旋翼機的發(fā)展與應(yīng)用

申 斌，吳一波，林冬生

武漢市軍械士官學(xué)校，湖北武漢 430070

0 引言

旋翼機具有結(jié)構(gòu)簡單、安全性能良好、操作容易等多方面的優(yōu)點，具有很好的垂直著陸能力及短距離的起飛能力，在很多領(lǐng)域得到了很好的應(yīng)用。因此，本文對于旋翼機的發(fā)展及應(yīng)用方面的研究不僅具有一定的理論指導(dǎo)作用，也具有一定的實際應(yīng)用價值。

1 旋翼機國內(nèi)外研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

19 世紀(jì)30 年代，西班牙工程師席爾瓦設(shè)計發(fā)明了第一個能夠?qū)崿F(xiàn)可控飛行的旋翼機，并且旋翼機試飛成功。隨后在1934 年，席爾瓦設(shè)計制造了第一架能夠?qū)崿F(xiàn)跳躍起飛的旋翼機，型號為C30 型，該設(shè)計中旋翼機采用直接旋翼操作，能夠?qū)崿F(xiàn)旋翼機的一次性的轉(zhuǎn)向動作、俯仰動作以及側(cè)傾動作的操作，在很大程度上簡化了旋翼機的操作控制，因此C30 旋翼機成為當(dāng)時實現(xiàn)量產(chǎn)并且最受歡迎的旋翼機，圖1 所示為C30 型旋翼機。

圖1 C30 型旋翼機

隨后，國外很多航空工作者和專家都對旋翼機進(jìn)行了深入的研究，都取得了不錯的研究成果。根據(jù)不完全統(tǒng)計，目前積極在美國已經(jīng)正式注冊登記的旋翼機就已經(jīng)達(dá)到了幾萬架之多，而針對旋翼機進(jìn)行研究生產(chǎn)制造的公司就有幾十家大型的航空公司。美國格萊恩航空公司生產(chǎn)的“獵鷹”2 型號（HAWK—2）旋翼機，能夠?qū)崿F(xiàn)最大飛行速度185km/h，巡航速度130km/h，持續(xù)飛行時間長達(dá)四小時，飛行里程最大為500km，旋翼機守家在6 萬-7.5 萬美元之間，是目前世界上安全性能最好，并且質(zhì)優(yōu)價廉的高性能旋翼機。隨后2002 年，美國格萊恩航空公司生產(chǎn)的“獵鷹”4 型號（HAWK—4）旋翼機，執(zhí)行第19 屆奧林匹克冬季運動會期間的安保巡邏工作，在巡邏期間，該旋翼機成功完成67 項項目，無需任何方面的維修和保養(yǎng)工作，表現(xiàn)出極其優(yōu)秀的性能，該旋翼機在美國很多的政府的空中警察隊執(zhí)行偵查和巡邏任務(wù)，起到十分很重要的作用。

但是，針對旋翼機的研究在我國國內(nèi)還處于初級階段，相關(guān)方面的研究還是比較少。1998 年，泰克（天津）飛行器制造有限公司參加中國珠海國際航空航天展覽會過程中，展出了本次航空航天展的唯一一架泰克150 型旋翼機，該旋翼機具有優(yōu)秀的機動性能，引起了當(dāng)時參展人員的極大關(guān)注。最近，由北京東方神鷹科技發(fā)展有限責(zé)任公司與南京航空航天大學(xué)直升機技術(shù)研究所合作，共同研發(fā)了ZX1 型“開拓者”自轉(zhuǎn)旋翼機，也具有不錯的綜合性能，為旋翼機的研究發(fā)展提供了一定的指導(dǎo)作用。

2 多旋翼工作原理及其主要特點

旋翼機的主要升力裝置為不同數(shù)目的旋翼，旋翼在工作過程中自由旋轉(zhuǎn)，空氣氣流從下向上的方向穿過旋翼槳盤，提供旋翼機上升的升力。旋翼機在起飛時所需要的拉力或者推力主要來自于旋翼機前部的拉力螺旋槳或者旋翼機后部的推力螺旋槳，迎面流動的空氣驅(qū)動螺旋槳轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)旋翼機的前進(jìn)飛行。

