第二章无人直升机总体设计

第二章无人直升机总体设计内容无人直升机设计技术要求和评价直升机设计方案的准则无人直升机型式分析与选择直升机主要参数分析与选择一、无人直升机设计技术要求和评价直升机设计方案的准则无人直升机设计的依据：无人直升机设计技术要求

军用无人直升机：战术技术要求民用无人直升机：使用技术要求

无人直升机研制必须具有明确的指导思想：

正确的研制指导思想应充分考虑有关主客观的条件，工程设计的一般规律，还应反映国家对直升机发展和应用的方针政策，各种用户的要求，以及国内外技术水平和动向等一系列情况，并进行综合分析。错误的研制指导思想常常会将研制工作引入歧途，造成时间、财力和人力的大量浪费。应该把确定正确的指导思想作为研制工作的首要问题来对待，并将其贯彻始终，以求达到预期目的。1.1无人直升机设计技术要求无人直升机系统因无人直升机的任务不同而不同1.1.1设计技术要求的主要内容：1、任务使命或用途（1）任务使命或用途（2）使用环境条件2、主要装载情况（1）武器（2）特种设备（3）任务载荷

3．主要飞行性能（1）悬停升限（有地效，无地效）或垂直爬升率（2）使用升限或最大爬率（3）最大平飞速度（4）续航时间或航程（或活动半径）（5）单发停车性能（装有多台发动机的情况）。4、典型任务剖面（表示无人直升机完成典型任务的飞行航线综合图）

图2-1直升机的典型使用曲线T0—在基地起动；T1—带载荷、燃油重直起飞；T2—爬高到巡航高度a；T3—飞行d1距离后降落，任务1；T4—垂直起飞；T5—飞行d2距离，无地效悬停、任务2；T6—返回基地；T7—带t分钟余油着陆；

5．重量——最大起飞重量、正常起飞重量、空机重量、燃油重量、最大任务载荷等6、几何尺寸——全机尺寸、旋翼直径、高度等7、飞行姿态平稳度——俯仰角、滚转角、偏航角平稳度8、航迹控制精度——无人机定位导航精度、航迹控制精度9、目标定位精度——对侦查无人直升机要提出目标定位精度或者校射精度等特殊要求10、控制半径——地面测控与信息传输设备与无人直升机之间进行测控和信息传输的最大距离。11、环境适应性——参照gjb-150的规定气候环境、力学环境、生物环境、其他特殊要求12、可靠性与维修性——GJB368A，GJB450A，GJB2547等无人机的可靠性与维修性要求 可用性-起飞准备时间、再次起飞时间、准备撤收时间 可靠性-基本可靠性和任务可靠度。基本可靠性为：平均故障时间。任务可靠度：根据无人机任务剖面确定任务可靠度。

维修性-无人机系统的平均修复时间不大于规定值 耐久性-无人机机体寿命和动力装置首翻期 软件可靠性-按照相应的国军标保证软件可靠性，GJB347，GJB438A，GJB439，GJB1267，GJB2787，等。13、保障性——考虑无人机的二级维修基层级（系统的功能自检、性能测试、故障诊断）、基地级14、安全性——无人直升机系统的操作安全15、隐身性与目标特性——视觉隐身，雷达隐身，红外隐身，声隐身16．其他要求起落场地，自转着陆，水面起降，抗风抗浪，运输条件，三防，机动性等等。技术要求的论证：需求（作战、使用），对军用无人直升机还有威协分析；现有装备存在的缺陷或不足；技术、经济可行性分析；提出战术技术（使用技术）要求；做出风险分析；明确研制计划与周期。小型无人直升机smallunmannedhelicopter

一、定义：1、概述2、任务应能完成的任务：基本任务和辅助任务二、特性：1、性能特性（1）基本特性（2）停车性能（3）机动性（4）操纵性和稳定性（5）空气动力学特性1.1.2(无人直升机技术要求)2、设计特性（1）重量（2）结构设计准则3、可靠性4、维护性5、可用率6、环境条件7、残存性和易损性8、使用寿命三、设计与构造：1、材料性质2、残存性3、标准件和材料四、各功能区的特点：1、机体2、起落装置3、动力系统4、仪表和导航设备5、航空电子设备6、直升机地面移动7、货物运输1.1.3特殊要求举例撞击部位撞击次数%旋翼桨叶62052.5旋翼轴161.4尾桨14812.5尾梁211.8风挡玻璃484.0机头534.5起落架282.4机翼20.2其他部位151.3不详23119.5总计1182100表2-2直升机被撞部位统计1.2设计规范和设计定型

