大型共轴双旋翼快速直升机

来源:百度文库 编辑:超级军网 时间:2024/05/04 12:14:57
各位CG大侠,看各位对这个创意是否感兴趣。如果感兴趣可以画出来投稿。

汶川地震时就一直期望早日看到我们的大型直升机,后来和咱们论坛上的朋友合作设想了一个构思,是交叉双旋翼直升机。当然那个构思也有一些问题,故个人并没有放弃在这方面的思考,一致在想是否还有其他的方案。昨天突然想到一个大型共轴双旋翼创意,贴出来供大家参考。

个人下面论述比较啰嗦,故先简化一下:

简述:采用共轴双旋翼加螺旋桨推进方案(类似X-2),利用直升机旋翼的周期距改变旋翼锥形倾斜角度,避免上下旋翼之间的碰撞,提高飞行速度。



详细内容:

直升机的作用有目共睹,但直升机一直面临着飞行速度不够快、飞行效率低的问题。虽然人类在这方面做出很多努力,有很多设想,但都不太成功,甚至是惨重的失败。近年来在这方面有突破进展的是V-22鱼鹰,但也谈不上多么成功,其在立项时良好的愿望到今天才实现了其中一部分,目前也只有美国海军陆战队装备,远没有设想是那种没有景象。

当然人们不会放弃这类设想,最近比较热门的是西科斯基X-2直升机,俄罗斯卡莫夫设计局也有类似构思。个人认为这类构思比V-22更可取,至少旋翼直径比较大,有效升力面积大,虽然最大速度比不上V-22,但比V-22在直升机的用途上要好不少。

X-2这类构型需要突破的技术是所谓刚性旋翼技术。采用刚性旋翼的原因如下:当前的旋翼是都是柔性的,这是因为直升机向前飞行时旋翼左右两侧相对空气速度不一致,从而其上的气动作用力也不一致,旋翼旋转时承受着大小不一的反复作用力,柔性旋翼允许机翼变弯然后将应力减小,从而让直升机向前飞行成为可能。但柔性旋翼不能大幅度提高飞行速度,因为飞行速度高时,旋翼在向飞行速度方向旋转时(前行桨叶)会出现速度叠加现象(旋翼旋转线速度加直升机相对空气速度)使得旋翼翼稍速度超过音速,这使得直升机速度无法继续提升。当然可以降低旋翼旋转速度,但在旋翼向后运动时,出现的是速度抵消现象,旋翼相对气流的速度是旋翼旋转线速度减去直升机速度,这个时候旋翼上甚至出现负速度,负速度是无法提供升力的,直升机两侧升力不一致,是无法稳定飞行的。

当然有人提出,采用共轴双旋翼直升机,降低旋翼旋转速度,即提高速度,又能保持飞行左右两边升力平衡不就可以了吗?原则上是可以的,不过也有问题:上下旋翼会碰撞,这个非常危险。上下旋翼会碰撞的原因在于柔性旋翼会向上偏转,旋翼旋转起来是个锥形而不是个平面,而这个锥形的轴也不是垂直的,而是斜向一边的,上下旋翼的锥形倾斜方向相反,下面旋翼一侧向上偏转,正好上面旋翼的同一面不向上偏转,此时上下旋翼间的间距在缩小,碰到阵风时就会碰到一起,高速旋翼对撞后只有一个结果:坠机。正是为了避免碰撞,所以共轴双旋翼直升机的上下旋翼间距较大,较大的间距减少了碰撞机会,但较大的间距意味着迎风阻力比较大,飞行速度提升也是问题。

为了避免这些问题,就采用所谓刚性旋翼,即旋翼上受很大的力也几乎不变形或者变形很小,这样上下旋翼旋转时就是两个平行平面,就不大会碰撞,同时上下旋翼间距可以缩小,从而减小阻力。为了增加水平飞行速度,所以在尾部或机身两侧设置了一个推进螺旋桨,可以将速度提高到460km/h,虽然速度比不上V-22的500多km/h,但远远超过当前的不到350km/h。

不过,这个刚性旋翼研制太难了,真的不见得能够成功:因为没有见过受力不变形的材料,即便是复合材料,也不见得就能够承受这种反复的不均衡受力,尤其是对于我们而言,这种材料上的差距会更大。

本人认为共轴双旋翼加推进螺旋桨是个由前途的构型,核心要解决的问题是避免上下旋翼碰撞,鄙人的构想就是:让旋翼锥形倾斜,让上下旋翼的锥形轴线保持一致,从而确保锥形是平行的,这样就可以避免碰撞,也无需要那种刚性旋翼,从而提高速度。

让旋翼锥向左右倾斜本身就是直升机上的现实应用,当前的所谓周期距就是这样的,通过这种控制,只不过以前这个东西用于向前后左右飞行,当今改成是避免碰撞而已。

关于直升机和人们在直升机方面的努力,可以参照这篇文章:
《像鸟儿一样腾飞》

http://www.afwing.com/intro/birdy/1.htm各位CG大侠,看各位对这个创意是否感兴趣。如果感兴趣可以画出来投稿。

汶川地震时就一直期望早日看到我们的大型直升机,后来和咱们论坛上的朋友合作设想了一个构思,是交叉双旋翼直升机。当然那个构思也有一些问题,故个人并没有放弃在这方面的思考,一致在想是否还有其他的方案。昨天突然想到一个大型共轴双旋翼创意,贴出来供大家参考。

