旋翼機的發展與應用

申 斌，吳一波，林冬生

武漢市軍械士官學校，湖北武漢 430070

0 引言

旋翼機具有結構簡單、安全性能良好、操作容易等多方面的優點，具有很好的垂直著陸能力及短距離的起飛能力，在很多領域得到了很好的應用。因此，本文對于旋翼機的發展及應用方面的研究不僅具有一定的理論指導作用，也具有一定的實際應用價值。

1 旋翼機國內外研究及應用現狀

19 世紀30 年代，西班牙工程師席爾瓦設計發明了第一個能夠實現可控飛行的旋翼機，并且旋翼機試飛成功。隨后在1934 年，席爾瓦設計制造了第一架能夠實現跳躍起飛的旋翼機，型號為C30 型，該設計中旋翼機采用直接旋翼操作，能夠實現旋翼機的一次性的轉向動作、俯仰動作以及側傾動作的操作，在很大程度上簡化了旋翼機的操作控制，因此C30 旋翼機成為當時實現量產并且最受歡迎的旋翼機，圖1 所示為C30 型旋翼機。

圖1 C30 型旋翼機

隨后，國外很多航空工作者和專家都對旋翼機進行了深入的研究，都取得了不錯的研究成果。根據不完全統計，目前積極在美國已經正式注冊登記的旋翼機就已經達到了幾萬架之多，而針對旋翼機進行研究生產制造的公司就有幾十家大型的航空公司。美國格萊恩航空公司生產的“獵鷹”2 型號（HAWK—2）旋翼機，能夠實現最大飛行速度185km/h，巡航速度130km/h，持續飛行時間長達四小時，飛行里程最大為500km，旋翼機守家在6 萬-7.5 萬美元之間，是目前世界上安全性能最好，并且質優價廉的高性能旋翼機。隨后2002 年，美國格萊恩航空公司生產的“獵鷹”4 型號（HAWK—4）旋翼機，執行第19 屆奧林匹克冬季運動會期間的安保巡邏工作，在巡邏期間，該旋翼機成功完成67 項項目，無需任何方面的維修和保養工作，表現出極其優秀的性能，該旋翼機在美國很多的政府的空中警察隊執行偵查和巡邏任務，起到十分很重要的作用。

但是，針對旋翼機的研究在我國國內還處于初級階段，相關方面的研究還是比較少。1998 年，泰克（天津）飛行器制造有限公司參加中國珠海國際航空航天展覽會過程中，展出了本次航空航天展的唯一一架泰克150 型旋翼機，該旋翼機具有優秀的機動性能，引起了當時參展人員的極大關注。最近，由北京東方神鷹科技發展有限責任公司與南京航空航天大學直升機技術研究所合作，共同研發了ZX1 型“開拓者”自轉旋翼機，也具有不錯的綜合性能，為旋翼機的研究發展提供了一定的指導作用。

2 多旋翼工作原理及其主要特點

旋翼機的主要升力裝置為不同數目的旋翼，旋翼在工作過程中自由旋轉，空氣氣流從下向上的方向穿過旋翼槳盤，提供旋翼機上升的升力。旋翼機在起飛時所需要的拉力或者推力主要來自于旋翼機前部的拉力螺旋槳或者旋翼機后部的推力螺旋槳，迎面流動的空氣驅動螺旋槳轉動，實現旋翼機的前進飛行。

通常情況下，旋翼機的主要特點有以下幾個方面：

1）旋翼機整體結構組成簡單，具有較高的經濟性能。旋翼機的升力是由旋翼自由旋轉提供，不會產生反轉扭力，沒有設計多余的發動機傳動裝置，所以說旋翼機的結構比較簡單，維修和操作程序也比較簡單，并且旋翼機的介質僅為同量級直升機的1/5 ～1/10，旋翼機的經濟性能較高；

2）旋翼機操作和維護程序簡單。旋翼機的旋翼是沒有動力裝置的，并且旋翼機的尾部也沒有傳動系統和減速器等相關的動力系統，并且大部分的旋翼機都沒有主旋翼的減速以及傳動系統裝置，因此旋翼機在操作起來程序比較簡單。除此之外，旋翼機的維護工作也比較簡單，國外的針對旋翼機的培訓中心，一般沒有任何飛行經驗的飛行員，經過兩天的培訓即可完全掌握操作和維護程序；