设计规范：1、无人直升机设计规范是在无人直升机设计实践过程中逐步形成的，它是无人直升机设计和使用实践的积累和总结2、它是设计过程中必须遵循的指令性文件，也是直升机设计定型或生产定型、验收的依据3、内容包括设计情况、安全系数、过载、重量、重心、飞行载荷、着陆载荷、强度和刚度、动力学特性、配平特性、操纵性和稳定性、飞行品质、结构试验、飞行试验等4、它是通用性文件，在具体型号设计要适当剪裁，形成型号设计规范，并作为型号验收的依据设计定型：无人直升机的设计定型由专门组织的定型委员会依据研制总要求和设计规范对新机研制全过程进行审查、考核和验收，通过后颁发定型证书；生产定型：经过设计定型或技术鉴定后的无人直升机系统，新产品生产还可能会有一定的更改，特别是工艺改进，改进后的无人直升机系统进入小批量生产。首批生成的无人直升机，经检验、试飞、工艺质量审查、确认其符合批量生产标准，质量稳定可靠后，生产定型，转入批生产。

1.3评价无人直升机设计方案的有效性准则为了对无人直升机总体设计方案进行评价和优选，需要有一个评价准则；一般最通用、最普遍或最广义的有效性准则就是这种直升机所完成的有效功与为研制和使用该直升机所花费的总费用之比——效费比。当一个总体方案能满足战术（使用）技术要求时，则认为这个方案是可行的，但它不一定是最优方案。对有效性准则的一般要求：尽可能全面地反映对直升机提出的各种要求；可以进行定量分析；简单明了，易于在研制阶段运用。第一级包括功能有效性准则，生产有效性准则和使用有效性准则。从完成基本任务的有效程度及其技术完善程度出发进行评价的准则是功能有效性准则；（生产率、重量效率、任务效能）从结构工艺性和生产条件出发进行评价的准则是生产有效性准则；（劳动量、材料利用系数等）从使用品质观点来评价的准则是使用有效性准则。（技术维护工时比、每小时技术维护工作量）第二级是从经济性观点出发，评价一架直升机在使用时的经济性准则。（全寿命周期费用、效-费比）第三级是从经济学观点来评价一种机型在完成一定国民经济任务时的经济性准则，它是最高一级的准则。通常评价准则分为三个层次（三级）：无人直升机系统寿命周期费用构成与概念：*无人直升机项目的全寿命期是指从项目需求调查、项目可行性论证、方案论证、生产制造、使用和产品支援以及到寿命后报废处置整个从项目产生到终结的全过程。*无人直升机项目全寿命周期内各阶段发生的费用(LCC)总和，称为无人直升机项目的全寿命周期费用。有四个部分组成：论证、研制、试验和鉴定费用CRDTE生产采购费用CACQ包括制造费用CMAN制造商利润CPRO使用费用COPS用户在使用期间发生的费用处置费用CDISP无人直升机报废后的处置费用

LCC=CRDTE+CMAN+CPRO+COPS+CDISP无人直升机系统寿命周期费用分析的目的：LCC分析是一种对资源分配进行决策的系统分析方法，主要用于评价不同备选无人直升机方案、备选生产流程、备选保障方式。主要目的是：1、长期计划，也就是合理分配军费以及主要武器系统的投资2、根据实力轻重缓急安排项目3、某一项目的投标方案选择4、对正在实施的无人直升机项目进行控制5、在无人直升机使用保障阶段，对各种后勤方案进行比较6、更换新的无人机及设备，研制新无人机无人直升机系统寿命周期费用分析的程序：LCC分析程序因不同的应用情况而变化，通常采用全寿命费用分析模型来估算和比较各种备选方案。对于具体的无人直升机要做专门具体的分析，以便适合于要解决的问题，全寿命费用分析的过程是反复进行的，分析技术可以应用于全寿命周期的任意阶段。无人直升机系统效费设计：费用效能权衡分析应当是所有武器装备研制中的一个固有组成部分，他的目的是对不同的研制方案进行分析，比较，从中选择出费用效能最好的设计方案，防止设计人员根据以往的经验一开始就进行单方案设计的倾向，可以避免设计人员单方面追求性能而忽略系统效能，或者注意了效能忽视了全寿命周期费用。效费权衡分析的前提是：1、必须存在两种以上的方案2、有明确的任务和目标3、有可供使用的、合理的效能模型和费用模型4、供权衡分析用的数据应当基本可信效能定义：指该武器装备完成预定作战任务能力的大小。

无人直升机的效能无人直升机作战效能应包括任务能力、可用度、可靠度、保障度四个方面。E=C×A×D×S式中：E——效能；C——任务能力；A——可用度；D——可靠度；S——保障度。1、可比性2、综合性3、局限性效能评估方法指数法评估使用效能被广泛采用，这种方法结构简单，使用方便。例：无人直升机任务效能

