高速直升机教案

高速(ɡāosù)直升机现代(xiàndài)航空工程课程航空宇航学院陈仁良第一页，共49页。1高速(ɡāosù)直升机直升机的研制历程直升机的型式现役直升机的最大飞行速度影响直升机飞行速度的因素提高直升机飞行速度的措施高速(ɡāosù)直升机的研究现状高速(ɡāosù)直升机的开展趋势第二页，共49页。2直升机研制(yánzhì)历程竹蜻蜓(qīngtíng)达·芬奇设计(shèjì)的扑翼机第三页，共49页。3直升机研制(yánzhì)历程1792年“英国航空之父〞乔治·凯利在其成功创造(chuàngzào)、试验了滑翔机后自制了一架直升机模型，但因为直升机自身不带动力装置，因此实验失败了。第四页，共49页。4直升机研制(yánzhì)历程1907年，法国人柯尔尼制造(zhìzào)了一架大型直升机，两个旋翼分别装在驾驶员前后。是第一架能垂直飞行的载人直升机。柯纽仍成为驾驶直升机升空第一人。第五页，共49页。5直升机研制(yánzhì)历程〔旋翼机〕1920年，西班牙科学家西尔华设计(shèjì)了第一架“自转旋翼机〞C-1，但无法前飞。第六页，共49页。6直升机研制(yánzhì)历程〔旋翼机〕1923年，西班牙科学家西尔华成功设计了第一架带关节连接桨叶的“自转(zìzhuàn)旋翼机〞C-4，开创了旋翼机的辉煌历史。其中的“关节连接桨叶〞方法是直升机开展史上一次重大的技术突破。第七页，共49页。7旋翼机辉煌(huīhuáng)时期〔1923～1935〕1929年1926年1924年1931年第八页，共49页。8直升机研制(yánzhì)历程1936年，德国成功地试飞(shìfēi)了第一架载人地双旋翼横列式直升机FW-61。FW-61的飞行速度为120km/h，航程为241km。试飞(shìfēi)员为女飞行员HannaReitsch。第九页，共49页。9直升机研制(yánzhì)历程1939年，俄裔美国(měiɡuó)人伊格尔·西科斯基〔IgorSikorsky〕创造第一架有用的单旋翼直升机VS-300。1941年，VS-300持续飞行1.5小时，创世界记录第十页，共49页。10直升机研制(yánzhì)历程R-4R-5S-61海王(hǎiwánɡ)S-64空中(kōngzhōng)吊车S-70黑鹰第十一页，共49页。11不同(bùtónɡ)形式的直升机单旋翼带尾桨式直升机双旋翼直升机共轴式双旋翼直升机纵列式双旋翼直升机横列式双旋翼直升机交叉(jiāochā)式双旋翼直升机无尾桨直升机复合式直升机第十二页，共49页。12单旋翼带尾桨式直升机旋翼反作用扭矩靠尾桨推力平衡。优点：构造简单，操纵系统简单，本钱较低。缺点：尾部螺旋桨造成功率损失(sǔnshī)，重心定位范围窄，尾部长，尺寸大。第十三页，共49页。13共轴双旋翼直升机〔卡－27〕两个旋转方向相反的旋翼安装在一根(yīɡēn)轴上，旋翼的反作用扭矩相互平衡。优点：机身短外形好，正面阻力小，外廓尺寸小。缺点：操纵系统及传动系统复杂，旋翼有相互干扰，方向稳定性不够。第十四页，共49页。14纵列双旋翼直升机〔CH－47〕两个旋翼安装在机身的前后端，后面的旋翼通常高于前面旋翼的旋转平面。优点：纵向稳定性好，重心定位范围广，重量效率高，机身有效容积大。缺点：传动系统复杂，平飞时诱导损失大，利用旋翼自转进行(jìnxíng)滑翔降落困难。第十五页，共49页。15横列(hénɡliè)双旋翼直升机〔米－12〕两个旋翼位于机身两侧(liǎnɡcè)并在同一平面内，转向相反。优点：操纵性、稳定性较好平飞诱导损失小，经济性较好。