旋翼机的发展与应用

2013-12-23吴一波林冬生

科技传播 2013年23期

关键词：旋翼机旋翼复合材料

申斌，吴一波，林冬生

武汉市军械士官学校，湖北武汉 430070

0 引言

旋翼机具有结构简单、安全性能良好、操作容易等多方面的优点，具有很好的垂直着陆能力及短距离的起飞能力，在很多领域得到了很好的应用。因此，本文对于旋翼机的发展及应用方面的研究不仅具有一定的理论指导作用，也具有一定的实际应用价值。

1 旋翼机国内外研究及应用现状

19 世纪30 年代，西班牙工程师席尔瓦设计发明了第一个能够实现可控飞行的旋翼机，并且旋翼机试飞成功。随后在1934 年，席尔瓦设计制造了第一架能够实现跳跃起飞的旋翼机，型号为C30 型，该设计中旋翼机采用直接旋翼操作，能够实现旋翼机的一次性的转向动作、俯仰动作以及侧倾动作的操作，在很大程度上简化了旋翼机的操作控制，因此C30 旋翼机成为当时实现量产并且最受欢迎的旋翼机，图1 所示为C30 型旋翼机。

图1 C30 型旋翼机

随后，国外很多航空工作者和专家都对旋翼机进行了深入的研究，都取得了不错的研究成果。根据不完全统计，目前积极在美国已经正式注册登记的旋翼机就已经达到了几万架之多，而针对旋翼机进行研究生产制造的公司就有几十家大型的航空公司。美国格莱恩航空公司生产的“猎鹰”2 型号（HAWK—2）旋翼机，能够实现最大飞行速度185km/h，巡航速度130km/h，持续飞行时间长达四小时，飞行里程最大为500km，旋翼机守家在6 万-7.5 万美元之间，是目前世界上安全性能最好，并且质优价廉的高性能旋翼机。随后2002 年，美国格莱恩航空公司生产的“猎鹰”4 型号（HAWK—4）旋翼机，执行第19 届奥林匹克冬季运动会期间的安保巡逻工作，在巡逻期间，该旋翼机成功完成67 项项目，无需任何方面的维修和保养工作，表现出极其优秀的性能，该旋翼机在美国很多的政府的空中警察队执行侦查和巡逻任务，起到十分很重要的作用。

但是，针对旋翼机的研究在我国国内还处于初级阶段，相关方面的研究还是比较少。1998 年，泰克（天津）飞行器制造有限公司参加中国珠海国际航空航天展览会过程中，展出了本次航空航天展的唯一一架泰克150 型旋翼机，该旋翼机具有优秀的机动性能，引起了当时参展人员的极大关注。最近，由北京东方神鹰科技发展有限责任公司与南京航空航天大学直升机技术研究所合作，共同研发了ZX1 型“开拓者”自转旋翼机，也具有不错的综合性能，为旋翼机的研究发展提供了一定的指导作用。

2 多旋翼工作原理及其主要特点

旋翼机的主要升力装置为不同数目的旋翼，旋翼在工作过程中自由旋转，空气气流从下向上的方向穿过旋翼桨盘，提供旋翼机上升的升力。旋翼机在起飞时所需要的拉力或者推力主要来自于旋翼机前部的拉力螺旋桨或者旋翼机后部的推力螺旋桨，迎面流动的空气驱动螺旋桨转动，实现旋翼机的前进飞行。

通常情况下，旋翼机的主要特点有以下几个方面：

1）旋翼机整体结构组成简单，具有较高的经济性能。旋翼机的升力是由旋翼自由旋转提供，不会产生反转扭力，没有设计多余的发动机传动装置，所以说旋翼机的结构比较简单，维修和操作程序也比较简单，并且旋翼机的介质仅为同量级直升机的1/5 ～1/10，旋翼机的经济性能较高；

2）旋翼机操作和维护程序简单。旋翼机的旋翼是没有动力装置的，并且旋翼机的尾部也没有传动系统和减速器等相关的动力系统，并且大部分的旋翼机都没有主旋翼的减速以及传动系统装置，因此旋翼机在操作起来程序比较简单。除此之外，旋翼机的维护工作也比较简单，国外的针对旋翼机的培训中心，一般没有任何飞行经验的飞行员，经过两天的培训即可完全掌握操作和维护程序；

3）旋翼机起飞和下降距离比较短，不需要专门的停机机场。通常情况下，旋翼机有短距离起飞和几乎垂直起飞两种不同的起飞方式，这两种起飞凡是都是利用旋翼机旋翼自身的特性，实现旋翼机的起飞，两种方式的起飞距离都比较短。在旋翼机下降过程中，能够通过操作旋翼机的锥体实现旋翼机后倾，能够实现点式着陆，几乎能够实现旋翼机的垂直降落，因此不需要专门的停机机场，使用方便；

4）旋翼机具有十分高的安全性能。旋翼机的前进飞行时，一直保持自传状态，不会以为发动机的停止出现突然的市区控制，能够实现安全的着陆，能够保证旋翼机像降落伞一样实现下降，因此，旋翼机被称之为世界上最安全的航空飞行器。

3 多旋翼技术发展趋势

随着科学技术的不断进步，旋翼机技术的发展速度也越来越快，对比目前旋翼机技术的发展状况，未来多旋翼技术的发展主要的新技术有以下几个方面：旋翼机旋翼新技术、旋翼机振动控制技术以及旋翼机复合材料应用新技术等。

3.1 旋翼机旋翼新技术

在旋翼机的设计与研发中，旋翼一直是设计师重视和创新设计的主要结构，主要的新技术体现在旋翼机旋毂和旋桨两个主要结构上，这也成为旋翼机技术实现突破的重要标志之一。

随着生产工艺以及结构动力学的快速发展，旋翼旋毂的结构也在不断的发生着变化。特别是最近这几年来，出现了很多种不同结构形式的旋翼旋毂，比如带弹性铰的铰接式、无铰式以及星形柔性等旋毂结构，这些结构整体设计简单，重量比较轻，维护以及生产方便，具有较高的安全性能。并且结合计算机技术和有限元技术，对于旋毂结构建立有限元模型进行结构的拓扑优化以及尺寸形状优化，对于旋毂新技术的开发具有十分重要的作用。

随着计算技术的快速发展，多体动力学以及空气动力学技术也实现了快速的进步，国内外很多企业和研究机构对于旋翼的旋桨进行了大量的深入研究。对于旋翼的桨叶进行空气动力学以及多体动力学方面的研究设计，优化旋翼机的旋翼桨叶的形状及其结构性能，并且进行多学科之间的多目标综合优化设计，使得旋翼机旋翼新技术的研究步入了一个崭新的发展阶段。

3.2 旋翼机振动控制技术

随着人们对于振动理论研究的逐步深入，旋翼机振动控制技术的研究也越来越深入。在进行振动控制技术的研究中，关注最为重要的是振动的抑制技术，在旋翼机的设计与研发过程中，将现代主动控制理论技术与旋翼机的振动控制相互结合，对于旋翼机的整体振动进行主动控制，主动控制旋翼的气动载荷或控制机体对旋翼激振的响应，从而在整体上降低旋翼机的振动水平。

除此之外，对于旋翼机组成零部件的振动研究也有着十分重要的作用，对于主要结构件比如说旋翼、发动机、机体等进行相关振动方面的研究，结合计算机技术和有限元技术，建立结构件有限元模型，进行结构件模态分析，了解其主要振动频率和振型，降低结构件本身的振动，也能够实现旋翼机整体的振动水平的降低。