C=lnB+ln(1+A1)+ln(1+A2)+ln(1+A3)+ln(1+A4)式中：B——机动性指数；

A1——武器性能指数；

A2——探测设备性能指数；

A3——电子对抗设备性能指数；

A4——生存能力指数效能评估的特点无人直升机系统效费分析的基本程序：确定任务和目标系统描述建立假设，给定效能和费用的约束条件效能分析拟定系统备选方案全寿命费用分析建立决策准则集者决策空间分析风险和不确定性评价与反馈输出结果权衡备选方案根据前面的分析可见，单从费用角度看，费用越低越好，得出无人直升机越简单越好。从效能角度看，效能越高越好，得出无人直升机越先进越复杂越好的结论。因此二者明显具有片面性，因为无人直升机越简单，效能越低，失去了实际意义。无人直升机效能越高，费用急剧增加，造成经费的不必要浪费，影响部队的整体优化配置。因此必须从无人直升机全寿命周期费用和效能两个方面考虑问题，因此引入效费比的概念：单位无人直升机全寿命周期费用所获得的无人直升机效能无人直升机效费比M=EALCC1、效能不变，降低费用2、费用不变，提高效能3、提高效能，降低费用4、显著提高效能，费用略有增加5、费用显著降低、效能略有下降不同情况下需要采取不同的途径提高无人直升机的效费比提高无人直升机效费比途径M=EALCC主要考虑以下内容：该型号技术发展远景，技术效果和生产率；新机设计、制造和投入使用的周期；工业生产的可能性，技术和生产工艺发展的远景；新机生产规模和劳动量；进一步改进结构后所能达到的水平和发展趋势；结构材料的资源和远景；提供给工业部门的物力和人力的合理使用；技术装备使用条件和新机应用等方面的水平和发展远景；在技术使用范围内物力和人力资源的合理使用等。直升机使用的国民经济有效性二、无人直升机型式分析与选择直升机型式按以下原则分为三类：1、按平衡旋翼反扭矩的不同方式分为：单旋翼带尾桨、纵列式双旋翼、横列式双旋翼、共轴式双旋翼直升机等。2、按驱动旋翼的不同方式分为：机械驱动式、喷气驱动式直升机。3、按提供升力和拉力的不同方式分为：正常型式、带翼式和复合直升机等。直升机构型：直升机型式和不同总体布局方案的总称。图3-1不同型式的直升机简图2.1机械驱动正常型式直升机一、单旋翼带尾桨式直升机特点：只有一付旋翼，依靠尾桨来平衡旋翼反扭矩优点：1、技术成熟；2、结构、操纵简单；3、单机价格和使用成本较低缺点：1、尾桨和尾传动系统事故率高;2、尾桨消耗的功率达到7～10%；3、危及安全；4、振动、噪声源改进措施：1、采用涵道尾桨、无尾桨系统；2、采用双旋翼直升机二、纵列式双旋翼直升机特点：两副旋翼沿机体纵轴前后排列，其旋转方向相反，使反扭矩相互平衡由于大直径旋翼可能带来一系列问题，所以对重型直升机希望用两个小旋翼代替一个大旋翼，又可不带尾桨。1、从重量方面与单旋翼直升机比较：1）主减速器（假设G、p、ΩR和发动机均相同）

单旋翼直升机：传动比：式中:n2为旋翼转速CH-47主减速器重量：纵列式直升机：传动比：主减速器重量：所以或2）旋翼重量也可得到同样结论：3）结构重量单旋翼：尾梁＋斜梁＋尾桨传动系统＋尾桨纵列式：后旋翼塔＋协调轴＋中间减速器＋复杂的操纵系统1）对于重型直升机（G在7000～8000千克以上），主减速器及旋翼重量所占比例较大，采用纵列式可以减少这些部件的重量，从而可降低结构重量；2）对于轻型直升机，旋翼及主减速器的相对重量不会很大，对结构重量的影响不会很大，而且操纵系统重量的增加还会起一些抵消作用，因此，效果不显著；3）纵列式直升机突出的优点是其容许的重心变化范围较大。重量结论：2、从气动方面与单旋翼直升机比较条件：设计参数相同，总重相同1）由于纵列式直升机前飞时前旋翼对后旋翼存在气动干扰，使其诱导功率和单旋翼直升机有很显著的不同；诱导功率：前旋翼诱导功率：后旋翼诱导功率：总诱导功率：所以，纵列式直升机比单旋翼式直升机增加了一个附加诱导功率，其大小决定于干扰系数图3-2纵列式直升机前旋翼对后旋翼的干扰作用图3-3,υ1，随飞行速度V的变化情况图3-4纵列式与单旋翼式直升机诱导功率的比较2）除了诱导功率以外，旋翼的需用功率的其它部分基本相同3）除旋翼功率外，还有其它功率损失单旋翼直升机：尾桨功率损失，悬停最大纵列式直升机：①悬停时两旋翼有干扰，干扰会引起附加功率损失，干扰大小决定于两旋翼间的距离。②机身垂直阻力大图3-5纵列式与单旋翼式直升机需用功率的比较图3-6假想机悬停时需用功率比较图3-7假想机前飞时需用功率比较图3-9假想机巡航速度特性比较图3-10假想机使用升限比较结论：1）纵列式适用于重型直升机2）纵列式直升机飞行力学和动力学问题更复杂图3-8假想机有效载荷和航程性能比较三、横列式直升机与单旋翼和纵列式比较：1）悬停状态和垂直飞行状态，横列式机身和机翼对旋翼的气动干扰大2）前飞时两旋翼存在气动干扰，与旋翼旋转方向和旋翼间距有关3）动力学问题复杂特点：两副旋翼及其动力传动系统沿机体横轴排列，旋转方向相反米－12四、共轴式双旋翼直升机图3-13单旋翼式和共轴式效率比较