通常情況下，旋翼機的主要特點有以下幾個方面：

1）旋翼機整體結(jié)構(gòu)組成簡單，具有較高的經(jīng)濟(jì)性能。旋翼機的升力是由旋翼自由旋轉(zhuǎn)提供，不會產(chǎn)生反轉(zhuǎn)扭力，沒有設(shè)計多余的發(fā)動機傳動裝置，所以說旋翼機的結(jié)構(gòu)比較簡單，維修和操作程序也比較簡單，并且旋翼機的介質(zhì)僅為同量級直升機的1/5 ～1/10，旋翼機的經(jīng)濟(jì)性能較高；

2）旋翼機操作和維護(hù)程序簡單。旋翼機的旋翼是沒有動力裝置的，并且旋翼機的尾部也沒有傳動系統(tǒng)和減速器等相關(guān)的動力系統(tǒng)，并且大部分的旋翼機都沒有主旋翼的減速以及傳動系統(tǒng)裝置，因此旋翼機在操作起來程序比較簡單。除此之外，旋翼機的維護(hù)工作也比較簡單，國外的針對旋翼機的培訓(xùn)中心，一般沒有任何飛行經(jīng)驗的飛行員，經(jīng)過兩天的培訓(xùn)即可完全掌握操作和維護(hù)程序；

3）旋翼機起飛和下降距離比較短，不需要專門的停機機場。通常情況下，旋翼機有短距離起飛和幾乎垂直起飛兩種不同的起飛方式，這兩種起飛凡是都是利用旋翼機旋翼自身的特性，實現(xiàn)旋翼機的起飛，兩種方式的起飛距離都比較短。在旋翼機下降過程中，能夠通過操作旋翼機的錐體實現(xiàn)旋翼機后傾，能夠?qū)崿F(xiàn)點式著陸，幾乎能夠?qū)崿F(xiàn)旋翼機的垂直降落，因此不需要專門的停機機場，使用方便；

4）旋翼機具有十分高的安全性能。旋翼機的前進(jìn)飛行時，一直保持自傳狀態(tài)，不會以為發(fā)動機的停止出現(xiàn)突然的市區(qū)控制，能夠?qū)崿F(xiàn)安全的著陸，能夠保證旋翼機像降落傘一樣實現(xiàn)下降，因此，旋翼機被稱之為世界上最安全的航空飛行器。

3 多旋翼技術(shù)發(fā)展趨勢

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，旋翼機技術(shù)的發(fā)展速度也越來越快，對比目前旋翼機技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，未來多旋翼技術(shù)的發(fā)展主要的新技術(shù)有以下幾個方面：旋翼機旋翼新技術(shù)、旋翼機振動控制技術(shù)以及旋翼機復(fù)合材料應(yīng)用新技術(shù)等。

3.1 旋翼機旋翼新技術(shù)

在旋翼機的設(shè)計與研發(fā)中，旋翼一直是設(shè)計師重視和創(chuàng)新設(shè)計的主要結(jié)構(gòu)，主要的新技術(shù)體現(xiàn)在旋翼機旋轂和旋槳兩個主要結(jié)構(gòu)上，這也成為旋翼機技術(shù)實現(xiàn)突破的重要標(biāo)志之一。

隨著生產(chǎn)工藝以及結(jié)構(gòu)動力學(xué)的快速發(fā)展，旋翼旋轂的結(jié)構(gòu)也在不斷的發(fā)生著變化。特別是最近這幾年來，出現(xiàn)了很多種不同結(jié)構(gòu)形式的旋翼旋轂，比如帶彈性鉸的鉸接式、無鉸式以及星形柔性等旋轂結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)整體設(shè)計簡單，重量比較輕，維護(hù)以及生產(chǎn)方便，具有較高的安全性能。并且結(jié)合計算機技術(shù)和有限元技術(shù)，對于旋轂結(jié)構(gòu)建立有限元模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化以及尺寸形狀優(yōu)化，對于旋轂新技術(shù)的開發(fā)具有十分重要的作用。

