旋翼空氣動力特性

aerodynamic characteristics of helicopter rotor

?? 直升機的旋翼與周圍空氣相對運動時，槳葉上所受的空氣動力和力矩隨運動狀態(tài)的變化規(guī)律。它是計算直升機性能、飛行品質、振動以至噪聲的基礎。

旋翼的運動特點旋翼槳葉的運動十分復雜。一方面槳葉本身繞旋翼軸旋轉，另一方面，旋翼隨直升機飛行而有牽連運動。即使在定常前飛時，直升機槳葉在旋轉一圈的過程中，旋轉平面內同一半徑不同方位的相對風速不論在方向上或在大小上都是不同的（圖1[ 在定常平飛時槳葉上同一半徑外的剖面在不同方位下的相對風][速]）。在迎風的半圈（稱為前行槳葉）相對風速大于周向速度，而在順風的半圈（稱為后行槳葉），小于周向速度。槳葉剖面形如翼型，如果槳葉與槳轂是固接式，那么，前行槳葉產(chǎn)生大于后行槳葉的升力。這樣，不僅槳葉根部會承受過大的交變彎矩，而且旋翼會產(chǎn)生左右不平衡的力矩，使直升機滾轉。

為了消除或減弱這一傾覆力矩，在槳葉根部裝上一個水平鉸或采用柔性連接，讓槳葉相對于槳轂上下?lián)]舞，消除或降低槳葉根部的彎矩，同理，槳葉在旋轉一圈中，在旋轉平面內的力也是周期變化的。為了消除或減弱由于固接而在槳葉根部所引起的旋轉平面內的交變彎矩，又在槳葉根部另裝上一個垂直鉸或在旋轉平面內也采用柔性連接，使槳葉可以前后擺振。這樣，槳葉在旋轉時既有揮舞又有擺振，加上槳葉繞自身軸的變矩，其運動比飛機的固定翼多出幾個自由度（圖2[ 鉸接式旋翼的一種典型布置]）。另外，槳葉上的氣動力又與慣性力和彈性力互相耦合。

旋翼的氣動理論分析旋翼氣動力的關鍵在于適當?shù)剡x取物理數(shù)學模型，弄清繞旋翼的整個流場以及繞槳葉剖面的局部流場。現(xiàn)代分析旋翼氣動力的理論有滑流理論、葉素理論和渦流理論。

滑流理論把旋翼看作是一個產(chǎn)生拉力的圓盤，而把受到旋翼作用的流場宏觀地看作是以圓盤周線為邊界的滑流內的一維流動。根據(jù)動量定理和動能定理，可以求出在理想情況下旋翼的拉力和所需功率與滑流內速度變化之間的關系。滑流理論的優(yōu)點是簡單、直觀，缺點是它不能反映旋翼的幾何形狀對其氣動特性的影響。

葉素理論為了克服滑流理論的主要缺點，有人把軸流中螺旋槳葉素理論推廣到斜流中的旋翼上去。葉素理論把旋翼槳葉分成許多微段（葉素），而把繞各個葉素的相對流動看作是彼此獨立的二維流動。根據(jù)翼型理論，可以求出槳葉剖面的空氣動力和力矩，然后沿槳葉半徑積分，再沿方位加以平均，就能得出整個旋翼的氣動力和力矩。這些力和力矩是旋翼槳葉的幾何特性的函數(shù)。葉素理論的不足之處是忽略了各葉素之間的相互干擾，因此無法知道槳葉剖面的當?shù)卣T導速度。

渦流理論這是一種比較全面的旋翼理論。與固定翼的升力線理論相類似，用某種渦系（見旋渦）來代替旋翼槳葉對周圍空氣的作用，從而確定空間任一點的誘導速度。渦系分兩類：固定渦系和自由渦系。在固定渦系的旋翼理論中，按照流動規(guī)律預先取近似的渦系模型。渦系模型的選取和數(shù)學處理方法很多，其中有60年代建立的王適存廣義渦流理論。70年代由于計算機技術的進展，有可能采用更為合理的渦系模型，發(fā)展了自由渦系的旋翼理論。在這種理論中渦系不是事先規(guī)定的，而是有一個形成過程。從起動開始，槳葉在空間每移動一段距離，在后緣遺下一組尾渦和起動渦。這些渦的位置并不停留在原地，而要受到包括自身在內的所有渦的誘導作用而漂移。通過電子計算機的運算，最終得出一個很不規(guī)則的渦系及其流場。

參考書目

米里等著，景山譯：《直升機計算和設計》第一卷，國防工業(yè)出版社，北京，1977。(...,B,,.1,-,1966.

..., ,,,1973.