遥控直升机飞行原理.doc
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1、直升机飞行原理1.绪论本文的内容主要着重于飞行原理的介绍。首先介绍简单的旋翼切面原理,其次则为动量理论(momentum theory)及旋翼元素理论(blade element theory)。于翼切面原理中介绍翼切面如何产生升力,以及相对的阻力及翻转力矩;而动量理论介绍旋旋翼的简单物理数学模式,及其相关的理论基础;最后旋翼元素理论则较详细的解释翼片如何产生升力、阻力及所消耗的功率。了解直旋翼如何产生飞行时所需的推力及所消耗的功率后,将有助于更深入的了解下一章对于直升机飞行的功能与操控的介绍。2旋翼切面原理当一个人乘坐于前进中的车子里,把手伸出窗外,手掌张开且向上倾斜时,手臂将感受到有往后和
2、往上移动的倾向,而且其倾向大小又与手掌倾斜的角度大小成正比,另外当手掌倾角大于某一角度时,往上移动的倾向急速地消失且往后移动的倾向遽然升高。此种现象可作如下的解释,当一物体相对于空气有前进的速度时,空气作用于此物体上的力量可分为两个分量:一为垂直于自由流(free stream)方向的分量,另一为沿着自由流方向的分量,前者为升力而后者则为阻力。而手掌的仰角高于某一特定的角度时,升力会急速的随着仰角的增加而下降,且阻力遽然地上升,而此一特定的角度亦则随着物体形状的不同改变。对于旋翼切面亦然,当旋翼切面相对于空气移动时,其升力及阻力的大小与物体相对于自由流的动压力和旋翼片面积的乘积成正比,其升力和
3、阻力的比例系数称为升力系数(lift coefficient,)及阻力系数(drag coefficient,),此二系数随着物体形状的不同改变且和翼切面的攻角(angle of attack)大小成正比,图3.2.1为一典型旋翼切面升力系数()对攻角()的函数图。当攻角并非很大时,旋翼切面的升力系数与攻角成线性关系,其中为升力线斜率,在此范围内,空气很平顺的流过翼切面的表面。当攻角逐渐增加,气流开始与翼切面的上表面分开,气流在分开点的后方产生一尾流,此尾流在分离份范围循环,有部份甚至是逆向流动,此一现象由流体黏性所产生,将于下面讨论。此时旋翼切面的升力急遽下降阻力升高,称之为旋翼切面失速(s
4、tall)。翼切面在失速前的升力系数为最大升力系数(),此系数为旋翼切面最重要的参数,因其决定旋翼切面失速时的速度。旋翼切面失速时的角度称失速角(stall angle),而此一特定的失速角度亦则随着物体形状的不同改变。另外当攻角固定时的失速称静态失速(static stall),而当攻角随时间急速变化时的失速称动态失速(dynamic stall)。而在曲线的另一边,当攻角等于零时,升力系数为一正值,当升力系数为零时,此时称为零升力攻角以表之。对于一对称型旋翼切面,对于一正弯曲(弦线向上弯曲)的翼切面,其零升力攻角通常大约或左右。图3.2.1 典型翼切面升力系数()对攻角()的函数图通常翼切
5、面形状的设计,在于提高其升力系数及降低其阻力系数,同时延迟失速的现象的发生,亦即提高升力与阻力的比值同时提高,图3.2.2为一典型的翼切面。当空气通过翼切面或翼切面切过空气时,空气的流线被翼切面分成两部份:一部份通过切面的上方,另一部份则通过切面的下方。而上下两部份气流在旋翼切面远前方及远后方有相同的速度,当有一向上倾斜的的旋翼切面通过时,于上方的气流比下方的气流在相同的时间里须走较远的路径,亦即通过上方的气流比通过下方的气流有较快的速度,图3.2.3a。根据柏努力公式(bernoullis equation),下方的气体作用在翼切面上的压力较上方的气体所作用的压力为高,图3.2.3b。由于压
