動慢，還 可減小旋翼進(jìn)動所帶來的不利影響，有利于直升機(jī)從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一種所需狀態(tài)。 第三章直升機(jī)構(gòu)造特點 第一節(jié)升力系統(tǒng) 旋翼系統(tǒng)由漿葉和漿轂組成。旋翼形式是由漿轂形式?jīng)Q定的。它隨著材料、工藝和旋翼理論的發(fā)展而發(fā)展。到目前為止，已以實踐中就用的旋翼形式有鉸接式、蹺蹺板式、無鉸式和無軸承式，它們各自的原因如圖 2． 2～ 1 所示。 一、漿轂連結(jié)構(gòu)特點 (一 )鉸接式 鉸接式 (又稱全鉸接式 )旋翼漿轂是通過漿轂上設(shè)置揮舞鉸、擺振 22 鉸和變距鉸來實現(xiàn)漿葉的揮舞、擺振和變距運動。典型的鉸接式漿轂鉸的布置順序 (從里向外 )是由揮舞鉸 、擺振鉸到變距鉸，如圖 2． 2— 2所示。也有揮舞鉸與擺振鉸重合的。 (二 )漿轂減擺器 鉸接式旋翼在擺振鉸上都有帶有漿轂減擺器，簡稱為減擺器，為漿葉繞擺振鉸的擺振運動提供阻尼。減擺器對于防止出現(xiàn)“地面共振”，保證其有足夠的隱定性裕度是必要的。 液壓減擺器 主要是用油液流動速度的損失來產(chǎn)生壓力差從而起到阻尼作用。圖 2． 2— 5 為這種減擺器的原理，圖 2． 2— 6 表示了這種減擺器在漿轂上可能的安裝情況。當(dāng)漿葉繞垂直鉸來回擺動時，減擺器殼體與活塞桿之間產(chǎn)生往復(fù)運動。這時，充滿殼體內(nèi)的油液也就要以高速度流進(jìn)殼體與活塞之間 的縫隙 (或者是活塞上的節(jié)流孔 )，活塞的左右就產(chǎn)生了壓力差，從而形成減擺力矩。 粘彈減擺器 70 年代開始出現(xiàn)了用粘彈性材料硅橡膠制成的粘彈減擺器。這種減擺器是利用粘彈性材料變形時很大的內(nèi)阻尼來提供所要求的減振阻尼，其構(gòu)造原理見圖 2． 2— 7。減擺器由當(dāng)中的金屬板及其兩邊的兩 23 塊外部金屬板構(gòu)成。內(nèi)部金屬板及兩塊外部金屬板之間各有一層硅橡膠，金屬板與橡膠硫化粘結(jié)在一起，內(nèi)部金屬板一端與軸向鉸軸頸相連，而外部金屬板則與中間連接件相連接。 (三 )萬向接頭式及蹺蹺板式 40 年代中期，在全鉸式旋翼得到廣泛應(yīng)用的同時， 貝爾公司發(fā)展了萬向接頭式旋翼，圖 2． 2— 8 所示為 Bell 47 型直升機(jī)萬向接頭式旋翼漿轂的構(gòu)造。兩片漿葉通過各自的軸向鉸和漿轂殼體互相連接，而漿轂殼體又通過萬向接頭與旋翼軸連結(jié)。改變總距是通過軸向鉸實現(xiàn)的，而周期變距是通過萬向接頭繞 Q— Q 鉸的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)。 蹺蹺板式旋翼和萬向接頭式旋翼的主要區(qū)別漿轂殼體中通過一個水平鉸與旋翼軸相連，這種漿轂構(gòu)造比萬向接頭式簡單一些，但是周期變距也是通過變距鉸來實現(xiàn)。 (四 )無鉸式 與鉸接式旋翼相比，無鉸式旋翼的結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性與飛行的力學(xué)特性聯(lián)系更為密切。這種形式的旋翼會產(chǎn) 生一些新的動力穩(wěn)定性問題。 (1)B0— 105 型直升機(jī)的無鉸式旋翼 24 BO 一 1 05 型直升機(jī)無鉸式旋翼，它的漿轂尺寸比較緊湊，剛度也很大，變距鉸在漿葉根部與漿轂相連，這種漿葉是屬于擺振柔軟型旋翼漿葉，擺振頻率ω u1=0． 65，旋翼結(jié)構(gòu)錐度角為 2． 50。 (2)“山貓”直升機(jī)的無鉸式旋翼 圖 2． 2— 11 所示為山貓直升機(jī)的漿轂結(jié)構(gòu)，它與 BO 一 105 直升機(jī)漿轂相比剛度要小，漿葉的揮舞運動由和漿軸相聯(lián)的揮舞柔性件彎曲變形實現(xiàn)，而擺振運動則是由變距鉸殼體的延伸段的彎曲變形實現(xiàn)。