關于無軸承旋翼直升機氣動機械穩(wěn)定性的相關探討

趙健 陳騰 王付濤

摘要：把無軸承旋翼和過去的絞接式旋翼槳轂構造做比較，前者占據(jù)較大優(yōu)勢。尤其是在槳葉運轉過程中，其主承力要件：柔性梁的功能有較大改進，近年來備受人們廣泛關注。本文將主要無軸承旋翼直升機氣動機械穩(wěn)定性展開分析，并提供具體優(yōu)化對策供有關人員參考。

關鍵詞：無軸承旋翼；直升機；氣動機械

引言：

鑒于復合材料柔性梁自身具有良好彈性，在離心力的影響下，會出現(xiàn)變形、擺振等情況，這會對和其連接的槳葉帶來良好影響，從而優(yōu)化槳葉運動性能，形成擺振、變距以及扭轉等運動模式。但恰恰因為柔性梁柔性指數(shù)較高，其在受力情況下機械振動方式更為繁雜，無法用之前的剛性模型展開模擬剖析。

一、建設模型

通常來講，旋翼結構的震動狀況不會輕易被直升機的機體所影響，所以，可把其視為一種剛體。機體的外力作用與運動限制一般體現(xiàn)在起落架上，由于其具有各種各樣的結構分布方式，并且每一種方式對機體的限制與受力方式有著不同影響，所以必須要先明確其結構。目前創(chuàng)建的模型所采用的起落架結構模式為滑撬式，可利用試驗裝備檢測出其機械振動性質。另外，為讓機體模型越來越簡易，把其振動狀態(tài)參數(shù)變成槳轂位置中心的平均效量。在剖析機體動力學的過程中，用平面模型頂替空間模型，有利于提高運算效率。在建設旋翼模型時，要重點結合無軸承旋翼槳葉的動力學特點考慮。耦合剖析減擺器、槳轂以及槳葉，采用有限元方法開展仿真試驗，進一步明確不同設計參數(shù)對其穩(wěn)定性造成的影響[1]。

二、穩(wěn)定性研究

針對無軸承旋翼構造與直升機機體構造展開動力學模型仿真，能對干擾其機械穩(wěn)定性能的因素展開全面剖析，得到的最終結果如下：

（一）槳葉振動性質研究

由仿真試驗可知槳葉的振動性質對直升機氣動可靠性和穩(wěn)定性有著直接關系。比如，槳葉的運動主要有擺振、扭轉、揮舞等行為，所以其耦合行為模態(tài)較為繁雜。一旦其振動模態(tài)習慣于向前擺動，因為這時槳葉扭矩會增加，讓其揮舞行為出現(xiàn)大幅度變化。相反，若耦合振動模態(tài)習慣向后擺動時，這時槳葉的扭矩也會大幅度增加，加大擺振。此種動力學耦合聯(lián)系對槳葉常規(guī)運作帶來不良影響，增加其運動阻尼，從而降低直升機的氣動機械可靠性與穩(wěn)定性。然而，通過試驗還可發(fā)現(xiàn)，變距與軸套線系的剛度也是干擾震動模態(tài)的一個主要原因。若正確控制變距與軸套支臂的剛度，科學設置其布局，就會大大改善耦合振動模態(tài)的作用模式，降低氣動阻尼系數(shù)，讓氣動機械可以穩(wěn)定運作。

（二）地面共振研究

經(jīng)過全面剖析模型地面共振狀況可知，無軸承旋翼直升機氣動機械穩(wěn)定性通常和阻尼器剛度以及機體模態(tài)阻尼息息相關。深度剖析可發(fā)現(xiàn)，要想避免槳葉耦合反常振動可通過增加機體模態(tài)阻尼系數(shù)來實現(xiàn)。但加強阻尼器的剛度對比之下對機體氣動機械可靠性造成的干擾可忽略不計。所以，通過提高直升機的模態(tài)阻尼來增強氣動機械穩(wěn)定性是一種有效的方法[2]。