6、力的作用,旋翼切面产生一沿着气流方向的力量即为阻力(drag),且同时有一垂直于流体方向的力量即为升力(lift),图3.2.3c。对于单位翼切面长度,此二力量与空气的动压力即气体密度和速度平方乘积的一半成正比同时与翼切面弦长成正比,而其比例系数则分别为阻力系数及升力系数。两者其分布型的压力作用在翼切面上,可视为一作用在某一定点的集中力量,而此定点称为压力中心,其位置通常随着翼切面外形而有所不同。另外翼切面的气动力中心(aerodynamic center)一般大约位于四分之一翼切面弦长的位置,亦即一般均假设连接四分之一弦线为翼片的气动力中心线,翼切面的升力及阻力均作用于此,当压力中心和气动力
7、中心分开时,作用在翼切面的升力对气动力中心产生一翻转力矩(pitching moment)。若压力中心位于气动力中心前,此力矩对翼切面有往上翻扬的效用,如此造成翼切面上扬角度加大,进而产生的升力加大而使往上翻扬的倾向加大,如此对翼切面有不稳定的效用。反之则有向下压抑的效用且有助于翼切面的稳定。通常对称型的翼切面其压力中心与气动力中心相同且不受攻角的改变而影响,在早期的直升机翼切面大都采用此一类型,后来对于翼切面气弹力学的现像有较深入的了解后,渐渐地采用弯曲弦线型的翼切面,以提高最大的升力系数。通常气体具有某种程度的黏性,亦即当其通过一物体时,有一沿着物体表面切向的力量作用在物体上,同时和物体表
8、面相邻空气的流线其速度为零,而远离物体表面的空气流线则具有原来的速度,这层速度由零到原来速度的空气层称为边界层流(boundary layer),图3.2.4。一般而言,边界层流的高度在物体前缘的部份很小,但越后方边界层流的高度越高,而后边界层流与物体表面分开而形成扰流,而分离的地方称分离点(separation point)。另外气体与物体表面间的摩擦亦产生阻力,此阻力称为表面摩擦阻力(skin friction drag),而物体表面空气形成扰流时所产生的阻力则远大于形成层流时所产生的阻力,而分离点的位置受物体攻角的影响很大,当物体攻角越大时,其分离点越往前移动,其所产生的表面摩擦阻力亦相
9、对地增加。而翼切面置于流动的空气中亦有相同的边界层流分离的现像,当其攻角大于某一特定角度时,随着攻角的增加,其升力系数急遽地下降,且阻力系数快速的增加,此种现像称之为失速(stall),失速的现像可分为三种:翼切面后缘失速(trailing-edge stall)、前缘失速(leading-edge stall)和薄翼切面失速(thin-airfoil stall),图3.2.5为典型的失速曲线图。一般失速的攻角随着翼切面的外形而改变,在直升机旋转翼的应用上,翼切面失速的攻角越大越好。旋转翼前进翼片翼尖相对于空气的速度有时接近于音速,空气的压缩性亦是影响翼切面性能的一个很重要的因素。当自由流的
10、速度小于 0.4 马赫数时,空气的可压缩性大抵上是可以忽略的,但当自由流的马赫数越来越大时,空气的压缩性则变得很重要。一般均将自由流的马赫数区分为临界马赫数(critical mach number),次临界马赫数(subcritical mach number)及超临界马赫数(supercritical mach number)三种,而所谓临界马赫数即气体在翼切面上任一局部地区开始达到音速时的自由流马赫数,此时自由流并未达到音数。在此状况下,局部翼切面已处于超音数的范围,且音数的震波(shock wave)产生。而当自由流的速度继续增加时,翼切面处于超音数情况下的范围加大,震波在翼切面的上下
11、表面产生,一直到整个翼切面完全处于超音数的情况,此时震波在翼切面前缘的前面,图3.2.6。当震波产生时,在震波下游的气体开始与翼切面分离而产生扰流,相对地翼切面的阻力急速的增加。而翼切面阻力急数增加的情况下,若阻力系数对马赫数的斜率等于 0.1 时,其自由流马赫数称为阻力发散马赫数(drag divergence mach number),在直升机旋转翼的应用上,翼切面临界马赫数及阻力发散马赫数越高越好。3.动量理论对于直升机空中停留的理论基础基本上是沿用飞机螺旋桨(airscrew)的理论,螺旋桨旋转产生推力来克服飞机前进飞行时的空气阻力。而在此理论中,主要是探讨空气沿螺旋桨轴向的运动及作用
