自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)縱向靜穩(wěn)定性影響要素研究

摘 要：研究自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)影響縱向靜穩(wěn)定性的要素，包括飛行速度、平尾大小、平尾安裝角、重心前后、重心上下等。通過計(jì)算得到主旋翼的氣動(dòng)力數(shù)據(jù)庫，然后簡化機(jī)體模型，綜合得到全機(jī)的氣動(dòng)力數(shù)據(jù)。配平各個(gè)速度下不同要素，組合計(jì)算得到各要素對(duì)縱向靜穩(wěn)定性的影響。

關(guān)鍵詞：自轉(zhuǎn)旋翼機(jī);重心范圍;平尾;靜穩(wěn)定性

自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)（Autogyro）是一種起降和飛行方式介于固定翼飛機(jī)和直升機(jī)之間的一種飛行器。它以旋翼作為升力面、以發(fā)動(dòng)機(jī)螺旋槳為前進(jìn)動(dòng)力。它兼有直升機(jī)和固定翼飛機(jī)的特點(diǎn)，具有良好的經(jīng)濟(jì)性、且結(jié)構(gòu)簡單、安全性好，滑跑距離短，對(duì)跑道要求很低，在短草地、平坦土路都可以起降，在使用上不需要專用機(jī)場，有些安裝可變總距機(jī)構(gòu)或者旋翼槳尖噴氣的復(fù)雜旋翼機(jī)甚至可以實(shí)現(xiàn)垂直起降。目前在運(yùn)動(dòng)、娛樂、觀光體驗(yàn)等飛行方面越來越受歡迎，再次成為航空領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)。本文選用Autogyro公司的MT03型旋翼機(jī)為研究對(duì)象。MT03自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)外形見圖1，為簡化計(jì)算，將座艙進(jìn)行封閉做橢圓機(jī)身處理，機(jī)身作用僅考慮一個(gè)阻力，簡化模型見圖2。

1 旋翼機(jī)氣動(dòng)力

自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的氣動(dòng)建模，考慮到自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的主旋翼與機(jī)體之間距離較遠(yuǎn)，且主旋翼的下壓氣流相對(duì)前向來流小一個(gè)量級(jí)，故主旋翼與機(jī)體之間可以不考慮氣動(dòng)干擾。主旋翼的計(jì)算基于葉素理論、采用數(shù)值積分的方法，再引入Pitt-Peters動(dòng)態(tài)入流，結(jié)合動(dòng)量方程，最終建立自轉(zhuǎn)旋翼氣動(dòng)計(jì)算模型。機(jī)體部分可以采用常規(guī)固定翼方式，利用CFD進(jìn)行整體氣動(dòng)力計(jì)算，最終通過修正螺旋槳滑流對(duì)垂尾和方向舵的影響，得到完整的全機(jī)氣動(dòng)力模型。

1.1 主旋翼氣動(dòng)力

采用葉素理論，通過Pitt-Peter動(dòng)態(tài)入流模型計(jì)算旋翼誘導(dǎo)速度，同時(shí)應(yīng)結(jié)合自轉(zhuǎn)旋翼蹺蹺板式槳轂的特點(diǎn)考慮旋翼的非定常揮舞運(yùn)動(dòng)。整個(gè)建模過程與直升機(jī)旋翼的建模相似，但需注意蹺蹺板式槳轂會(huì)抵消不對(duì)稱力矩，且來流方向和槳盤迎角的定義與直升機(jī)也有所區(qū)別。

1.2 機(jī)體氣動(dòng)力

常規(guī)手段通過CFD計(jì)算得到機(jī)體氣動(dòng)力，本文為說明問題，采用簡化方法。通過浸潤面積、長細(xì)比、迎風(fēng)面積等手段簡單估算機(jī)體和起落架阻力，不考慮此部分升力和力矩。取參考點(diǎn)面積和弦長皆為1，簡單計(jì)算機(jī)身和起落架阻力系數(shù)為0.25，同時(shí)忽略滑流下洗影響，通過端板效應(yīng)，線性化估算不同平尾安裝角下的平尾氣動(dòng)力如下表1：

2 旋翼機(jī)配平計(jì)算及靜穩(wěn)定性分析

2.1 旋翼機(jī)主要參數(shù)

本文所研究的旋翼機(jī)主要參數(shù)及計(jì)算用的重心位置見下表2：

2.2 配平結(jié)果

基于上述氣動(dòng)力模型，對(duì)四組平尾、五個(gè)不同重心位置，取海拔高度300m，常用速度范圍內(nèi)進(jìn)行配平。取參考點(diǎn)位置作為重心和0度安裝角原始大小平尾的配平結(jié)果，曲線見圖3～圖4。