（三）空中振動研究

對于此種結構的直升機而言，研究其氣動機械的穩(wěn)定性能，最關鍵的一個環(huán)節(jié)就是分析其空中振動狀況。據(jù)仿真試驗可發(fā)現(xiàn)，槳葉的扭轉、揮舞以及擺振行為的耦合模態(tài)是影響機體氣動機械穩(wěn)定性的最主要因素。比如：以揮舞后退方式為主的槳葉耦合氣動模態(tài)，機體的機械的可靠性和穩(wěn)定性在氣動力的作用下展現(xiàn)出巨大的阻尼影響，出現(xiàn)一種高阻尼的模態(tài)。這會間接導致直升機機械控制水平下滑，對其氣動穩(wěn)定性帶來負面影響。但若是為直升機供應阻尼力時采用減擺器，能避免槳葉無規(guī)律的耦合振動引發(fā)的失控。以此同時，還能發(fā)現(xiàn)變距掌控系統(tǒng)剛度在機體空中可靠性的關鍵作用。正確的變距掌控系統(tǒng)剛度能維持良好的耦合振動模態(tài)，讓其在良好的環(huán)境中穩(wěn)定運作。

在分析升力對直升機氣動機械穩(wěn)定性能帶來的影響時，僅結合了垂直上升的的狀況，最終結構顯示加強升力會讓擺振后退模態(tài)阻尼系數(shù)加大。這主要是因為還未處于升力快速前飛狀態(tài)，對于槳葉翼型剖面氣流而言，其還沒有開始失速，所以，升力加大會加強氣動阻尼。本文未對高升力快速前飛狀態(tài)展開研究，要建設非定常動態(tài)失速氣動模型，比如根據(jù)翼型靜態(tài)吹風情況，運算出此狀態(tài)下的氣動模型。利用此氣動模型，利用時域算出相應的耦合動力方程，能依據(jù)瞬態(tài)形影剖析其穩(wěn)定性。

三、結論

完成上述對無軸承旋翼直升機的模型建設和有關氣動機械穩(wěn)定性能的剖析，可知優(yōu)化直升機的某些有關設計參數(shù)，能大大提高其氣動可靠性和穩(wěn)定性。比如：在旋翼槳轂上裝備減擺器，能防止機體在空中以及地面上發(fā)生共振問題。針對空中振動狀況而言，影響直升機氣動功能的主要原因在于槳葉的耦合振動模態(tài)，鑒于此，可采用剛度較大的變距掌控系統(tǒng)予以掌控。與此同時，槳葉動力學性質容易被槳葉的結構分布和變距、軸套支臂自身的剛度所左右。在采取一定措施以后，能大大提升槳葉的氣動阻尼性能。為避免無軸承旋翼直升機出現(xiàn)地面共振情況，可提高其自身的模態(tài)阻尼系數(shù)，從而保證其可靠性與穩(wěn)定性。在軸流條件下，在低于翼型動態(tài)失速的槳矩范疇內加大升力，會有效提升空中共振的可靠性。

另外，鑒于無軸承旋翼操作功效非常明顯，空中共振對確定槳矩錄入，特別是調整直升機運動姿勢錄入機理十分敏銳。但在自動飛行掌控系統(tǒng)或是增穩(wěn)體系設計過程中并未結合其對空中共振造成的影響考慮。所以，在ACFS設計過程中把直升機氣動機械穩(wěn)定性自主控制技術融入其中，是無軸承旋翼結構未來發(fā)展的重點探究主題。

結論：

綜上所述，無軸承旋翼結構作為一種新興的直升機架構方式，直接影響著飛機的整體運行狀態(tài)和效果，因此，必須要提高其氣動機械穩(wěn)定性。相關人員在實踐過程中要充分結合實際情況，有針對性的選用實施方法和方法，積極學習和掌握先進的知識理論與技能技術，確保各項工作有序進行。

參考文獻：

[1]劉軍樂，陳愛軍.無軸承旋翼槳轂中心動特性試驗技術研究[J].直升機技術，2017（03）：60-64.

[2]劉洋，向錦武.艦載直升機旋翼/機體耦合動力學穩(wěn)定性[J].北京航空航天大學學報，2013，39（04）：442-446.

作者簡介：

趙健，男，漢族，山東東營，1988年10月，航空機械方向（直升機）.

陳騰，男，漢族，河南長垣，1991年12月，航空機械方向（直升機）.

王付濤，男，漢族，山東德州，1991年02月，航空機械方向（直升機）.