這種旋翼是采用了消除耦合的設(shè)計，它的擺振頻 率ω u11=0。 43，也是擺振柔軟的旋翼。 (3)星形柔性漿轂 圖 2． 2— 12 所示為法國航宇公司的 SA 一 365N“海豚”Ⅱ型直升機(jī)的星形柔性旋翼漿轂構(gòu)造，它主要是由中央星形件、球面層壓彈性體軸承、粘彈減擺器 (也稱頻率匹配器 )、夾板和白潤滑關(guān)節(jié)軸承等組成。中央星形件通過螺栓直接固定在旋翼軸接合盤上，球關(guān)節(jié)軸承連接漿葉，而內(nèi)端通過固定在星形件孔內(nèi)的球面層壓彈性體軸承與星形件相連接。星形件上伸出的四個支臂在揮舞方面是柔性的。 25 無軸承旋翼就是取消了揮舞鉸、擺振鉸和變距鉸的旋翼，漿葉的揮舞、擺 振和變距運動都以漿葉根部的柔性元件來完成。 西科斯基公司制出一種所謂“交叉梁 式的無軸承旋翼方案，原理簡圖見圖 2． 2— 1 7。 二、漿葉的結(jié)構(gòu)特點 旋翼系統(tǒng)中，漿葉是提供升力的重要部件，對漿葉設(shè)計除去氣動力方面的要求之外，還有動力學(xué)和疲勞方面的要求。例如所設(shè)計的漿葉的固有頻率不與氣動激振力發(fā)生共振，漿葉揮舞、擺振基頻率滿足 26 操縱穩(wěn)定性和“地面共振 等要求；漿葉承力結(jié)構(gòu)能有高的疲勞性能或采用破損安全設(shè)計等等。旋翼漿葉的發(fā)展是建立在材料、工藝和旋翼理論基礎(chǔ)上的。依據(jù)漿葉發(fā)展的先后順序，它有混合式漿葉、金屬漿葉 和復(fù)合材料漿葉三種形式。由于混合式漿葉在 50 年代后期逐漸被新式漿葉所代替。 (一 )金屬漿葉 金屬漿葉是由擠壓的 D型鋁合金大梁和膠接在后緣上的后段件組成。后段件外面包有金屬蒙皮，中間墊有泡沫塑料或蜂窩結(jié)構(gòu)，如圖2． 2— 1 9 所示。這種漿葉比混合式漿葉氣動效率高，剛度好，同時加工比較簡單，疲勞壽命較高。 (二 )復(fù)合材料漿葉 圖 2． 2— 20 所示為“海豚 直升機(jī)的復(fù)合材料漿葉結(jié)構(gòu)，主要承力件“ C形大梁主要承受離心力并提供了大部分揮舞彎曲剛度，它是由抗拉及彎曲方面比剛度和比強度較高的零度單向玻璃纖維預(yù)浸帶構(gòu)成。在翼 型前部和后部各布置了一個“ Z”形梁。前后“ Z”形梁與蒙皮膠接在一起，使?jié){葉剖面形成多閉室結(jié)構(gòu)； 三、自動傾斜器 自動傾斜器是直升機(jī)操縱系統(tǒng)的一個主要組成部分，旋翼的總距及周期變距操縱都要通過它來實現(xiàn)。 27 圖 2． 2— 21 所示為“云雀 III 直升機(jī)的自動傾斜器。它用球鉸直接套在旋翼軸外面，球鉸外面通過兩個青銅軸瓦與旋轉(zhuǎn)環(huán)連接，旋轉(zhuǎn)環(huán)通過旋轉(zhuǎn)扭力臂與漿轂相連，不旋轉(zhuǎn)環(huán)通過雙排徑向止推軸承和旋轉(zhuǎn)環(huán)連接。在不旋轉(zhuǎn)環(huán)上有三個操縱接頭互成 90。布置，其中成 180。布置的兩個接頭與兩根橫向拉桿連接，中間的一個接頭與縱向拉 桿連接。三根拉桿同時上下運動可實現(xiàn)總距操縱，橫向拉桿的差動運動實現(xiàn)橫向操縱。為了防止不旋轉(zhuǎn)環(huán)轉(zhuǎn)動，采用了防扭臂。 四、尾漿 尾漿是用來平衡反扭矩和對直升機(jī)進(jìn)行航向操縱的部件。另外，旋轉(zhuǎn)著的尾漿相當(dāng)于一個垂直安定面，能對直升機(jī)航向起穩(wěn)定作用。雖然尾漿的功用與旋翼不同，但是它們都是有很多相似之處。尾漿的結(jié)構(gòu)形式有蹺蹺板式、萬向接頭式、鉸接式、無軸式、“涵道尾漿”式等等。 70 年代以來，又發(fā)展了無軸承尾漿 (包括采用交叉式布置的無軸承尾漿 )及“涵道尾漿”。“涵道尾漿”是把尾漿置于機(jī)身尾斜梁的“涵道”之中。圖 2． 2～ 22 為直升機(jī)的“涵道風(fēng)扇”尾漿。 