Ka-50加拿大：Guardian俄罗斯：ka-137美国：QH-50

图3-14直升机效率与拉力系数的关系

图3-15共轴式旋翼相互诱导系数

图3-16几种直升机尺寸比较

特点：两副旋翼上下共轴安放，反向旋转，使反扭矩相互平衡优点：1）悬停效率高；2）纵向尺寸小；3）气动力分布对称，操纵效率高。缺点：1）前飞时有气动干扰损失；2）传动、操纵系统复杂。2.2喷气驱动正常型式直升机两种类型：1、桨尖发动机式驱动系统；有冲压式、脉冲式或涡轮喷气式发动机

优点：结构简单、重量轻

缺点：单位耗油率大2、压气机式（桨尖供气式）驱动系统（冷喷气）

优点：单位耗油率低，冷喷气

缺点：结构复杂、效率低结论：1、喷气驱动型式在轻型直升机上采用不一定合理。2、喷气驱动型式只适合于航程或续航时间较短的情况。2.3有翼式直升机及复合式直升机目的：提高直升机的飞行速度正常型式直升机最大飞行速度受三方面限制：1）局部激波2）气流分离3）桨盘前倾有翼式直升机：特点：在正常型式直升机上安装辅助机翼。优点：机翼提供了一部分所需升力，从而减轻了旋翼的载荷，提高直升机飞行速度局限性：1）增加了结构重量；2）垂直阻力增加；3）桨盘前倾大。图3－21大速度飞行时正常型式和有翼式直升机桨盘前倾的比较图3-21复合式直升机水平飞行时力的作用（旋翼自转）图3-22几种型式直升机平飞速度包线（功率限制）比较

特点：不仅有机翼，还有推进装置优点：1）前飞拉力由推进装置提供，桨盘前倾问题解决；2）气动效率提高。缺点：1）结构重量增加2）仍然存在气流分离（反流区扩大）结论：1、两种型式都只适合于飞行速度要求较大的情况。2、两种型式更适合航程要求较大的情况。复合式直升机：2.4倾转旋翼飞行器图3-24V-22倾转旋翼机和旋翼倾转过程特点：1）将直升机的优点和固定翼飞机的优点结合起来；2）旋翼可在90°范围内倾转速度可达到：500km/h以上航程达到：3000km常规直升机的最大飞行速度一般难以突破370km/h2.5直升机型式选择1、任何一种型式的出现都主要是为了解决某一方面的问题，满足某种需要；2、喷气驱动、复合式、倾转旋翼机等都还在探索、试验阶段；3、单桨式直升机仍然是主流；4、型式选择与经验有关。三、直升机主要参数分析与选择直升机主要参数——总体参数，是总体方案的设计变量，对方案有着决定性的影响。主要包括：直升机总重G、桨盘载荷p、功率载荷q、旋翼实度和桨尖速度ΩR等1）桨盘载荷p旋翼的拉力（近似等于G）与旋翼桨盘面积之比2）功率载荷qP和q值可定义为：（1）（2）（3）（4）3.1概述由（3）和（4）得到：图4-1桨盘载荷对功率载荷的影响其中：（5）（6）3）旋翼实度对于矩形桨叶4）桨尖速度ΩR

R确定后，桨尖速度决定旋翼轴转速n（7）3.2直升机主要参数对需用功率的影响引入两个参数：桨叶载荷全机单位废阻以单旋翼式直升机为例，由《直升机空气动力学》可以得出旋翼单位需用功率