從圖3～圖4可以看出：隨著前飛速度的增加，槳盤的縱向操縱量從10°前推到5°，其原因是前飛速度增加加大了槳盤入流量，為了保證相同的旋翼升力，須適當(dāng)減小槳盤縱向傾角;旋翼的轉(zhuǎn)速隨著速度的增加略微有所增大，從33.2rad/s到34.5rad/s;機(jī)身迎角，如果不考慮平尾，則隨著槳盤入流角的減小，升阻比增加，阻力項(xiàng)相對(duì)于參考點(diǎn)的抬頭力矩減小，機(jī)身的迎角也有所減小，考慮平尾后，平尾提供的抬頭力矩隨著速壓的增大而增大，從而呈現(xiàn)出迎角先減小，后增加的現(xiàn)象;油門開度從45%（20m/s）先減小到40%（27m/s）再增加到52%（40m/s），符合旋翼機(jī)的速度～功率變化規(guī)律。

取速度30m/s，分析其靜穩(wěn)定性，后面由量化的焦點(diǎn)位置來表示，平飛狀態(tài)下力矩關(guān)系如下圖5，如受到擾動(dòng)使其迎角增加1°，則全機(jī)受力關(guān)系及受力影響見表3，升力增加234.6N，力矩增加-74N·m，由此可見，此種狀態(tài)下的焦點(diǎn)位置在重心后0.315m。

2.3 靜穩(wěn)定性分析

將四組平尾、五個(gè)重心、速度范圍內(nèi)取三個(gè)速度，得到其焦點(diǎn)位置結(jié)果如下表4：

由表可知：

從焦點(diǎn)位置隨速度變化：速度增加，靜穩(wěn)定性有所增加，原因是隨著速壓的增大，受擾后平尾附加的低頭力矩會(huì)增大，與速壓成等比關(guān)系，而主旋翼隨著速壓的增加，其受擾后增加的升力和阻力并不與速壓成等比關(guān)系，從而平尾帶來的穩(wěn)定性作用隨著速壓增大更加明顯，這是旋翼機(jī)明顯不同于固定翼的一點(diǎn);

從焦點(diǎn)位置隨平尾變化：按0度平尾、-4度平尾、0度平尾增大、-4度平尾增大的順序，穩(wěn)定性有所增加，證明增加平尾或者減小安裝角度都能達(dá)到增大靜穩(wěn)定性的目的。對(duì)比-4度平尾和0度平尾增加結(jié)果，兩者在各個(gè)重心和速度下的靜穩(wěn)定性都基本一致，表明從量級(jí)上講，-4度平尾和0度平尾增加20%面積帶來的效果基本是一致的;

從焦點(diǎn)位置隨重心變化：重心前移和上移能帶來靜穩(wěn)定性的增加，重心的后移和下移帶來靜穩(wěn)定性的減小。不同于固定翼飛機(jī)的兩點(diǎn)為：重心上下移動(dòng)帶來的影響相反，固定翼飛機(jī)的重心上移會(huì)減小靜穩(wěn)定性，下移會(huì)增加靜穩(wěn)定性;重心移動(dòng)量并不會(huì)帶來等量的焦點(diǎn)位置移動(dòng)量，即重心前移了0.1m，但焦點(diǎn)位置只是增加了0.032m。

3 結(jié)論

經(jīng)研究可以得出以下結(jié)論：

1）經(jīng)過簡化的MT03模型研究，通過增加飛行速度、增大平尾、減小平尾安裝角、重心前移、重心上移等措施，均可以達(dá)到增加靜穩(wěn)定性的目的。

2）對(duì)簡化的MT03模型而言，增加平尾面積20%與減小平尾安裝角4°，增加的靜穩(wěn)定性效果接近。

3）重心上下移動(dòng)對(duì)靜穩(wěn)定性的影響，小于前后移動(dòng)帶來的影響。

重心前后移動(dòng)不會(huì)帶來與移動(dòng)距離同等的靜穩(wěn)定性變化，所以對(duì)自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)而言，其可用重心的范圍不能簡單的由參考重心的靜穩(wěn)定性來評(píng)判，而是要綜合考慮靜穩(wěn)定性、動(dòng)穩(wěn)定性、操縱性、飛行姿態(tài)等多個(gè)方面。

參考文獻(xiàn)

[1]朱清華.自轉(zhuǎn)旋翼飛行器總體設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].南京航空航天大學(xué)，2007.

作者簡介

李繼偉（1986-），男，漢族，河南省新鄉(xiāng)市，工程師，研究方向：固定翼、自轉(zhuǎn)旋翼空氣動(dòng)力學(xué)研究。