28 第二節(jié)機(jī)體結(jié)構(gòu) 一、概述 機(jī)體用來支持和固定直升機(jī)其他部件、系統(tǒng)，把它們連接成一個整體，并用來裝載人員、物資和設(shè)備，使直升飛機(jī)滿足既定技術(shù)要求。 機(jī)體是直升機(jī)的重要部件。圖 2． 2— 24 為 UH 一 60A 直升機(jī)的機(jī)身分段圖。 機(jī)體外形對直升機(jī)飛行性能、操縱性和穩(wěn)定性有重要影響。 在使用過程中，機(jī)體除承受各種裝載傳來的負(fù)荷外，還承受動部件、武器發(fā)射和貨物吊裝傳來的動負(fù)荷。這些載荷是通過接頭傳來的。 為了裝卸貨物及安裝設(shè)備，機(jī)身上要設(shè)計很多艙門和開口，這樣就使機(jī)體結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。 二、起落裝置 (著陸、著水、著艦裝置 ) 直升機(jī)起落裝置的主要作用是吸收在著陸時由于有垂直速度而 29 帶來的能量，減少著陸撞擊引起的過載，以及保證在整個使用過程中不發(fā)生“地面共振”。此外，起落裝置往往還用來使直升機(jī)具有在地面運動的能力，減少滑行時由于地面不平而產(chǎn)生的撞擊與顛簸。 在陸地上使用的直升機(jī)起落裝置有輪式起落架和滑橇式起落架。 如果要求直升機(jī)具備在水面起降或應(yīng)急著水迫降能力，一般要求有水密封機(jī)身和保證橫側(cè)穩(wěn)定性的浮筒，或應(yīng)急迫降浮筒。對于艦載直升機(jī)，還需裝備特殊著艦裝置，如拉降設(shè)備等。 (一 )輪式起落架 和固 定翼飛機(jī)相似，直升機(jī)輪式起落架由油氣式減震器和橡膠充氣機(jī)輪組成。直升機(jī)起落架減震器除了具有吸收著陸能量、減小撞擊等功能以外，還需要通過減震器彈性和阻尼的配置消除“地面共振”。 為了在所有使用狀態(tài)減震器都能提供阻尼消除“地面共振”的發(fā)生，直升機(jī)上普遍采用雙腔式減震器。 為某直升機(jī)起落架雙腔式減震器。這個減震器的特點是油液及氣體是分開的，活塞 2 的上部是油室，下部是氣室，活塞 1 又把氣室分為低壓腔及高壓腔。油液及氣體不分開的減震器，油液會吸收氣體而改變工作特性，同時由于泡沫的形成也會導(dǎo)致油液填充量不準(zhǔn)確，油氣分開后 就避免了這個缺點。 減震器分高壓腔和低壓腔之后，直升機(jī)起飛和降落時，起落架只要一觸地面，低壓腔就開始工作，當(dāng)有一定壓縮量之后，高壓腔參與工作，這樣，可保證起落架在各種狀態(tài)下具有避免“地面共振”所需的剛度，并在觸地的全過程都提供阻尼，消除“地面共振”。此外，為 30 提供所需的側(cè)向剛度，對直升機(jī)機(jī)輪也有些特殊要求。 (二 )滑橇式起落架 這種起落架在著陸時依靠結(jié)構(gòu)的彈性變形來吸收能量，起到緩沖作用。這種起落架結(jié)構(gòu)簡單、成本低、重量輕，不足之處是不具備超載滑跑起飛的能力。為了能在地面移動，往往需要在滑橇上安裝輔助機(jī)輪。滑 橇結(jié)構(gòu)彈性變形吸能起到緩沖作用，但阻尼很小，因此，采用滑橇式起落架的直升機(jī)為了避免“地面共振”，在滑橇結(jié)構(gòu)上應(yīng)考慮設(shè)計有阻尼器。 三、直升機(jī)著水和著艦裝置 如果直升機(jī)在水上使用，可以將機(jī)體底部做成船底，同時為了增加橫向穩(wěn)定性，在機(jī)體兩側(cè)加裝浮筒，也可以在機(jī)身或起落架上安裝應(yīng)急迫降浮筒，在直升機(jī)著水前充氣展開，以使直升機(jī)能飄浮一段時間，供人員撤離直升機(jī)。 由于艦船運動 (縱搖、橫搖、升沉 )將導(dǎo)致直升機(jī)著艦時滑移或翻倒，這就是直升機(jī)在中小型艦船上起降、停放的困難所在。魚叉裝置是解決這一問題的方法之一。