3）旋翼機起飛和下降距離比較短，不需要專門的停機機場。通常情況下，旋翼機有短距離起飛和幾乎垂直起飛兩種不同的起飛方式，這兩種起飛凡是都是利用旋翼機旋翼自身的特性，實現旋翼機的起飛，兩種方式的起飛距離都比較短。在旋翼機下降過程中，能夠通過操作旋翼機的錐體實現旋翼機后傾，能夠實現點式著陸，幾乎能夠實現旋翼機的垂直降落，因此不需要專門的停機機場，使用方便；

4）旋翼機具有十分高的安全性能。旋翼機的前進飛行時，一直保持自傳狀態，不會以為發動機的停止出現突然的市區控制，能夠實現安全的著陸，能夠保證旋翼機像降落傘一樣實現下降，因此，旋翼機被稱之為世界上最安全的航空飛行器。

3 多旋翼技術發展趨勢

隨著科學技術的不斷進步，旋翼機技術的發展速度也越來越快，對比目前旋翼機技術的發展狀況，未來多旋翼技術的發展主要的新技術有以下幾個方面：旋翼機旋翼新技術、旋翼機振動控制技術以及旋翼機復合材料應用新技術等。

3.1 旋翼機旋翼新技術

在旋翼機的設計與研發中，旋翼一直是設計師重視和創新設計的主要結構，主要的新技術體現在旋翼機旋轂和旋槳兩個主要結構上，這也成為旋翼機技術實現突破的重要標志之一。

隨著生產工藝以及結構動力學的快速發展，旋翼旋轂的結構也在不斷的發生著變化。特別是最近這幾年來，出現了很多種不同結構形式的旋翼旋轂，比如帶彈性鉸的鉸接式、無鉸式以及星形柔性等旋轂結構，這些結構整體設計簡單，重量比較輕，維護以及生產方便，具有較高的安全性能。并且結合計算機技術和有限元技術，對于旋轂結構建立有限元模型進行結構的拓撲優化以及尺寸形狀優化，對于旋轂新技術的開發具有十分重要的作用。

隨著計算技術的快速發展，多體動力學以及空氣動力學技術也實現了快速的進步，國內外很多企業和研究機構對于旋翼的旋槳進行了大量的深入研究。對于旋翼的槳葉進行空氣動力學以及多體動力學方面的研究設計，優化旋翼機的旋翼槳葉的形狀及其結構性能，并且進行多學科之間的多目標綜合優化設計，使得旋翼機旋翼新技術的研究步入了一個嶄新的發展階段。

3.2 旋翼機振動控制技術

隨著人們對于振動理論研究的逐步深入，旋翼機振動控制技術的研究也越來越深入。在進行振動控制技術的研究中，關注最為重要的是振動的抑制技術，在旋翼機的設計與研發過程中，將現代主動控制理論技術與旋翼機的振動控制相互結合，對于旋翼機的整體振動進行主動控制，主動控制旋翼的氣動載荷或控制機體對旋翼激振的響應，從而在整體上降低旋翼機的振動水平。

除此之外，對于旋翼機組成零部件的振動研究也有著十分重要的作用，對于主要結構件比如說旋翼、發動機、機體等進行相關振動方面的研究，結合計算機技術和有限元技術，建立結構件有限元模型，進行結構件模態分析，了解其主要振動頻率和振型，降低結構件本身的振動，也能夠實現旋翼機整體的振動水平的降低。

3.3 旋翼機復合材料新技術應用

旋翼機能夠實現快速的發展，離不開復合材料新技術的應用。符合材料的應用能夠大大降低旋翼機的質量，改進旋翼機的性能，提高旋翼機的整體安全性。

復合材料的優點在旋翼槳葉上得到了充分的發揮，它為旋翼槳葉氣動外形的改進和優化、旋翼動力學特性的優化提供了可能。更重要的是復合材料使在交變載荷作用下的旋翼壽命大幅度提高。這不僅提高了旋翼機的安全性，而且使槳葉制造成本大大降低，由此帶來了可觀的經濟效益。

除此之外，復合材料在旋翼機槳毅和機身上的應用研究也取得了不錯的成果。法國宇航公司于70 年代后期研制成功的星形柔性槳毅就是復合材料在旋翼槳毅上應用的首次突破，使旋翼結構全復合材料化成為可能這是旋翼機技術發展的一次革命。

4 結論

在今后的研究工作中，應該創新旋翼機研究方法和研究思路，重點重視旋翼機結構以及性能等方面的實驗研究及動力學模型仿真研究，進行重要結構件的多目標優化研究工作，從而做到從根本上提高旋翼機的整體性能指標。

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