缺点：构造复杂，操纵系统复杂。第十六页，共49页。16交叉(jiāochā)双旋翼直升机两个旋翼位于机身两侧，但两个桨毂之间很近。转轴(zhuànzhóu)向外倾斜。优点：正面阻力小，外廓尺寸小。缺点：传动系统复杂，桨尖可能碰地，不安全，直升机的平衡复杂。K-600第十七页，共49页。17无尾桨直升机MD600旋翼反扭矩由尾部旋转(xuánzhuǎn)气流平衡。优点：没有尾桨，平安性好。缺点：系统复杂。第十八页，共49页。18复合式直升机倾转旋翼式直升机YSH-60F第十九页，共49页。19现役(xiànyì)直升机的最大飞行速度〔CH-47〕每小时(xiǎoshí)297公里〔山猫(shānmāo)〕每小时400公里〔卡－27〕每小时250公里第二十页，共49页。20现役(xiànyì)直升机的最大飞行速度倾转旋翼飞行器〔V－22鱼鹰(yúyīng)〕509公里/小时复合式直升机〔YSH-60F〕450公里(ɡōnɡlǐ)/小时第二十一页，共49页。21影响(yǐngxiǎng)直升机飞行速度的因素直升机阻力发动机功率气流(qìliú)别离激波噪声第二十二页，共49页。22阻力(zǔlì)对飞行速度的影响阻力直接(zhíjiē)影响直升机的飞行速度，减小直升机的阻力是提高直升机飞行速度的有效方法之一。直升机阻力的组成流线型部件的阻力起落架的阻力桨毂的阻力其他废阻力第二十三页，共49页。23功率(gōnglǜ)对飞行速度的影响直升机在飞行中除了(chúle)满足力的平衡外，还需满足功率的平衡直升机的动力来自发动机发出的功率，称为直升机的可用功率。只有当发动机的功率大于或等于直升机在飞行中所消耗的功率时，直升机才能进行飞行。直升机在飞行中所消耗的功率称为直升机的需用功率。第二十四页，共49页。24功率(gōnglǜ)对最大飞行速度的限制需用(xūyònɡ)功率随飞行速度的变化功率(gōnglǜ)对最大飞行速度的限制第二十五页，共49页。25气流(qìliú)别离对飞行速度的限制气流分离限制后行桨叶气流(qìliú)别离区域随前飞速度增加而增大气流别离(biélí)对最大飞行速度的限制第二十六页，共49页。26激波(jībō)对飞行速度的限制桨叶翼型升力系数与临界(línjiè)M的关系激波(jībō)对飞行速度的限制第二十七页，共49页。27噪声(zàoshēng)对飞行速度的限制根据过去20年的研究发现：当直升机桨尖速度到达(dàodá)230米/秒时，直升机的噪声使驾驶员无法忍受。最大飞行速度受到限制。第二十八页，共49页。28直升机最大平飞速度(sùdù)确实定噪声限制第二十九页，共49页。29提高(tígāo)直升机飞行速度的措施降低直升机阻力增加发动机功率推迟(tuīchí)后行桨叶气流别离推迟(tuīchí)前行桨叶激波降低前行桨叶的噪声水平第三十页，共49页。30降低(jiàngdī)直升机阻力改善(gǎishàn)直升机外形〔流线型，外表光洁度〕降低桨毂阻力〔整流〕起落架〔滑橇式，收放式〕适当提高发动机喷口速度。第三十一页，共49页。31增加(zēngjiā)发动机功率增加发动机数量或改进发动机的性能山猫直升机的发动机1800马力两台(liǎnɡtái)发动机3200马力提高减速器的传动能力改进前1400马力改进后2500马力挖掘潜能如何利用700马力第三十二页，共49页。32挖掘(wājué)发动机潜能改进型山猫直升机发动机喷口尺寸降至原尺寸的40％，利用700马力的剩余功率产生600磅推力。不仅消除了原发动机引起的阻力，而且还产生了600磅推力，直升机的阻力降低了50％。