12、在螺旋桨上静推力的产生。而此理论可用来探讨直升机空中停留和垂直爬升的现象。同时此理论亦被运用在船舶的推进螺旋桨上。和一般的物理系统一样,直升机的飞行一样地亦必须遵守物理的基本法则。根据牛顿第三运动定律对于任何的作用力,存在一大小相同方向相反的反作用力,直升机亦不例外,在空中停留时作用在旋转翼上的力量(亦即直升机的升力)与直升机的总重量相同。而其反作用力则将旋转平面上方的空气往下加速使其通过旋翼的旋转面,在动量理论中,假设旋翼为一理想之旋转翼(ideal rotor),亦即旋转翼有无限个翼片因此可将其试为一致动圆盘(actuator disk)、无任何摩擦阻力及黏滞阻力、空气只具移动动能而无转动
13、动能、空气通过转动平面时其流速为连续性、同时空气具有均匀的流速,在远处空气速度为,空气通过旋转平面时速度为,其中定义为诱导速度或下洗流速度,且在旋转平面后的尾流空气速度为,其中定义为尾流速度如图3.3.1。而牛顿第二运动定律告诉我们力量为质量和加速度的乘积,所以作用在旋转翼上的力量()等于空气质量()与空气加速度()的乘积,。但是旋翼持续地将空气下拉通过旋转平面,因此旋翼的推力又可改写为单位时间通过旋转平面的空气质量和空气速度改变量的乘积。而单位时间通过的空气质量为空气密度()、旋转平面截面积()和空气通过旋转面时速度()的乘积,故其间的关系可写成:另外根据功能定理力量所作的功用来改变动能,故
14、单位时间中,螺旋桨的推力对空气所作的功,必需等于通过旋转平面空气所增加的动能(),而空气的动能的改变量为:由上述的公式可解得:,这个关系指出空气的诱导速度等于其速度总增加量的一半。直升机空中停留时,由此可得诱导速度与旋翼推力或直升机总重量间的关系:其中为直升机的总重量,为旋转平面的半径。再者每单位旋转平面上所承受的推力则定义为转盘受力(disk loading),。旋翼的转盘受力越大,诱导速度则越高。一般小型直升机的设计均有较高的转盘受力,最主要的原因在于其旋转翼尺寸较小,亦即直升机可减轻很多的重量。但另一方面,当转盘受力大时,所产生高速的下洗流,会影响维修人员的工做及乘客的安全,同时直升机靠
15、近地面时,下洗流所吹起的飞尘有时会影响飞行员的视线,且飞尘若被引擎吸入可能造成损坏。通常直升机的转盘受力设计值大约为到之间。依实际的情况来说,直升机空中停留时最主要的功率损失即为旋翼于单位时间对空气所作的功,。因此如要提高直升机空中停留的效率,转盘受力则越低越好。在此顺便一提有关转盘受力应用的例子,美国直升机协会为纪念塞考斯机对直升机发展的贡献,举办一项人力直升机的竞赛称塞考斯基奖,有很多教育单位参与竞赛,其中大部份的设计均有很长的翼片,亦即有很低的转盘受力,其主要的原因也就是要提高空中停留的效率,降低功率的损失,但因人类的体能有限,到目前为止还没有任何参与的队伍能达到竞赛的要求。而在理想旋转
16、翼的假设下,所得到的功率损失为大约只有实际状况的百分之六十,实际的旋翼功率的损失大约比理想旋转翼多出百分之四十左右,其中包括外形阻力百分之三十几、非均匀流速百分之六、转动损失百分之零点二和翼尖损失百分之三。为提升旋翼的效率,通常以较外形阻力的翼切面来降低旋转翼外形阻力的损失,再者以翼片的预扭角度使流场较为均匀以减少非均匀流速的损失。通常以灵敏值(figure of merit)来评估旋翼于空中停留时的效益,灵敏值类似螺旋桨的推进效率(propulsive efficiency),定义为理想功率()和实际功率()的比,。对于理想旋翼其值为 1,一般设计良好的旋翼值约在 0.75 到 0.8 之间
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