隨著計算技術(shù)的快速發(fā)展，多體動力學(xué)以及空氣動力學(xué)技術(shù)也實現(xiàn)了快速的進(jìn)步，國內(nèi)外很多企業(yè)和研究機構(gòu)對于旋翼的旋槳進(jìn)行了大量的深入研究。對于旋翼的槳葉進(jìn)行空氣動力學(xué)以及多體動力學(xué)方面的研究設(shè)計，優(yōu)化旋翼機的旋翼槳葉的形狀及其結(jié)構(gòu)性能，并且進(jìn)行多學(xué)科之間的多目標(biāo)綜合優(yōu)化設(shè)計，使得旋翼機旋翼新技術(shù)的研究步入了一個嶄新的發(fā)展階段。

3.2 旋翼機振動控制技術(shù)

隨著人們對于振動理論研究的逐步深入，旋翼機振動控制技術(shù)的研究也越來越深入。在進(jìn)行振動控制技術(shù)的研究中，關(guān)注最為重要的是振動的抑制技術(shù)，在旋翼機的設(shè)計與研發(fā)過程中，將現(xiàn)代主動控制理論技術(shù)與旋翼機的振動控制相互結(jié)合，對于旋翼機的整體振動進(jìn)行主動控制，主動控制旋翼的氣動載荷或控制機體對旋翼激振的響應(yīng)，從而在整體上降低旋翼機的振動水平。

除此之外，對于旋翼機組成零部件的振動研究也有著十分重要的作用，對于主要結(jié)構(gòu)件比如說旋翼、發(fā)動機、機體等進(jìn)行相關(guān)振動方面的研究，結(jié)合計算機技術(shù)和有限元技術(shù)，建立結(jié)構(gòu)件有限元模型，進(jìn)行結(jié)構(gòu)件模態(tài)分析，了解其主要振動頻率和振型，降低結(jié)構(gòu)件本身的振動，也能夠?qū)崿F(xiàn)旋翼機整體的振動水平的降低。

3.3 旋翼機復(fù)合材料新技術(shù)應(yīng)用

旋翼機能夠?qū)崿F(xiàn)快速的發(fā)展，離不開復(fù)合材料新技術(shù)的應(yīng)用。符合材料的應(yīng)用能夠大大降低旋翼機的質(zhì)量，改進(jìn)旋翼機的性能，提高旋翼機的整體安全性。

復(fù)合材料的優(yōu)點在旋翼槳葉上得到了充分的發(fā)揮，它為旋翼槳葉氣動外形的改進(jìn)和優(yōu)化、旋翼動力學(xué)特性的優(yōu)化提供了可能。更重要的是復(fù)合材料使在交變載荷作用下的旋翼壽命大幅度提高。這不僅提高了旋翼機的安全性，而且使槳葉制造成本大大降低，由此帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

除此之外，復(fù)合材料在旋翼機槳毅和機身上的應(yīng)用研究也取得了不錯的成果。法國宇航公司于70 年代后期研制成功的星形柔性槳毅就是復(fù)合材料在旋翼槳毅上應(yīng)用的首次突破，使旋翼結(jié)構(gòu)全復(fù)合材料化成為可能這是旋翼機技術(shù)發(fā)展的一次革命。

4 結(jié)論

在今后的研究工作中，應(yīng)該創(chuàng)新旋翼機研究方法和研究思路，重點重視旋翼機結(jié)構(gòu)以及性能等方面的實驗研究及動力學(xué)模型仿真研究，進(jìn)行重要結(jié)構(gòu)件的多目標(biāo)優(yōu)化研究工作，從而做到從根本上提高旋翼機的整體性能指標(biāo)。

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