发动机附加推力使直升机抬头(táitóu)，降低大速度飞行时的低头程度，改善后行桨叶的工作环境。第三十三页，共49页。33激波(jībō)的推迟推迟出现前行桨叶激波的两个措施翼型厚度对弦长的比值(bǐzhí)小。后掠激波的推迟有利于噪声水平的降低和激波阻力的减小。山猫直升机采用BERP桨叶〔BritishExperimentalRotorProgram〕来到达上述目的。第三十四页，共49页。34气流别离(biélí)的推迟气流(qìliú)别离〔失速〕与采用的翼型截面形状有关，一般桨叶翼型当迎角大于12度或16度时出现气流(qìliú)别离现象。提高翼型失速迎角的措施翼型厚度和弯度大。与降低激波要求正好相反。山猫直升机的BERP桨叶虽然翼型厚度和弯度小，但其中的凹口所产生的旋涡使气流(qìliú)紧贴上下外表流动，其原理与三角翼类似。第三十五页，共49页。35提高(tígāo)直升机速度的其它措施由于常规直升机受阻力、发动机功率、后行桨叶气流别离、前行桨叶激波和噪声等因素的限制，在现有技术的条件下提高直升机的速度已很可能，需寻求其它途径，一种合理有效的途径是将直升机和固定翼飞机结合(jiéhé)，低速时采用直升机模式，高速时采用固定翼飞机模式。这已成为高速直升机的开展趋势。提高直升机的飞行速度是直升机界一直关注的问题，用直升机和固定翼飞机组合来提高直升机的飞行速度这一思想在直升机的开展进程中早已出现。纵观各种高速直升机的方案，大多数方案采取了从直升机模式过渡到飞机模式的方法，从升力部件的结构上来说，就是机翼加桨叶的形式，二者相互协调，相互配合，充分发挥各自优势。第三十六页，共49页。36高速(ɡāosù)直升机的各种形式按直升机和固定翼飞机结合的不同(bùtónɡ)形式，高速直升机可分为以下几类：复合式倾转旋翼/机翼式旋翼/机翼转换式第三十七页，共49页。37复合式高速(ɡāosù)直升机该形式的高速直升机在悬停和低速时以直升机模式工作，速度提高到一定程度后旋翼进入自转状态，速度再提高时旋翼转速降低并逐渐卸载，机翼逐步承载，当转速降至一半(yībàn)时，旋翼只承担升力很小局部。这样，桨叶剖面迎角的减小和旋翼转速的下降分别推迟了后行桨叶的气流别离和前行桨叶的激波失速。让机翼为旋翼卸载，这就是复合式直升机的核心思想。第三十八页，共49页。38复合式高速(ɡāosù)直升机McDonnellXV-1FaireyRotodynePiasecki16H-1矢量推进装置

第三十九页，共49页。39倾转旋翼/机翼(jīyì)式高速直升机该形式的高速直升机在悬停和低速时以直升机模式工作，速度提高到一定程度后倾转旋翼/机翼成为螺旋桨，直升机模型成为固定翼飞机(fēijī)模式，这是倾转旋翼/机翼式直升机的核心思想。倾转旋翼/机翼式高速直升机按倾转部件的不同可分为：旋翼倾斜涵道倾斜第四十页，共49页。40倾转旋翼/机翼(jīyì)式高速直升机BellXV-3BellXV-15V-22Osprey第四十一页，共49页。41倾转旋翼/机翼(jīyì)式高速直升机Nord500CadetVanguardOmniplane第四十二页，共49页。42旋翼/机翼转换(zhuǎnhuàn)式高速直升机该形式的高速直升机在悬停和低速时以直升机模式工作，速度提高到一定程度后旋翼由机替代，成为固定翼飞机(fēijī)，这是旋翼/机翼转换式直升机的核心思想。第四十三页，共49页。43旋翼/机翼转换(zhuǎnhuàn)式高速直升机XV-2M85方案

CR/W第四十四页，共49页。44X-机翼(jīyì)/旋翼转换式高速直