它的基本原理 是通過魚叉作動筒和鎖鉤座提供一個向下拉力，使直升機(jī)牢牢固定在艦面的橋柵上，從而阻止直升機(jī)滑動和傾覆，保證直升機(jī)在艦上安全起降和快速系留。 第三節(jié)直升機(jī)的動力裝置 直升機(jī)動力裝置大體上分為兩類，即航空活塞式發(fā)動機(jī)和航空渦輪軸發(fā)動機(jī)。 在直升機(jī)發(fā)展初期，均采用技術(shù)上比較成熟的航空活塞式發(fā)動機(jī) 31 作為直升機(jī)的動力裝置。但由于其振動大，功率質(zhì)量比和功率體積比小、控制復(fù)雜等許多問題，人們就利用已經(jīng)發(fā)展起來的渦輪噴氣式技術(shù)尋求性能優(yōu)良的直升機(jī)動力裝置，從而研制成功直升機(jī)用渦輪軸發(fā)動機(jī)。 實踐證明，渦輪軸發(fā)動機(jī)較活塞式發(fā)動機(jī) 更能適合直升機(jī)的飛行特點。當(dāng)今世界上，除部分小型直升機(jī)還在使有活塞式發(fā)動機(jī)外，渦輪軸發(fā)動機(jī)已成為直升機(jī)動力裝置的主要形式，如圖 2． 2— 2圖 2． 2— 29 所示。 二、直升機(jī)對動力裝置的要求 航空發(fā)動機(jī)對直升機(jī)的各種使用特性都有重要影響，因而直升機(jī)對發(fā)動機(jī)的要求是多方面的。一般有以下幾點： (一 )發(fā)動機(jī)的功率重量比 (kW／ kg) 發(fā)動機(jī)從輸出軸上傳遞出來的功率，即發(fā)動機(jī)的有效功率，是保證直升機(jī)性能的基本技術(shù)參數(shù)之一。有效功率值一般在發(fā)動機(jī)性能說明書中給出。但評價發(fā)動機(jī)性能不只考慮其有效功率大小，還必須顧及 其重量大小，即發(fā)動機(jī)的功率重量比 (kW／ kg。為了保證直升機(jī)獲得良好的重量效益，在保證發(fā)動機(jī)安全可靠的前提下，應(yīng)盡量使發(fā)動機(jī)功重比越大越好。 32 現(xiàn)代一般渦輪軸發(fā)動機(jī)的功率重量比為 6～ 8，活塞式發(fā)動機(jī)在 2以下。 (二 )發(fā)動機(jī)的單位耗油主率 (kg／ kW h) 發(fā)動機(jī)的單位耗油率是指發(fā)動機(jī)平均每產(chǎn)生 1kW的有效功率在 lh內(nèi)所消耗燃油量的千克數(shù)。 單位耗油率也是評價發(fā)動機(jī)的重要指標(biāo)，是影響直升機(jī)使用經(jīng)濟(jì)性的因素。為了提高直升機(jī)的有效載荷能力，保證一定航程和續(xù)航時間，應(yīng)要求單位耗油率越小越好。一般渦軸發(fā)動機(jī)的單位耗油率 為0． 26～ 0． 3kgw h。 (三 )發(fā)動機(jī)的高度特性 由于空氣密度減小，發(fā)動機(jī)的有效功率隨飛行高度的增加而降低，但由于發(fā)動機(jī)的有效功率隨高度升高后空氣溫度也降低，使渦軸發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)效率略有升高，使有效功率比空氣密度降低較為緩慢。 (四 )發(fā)動機(jī)的溫度特性 環(huán)境溫度的變化，也會影響到發(fā)動機(jī)的工作。當(dāng)環(huán)境溫度升高后，進(jìn)入發(fā)動機(jī)的空氣密度減小，發(fā)動機(jī)的有效功率會因此降低，單位耗油率將會增加。 (五 )發(fā)動機(jī)的起動特性 直升機(jī)特別是軍用直升機(jī)，要求發(fā)動機(jī)在各種條件下，都易于起動，并使發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速迅速從零到達(dá)慢車轉(zhuǎn)速。 而且還要求發(fā)動機(jī)在空中能可靠地進(jìn)行起動。當(dāng)直升機(jī)在冬季或者高空條件下，由于環(huán)境溫度低，發(fā)動機(jī)滑油粘度