[科普中國]-傾斜式螺旋漿

簡介

配備傾斜式螺旋槳的飛機(jī)，稱之為傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)。傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)是一種同時具備直升機(jī)、固定翼飛機(jī)特點(diǎn)的新型飛行器。當(dāng)其螺旋槳旋翼處于垂直位置時，傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)類似于雙旋翼橫列式直升機(jī)，可懸停、側(cè)飛、后飛、垂直起降，此時它的單位功率起降重量接近典型直升機(jī)； 當(dāng)旋翼處于水平位置時，傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)就相當(dāng)于固定翼飛機(jī)，能作高速遠(yuǎn)程飛行。因此，傾轉(zhuǎn)旋翼已成為未來最具發(fā)展前景的飛行器之一。

旋翼是傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的主要升力系統(tǒng)( 直升機(jī)模式)、推進(jìn)系統(tǒng)( 飛機(jī)模式) 和重要飛行控制執(zhí)行系統(tǒng)，在工程設(shè)計中占有重要地位。在傾轉(zhuǎn)旋翼設(shè)計的第一階段，須非常謹(jǐn)慎地對旋翼動力學(xué)部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性設(shè)計，這項工作與槳葉對于周期諧波載荷的動力學(xué)響應(yīng)密切相關(guān)，設(shè)計的好壞直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)的振動和壽命。

傾轉(zhuǎn)旋翼結(jié)構(gòu)動力學(xué)設(shè)計技術(shù)是指運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計理論，結(jié)合經(jīng)驗，經(jīng)過創(chuàng)造性的思維、規(guī)劃及合理的設(shè)計計算，使旋翼結(jié)構(gòu)動力學(xué)設(shè)計滿足傾轉(zhuǎn)旋翼功能和性能要求的技術(shù)。1

影響機(jī)翼結(jié)構(gòu)動力學(xué)設(shè)計的特殊因素傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)特殊的工況及氣動外形是造成其結(jié)構(gòu)動力學(xué)設(shè)計特殊性的來源，貫穿整個旋翼結(jié)構(gòu)動力學(xué)設(shè)計。

特殊工況傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)具有飛機(jī)和直升機(jī)兩種飛行模式，因此其旋翼具備了多種特殊工況，經(jīng)過設(shè)計梳理，兩種模式下對旋翼結(jié)構(gòu)動力學(xué)設(shè)計有重要影響的工況為：

（1）具有2個工作轉(zhuǎn)速。傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)為實現(xiàn)較高前飛推進(jìn)效率，在飛機(jī)模式下旋翼轉(zhuǎn)速會較直升機(jī)模式時低。通常，飛機(jī)模式旋翼轉(zhuǎn)速比直升機(jī)模式降低約25% ～ 40%。

（2）旋翼工作總距范圍大。在直升機(jī)模式時，一般使用總距不會超過15°，而在飛機(jī)模式時，總距能達(dá)到35° ～ 60°。

（3）氣動環(huán)境差異性大。在直升機(jī)模式時，旋翼的入流不垂直于槳盤平面，存在明顯的周期氣動激勵，旋翼具有周期變距功能，在無窮遠(yuǎn)處垂直于槳盤的氣流速度為0；而對于飛機(jī)模式，旋翼入流則垂直于槳盤平面，旋翼無需周期變距，無窮遠(yuǎn)處垂直于槳盤的氣流速度為前飛速度。1

特殊氣動外形傾斜式螺旋槳旋翼氣動性能主要取決于旋翼槳葉的氣動外形，而傾轉(zhuǎn)旋翼的特殊氣動外形對旋翼結(jié)構(gòu)動力學(xué)設(shè)計有著重要影響。旋翼槳葉氣動外形的特殊性如下：

（1）為兼顧懸停和前飛時的旋翼性能，其槳葉結(jié)構(gòu)扭角可達(dá)40 deg甚至更大；

（2）旋翼實度大于常規(guī)直升機(jī)，達(dá)到0.14甚至更高，這就使得相同旋翼半徑下，槳葉的結(jié)構(gòu)絕對厚度更大。

這樣的槳葉外形結(jié)合特殊的旋翼轉(zhuǎn)速設(shè)計能夠優(yōu)化來流攻角，保證直升機(jī)模式與飛機(jī)模式均具有合理的升力( 拉力)、阻力特性，但這正是傾轉(zhuǎn)旋翼結(jié)構(gòu)動力學(xué)設(shè)計特殊性的重要來源（圖1）。1

傾轉(zhuǎn)機(jī)翼（旋翼）構(gòu)型選擇旋翼構(gòu)型選擇則決定了動力學(xué)設(shè)計技術(shù)研究的方向，是后續(xù)研究的基礎(chǔ)。不同旋翼構(gòu)型具有不同的旋翼動力學(xué)特性，其設(shè)計分析方法也隨之不同。傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)存在直升機(jī)模式、飛機(jī)模式以及兩種模式切換的過渡飛行狀態(tài); 在飛機(jī)模式下旋翼轉(zhuǎn)速降低25% ～ 40%，旋翼離心力作用明顯降低，采用傳統(tǒng)鉸接式旋翼會形成一個較大的穩(wěn)態(tài)錐度角，降低飛機(jī)模式下旋翼的推進(jìn)效率。

此外，傾轉(zhuǎn)旋翼安裝在機(jī)翼端部，從安全性考慮，須保證在過渡狀態(tài)和飛機(jī)模式下，旋翼受到擾動后槳葉不產(chǎn)生過大揮舞。因此，傾轉(zhuǎn)旋翼須使用一種揮舞較為剛硬的旋翼。另一方面，機(jī)翼是典型的柔性支持系統(tǒng)，因此傾轉(zhuǎn)旋翼的構(gòu)型選擇應(yīng)考慮盡可能降低柔性支持系統(tǒng)帶來的耦合影響，如：地面共振、回轉(zhuǎn)顫振等問題。

經(jīng)過設(shè)計梳理，傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)旋翼構(gòu)型選擇應(yīng)主要考慮四個方面：

（1）盡量避免各種飛行姿態(tài)下槳葉出現(xiàn)過大揮舞；

（2）盡量提高飛機(jī)模式下旋翼的推進(jìn)效率( 此時旋翼作為推進(jìn)系統(tǒng)) ；

（3）從構(gòu)型上盡可能多地消除不穩(wěn)定可能性，降低設(shè)計復(fù)雜度和風(fēng)險；

（4）盡量降低槳葉根部結(jié)構(gòu)載荷以提高結(jié)構(gòu)壽命。

當(dāng)前我國的傾轉(zhuǎn)螺旋槳旋翼在構(gòu)型上宜采用萬向鉸式旋翼。從結(jié)構(gòu)設(shè)計、新材料、主動控制技術(shù)的發(fā)展來看，若未來能在技術(shù)上解決上述需求，則旋翼構(gòu)型選擇將更加靈活。1