个人下面论述比较啰嗦,故先简化一下:

简述:采用共轴双旋翼加螺旋桨推进方案(类似X-2),利用直升机旋翼的周期距改变旋翼锥形倾斜角度,避免上下旋翼之间的碰撞,提高飞行速度。



详细内容:

直升机的作用有目共睹,但直升机一直面临着飞行速度不够快、飞行效率低的问题。虽然人类在这方面做出很多努力,有很多设想,但都不太成功,甚至是惨重的失败。近年来在这方面有突破进展的是V-22鱼鹰,但也谈不上多么成功,其在立项时良好的愿望到今天才实现了其中一部分,目前也只有美国海军陆战队装备,远没有设想是那种没有景象。

当然人们不会放弃这类设想,最近比较热门的是西科斯基X-2直升机,俄罗斯卡莫夫设计局也有类似构思。个人认为这类构思比V-22更可取,至少旋翼直径比较大,有效升力面积大,虽然最大速度比不上V-22,但比V-22在直升机的用途上要好不少。

X-2这类构型需要突破的技术是所谓刚性旋翼技术。采用刚性旋翼的原因如下:当前的旋翼是都是柔性的,这是因为直升机向前飞行时旋翼左右两侧相对空气速度不一致,从而其上的气动作用力也不一致,旋翼旋转时承受着大小不一的反复作用力,柔性旋翼允许机翼变弯然后将应力减小,从而让直升机向前飞行成为可能。但柔性旋翼不能大幅度提高飞行速度,因为飞行速度高时,旋翼在向飞行速度方向旋转时(前行桨叶)会出现速度叠加现象(旋翼旋转线速度加直升机相对空气速度)使得旋翼翼稍速度超过音速,这使得直升机速度无法继续提升。当然可以降低旋翼旋转速度,但在旋翼向后运动时,出现的是速度抵消现象,旋翼相对气流的速度是旋翼旋转线速度减去直升机速度,这个时候旋翼上甚至出现负速度,负速度是无法提供升力的,直升机两侧升力不一致,是无法稳定飞行的。

当然有人提出,采用共轴双旋翼直升机,降低旋翼旋转速度,即提高速度,又能保持飞行左右两边升力平衡不就可以了吗?原则上是可以的,不过也有问题:上下旋翼会碰撞,这个非常危险。上下旋翼会碰撞的原因在于柔性旋翼会向上偏转,旋翼旋转起来是个锥形而不是个平面,而这个锥形的轴也不是垂直的,而是斜向一边的,上下旋翼的锥形倾斜方向相反,下面旋翼一侧向上偏转,正好上面旋翼的同一面不向上偏转,此时上下旋翼间的间距在缩小,碰到阵风时就会碰到一起,高速旋翼对撞后只有一个结果:坠机。正是为了避免碰撞,所以共轴双旋翼直升机的上下旋翼间距较大,较大的间距减少了碰撞机会,但较大的间距意味着迎风阻力比较大,飞行速度提升也是问题。

为了避免这些问题,就采用所谓刚性旋翼,即旋翼上受很大的力也几乎不变形或者变形很小,这样上下旋翼旋转时就是两个平行平面,就不大会碰撞,同时上下旋翼间距可以缩小,从而减小阻力。为了增加水平飞行速度,所以在尾部或机身两侧设置了一个推进螺旋桨,可以将速度提高到460km/h,虽然速度比不上V-22的500多km/h,但远远超过当前的不到350km/h。

不过,这个刚性旋翼研制太难了,真的不见得能够成功:因为没有见过受力不变形的材料,即便是复合材料,也不见得就能够承受这种反复的不均衡受力,尤其是对于我们而言,这种材料上的差距会更大。

本人认为共轴双旋翼加推进螺旋桨是个由前途的构型,核心要解决的问题是避免上下旋翼碰撞,鄙人的构想就是:让旋翼锥形倾斜,让上下旋翼的锥形轴线保持一致,从而确保锥形是平行的,这样就可以避免碰撞,也无需要那种刚性旋翼,从而提高速度。

让旋翼锥向左右倾斜本身就是直升机上的现实应用,当前的所谓周期距就是这样的,通过这种控制,只不过以前这个东西用于向前后左右飞行,当今改成是避免碰撞而已。

关于直升机和人们在直升机方面的努力,可以参照这篇文章:
《像鸟儿一样腾飞》

http://www.afwing.com/intro/birdy/1.htm
补充点X-2的资料
继续补充一些图:

1.jpg
2.gif
3.gif
4.gif
没看懂 楼主建个模型看看
说简单点楼主的意思是在原本可能发生碰撞的下旋翼前行桨叶与上旋翼后行桨叶交会处利用周期变矩增大上旋翼后行桨叶迎角从而增大升力使之上偏增加,并同时减小下旋翼前行桨叶迎角以减小其升力从而减缓其上偏,以增大这一危险区域上下旋翼间隙,减小其发生相撞的可能性。而根据直升机旋翼倾斜盘的构造,相应另一侧的下旋翼后行桨叶迎角增大,升力增大会增大上偏,上旋翼前行桨叶迎角减小,升力减小会减缓上偏,虽然这一侧的上下旋翼的交汇距离是减小了,但考虑到到原先其间隙相对平行桨盘是增大的,所以不会发生碰撞。
但是,从倾斜盘的结构上来说
这种倾斜盘是不成满足要求的,他首先要保证上桨盘的总矩随下桨盘总矩变化,且同时增加同时减小
从姿态控制上也是希望上下桨盘随动的,可同时增加一侧旋翼的升力并同减小另一侧旋翼的升力 从而改变力矩平衡达到姿态控制的目的,这与楼主同的设计思路相矛盾,为了达到楼主的设计目的且仍然满足总矩控制与姿态控制的基本要求,必然需要将上旋翼的变总矩、周期变矩机构与下旋翼的变总矩、周期变矩机构相分离,实现独立控制,机构上是可行的,参考长弓阿帕奇的顶桅,在不旋转的顶桅上安装作动筒驱动位于上旋翼上侧的周期变矩与变总矩机构,从机构上较现有机构要复杂一倍以上。
在从气动角度说一说,以下以偶数叶片旋翼为例且假设每片旋翼产生都工作在升力先线的线性段,现有的周期变矩机构,在总矩不变的前提下,这边桨叶迎角增加多少,对应侧迎角就减少多少,但高速飞行时由于前后行桨叶来流速度差较大,前行桨叶减少的升力不能被后行桨叶所弥补,将导致总升力下降,为了保持平飞必须增大总矩来同时增大前后行桨叶的迎角,这么看来通过总矩与周期变矩控制,使同一旋翼在总升力不变的前提下减小前行桨叶的上偏也是可行的,即前行桨叶迎角变化小,后行桨叶迎角变化大。
但具体的情况就不清楚了,因为这里一直假设旋翼工作在线性段,真实情况尚需大量的数值模拟与实验研究。

但这么一改,初步估计可能有两个大方面的变化:1  结构机构复杂性上升,机体结构重量上升,可靠性下降
                                                                  2  巡航效率下降
觉得还是给旋翼卸载要简单方便一些,比如disk rotor和安装机翼的方案
直升机我是外行,还请楼主海涵
另补充说明一点,如果我没记错的话普通的直升机旋翼与桨毂的链接是有三个自由度的,可在一定范围内挥舞(类似球头连接),当然有一定的限位,阻尼措施。而刚性旋翼旋翼与桨毂的链接有点类似变矩螺旋桨,只能旋转,不能挥舞(类似轴套连接)。

查了一下,以下转载http://www.fyjs.cn/bbs/simple/index.php?t151691.html
而所谓ABC刚性旋翼,就是采用两副尺寸完全相同,但旋转方向相反的共轴式刚性旋翼,它取消了普通旋翼中桨叶用来柔性连接桨毂的水平铰、垂直铰,只保留变距铰。在飞行过程中,共轴式刚性旋翼只负责产生升力无须产生前飞拉力,前飞拉力由辅助推进装置产生(X2和卡-92都是尾部螺旋桨),因而也无须复杂的自动倾斜器。当直升机前飞速度不断增大时,后行桨叶进行卸载,升力逐渐转移到前行桨叶上,使前行桨叶处于高动压流场中,能很好地发挥作用。后行桨叶卸载后,桨距不用很大,故不易产生气流分离失速。另外,前行桨叶和后行桨叶升力不对称的翻转力矩,正好由上下两副旋转方向相反的旋翼相互抵消,保持升力平衡。这样旋翼的气动效率大大提高。由于刚性桨叶没有挥舞,上下旋翼可以离得很近,而没有碰撞的危险。差动式地加减上下旋翼的桨距以形成扭力差不仅形成水平方向上的转向,还由于刚性旋翼非对称升力造成横滚,进一步加速转弯过程,所以采用的ABC刚性旋翼的直升机具有异乎寻常的机动性,大大超过常规直升机。

说简单点楼主的意思是在原本可能发生碰撞的下旋翼前行桨叶与上旋翼后行桨叶交会处利用周期变矩增大上旋翼后 ...
军大的侧卫 发表于 2011-2-8 05:52



    抱歉好久没有来这里,所以看到你的回复晚了很久。(这个版块是在是冷啊,相比别的版块)

   给传统直升机加机翼的来给旋翼卸载方案个人觉得并不是特别好,主要是机翼在零速时是死重,国外多次测试但最终没有使用,估计与这方面因素有关。

   至于俺的构思是否复杂问题,实际上在明确设计目标后能够进行结构优化来减少复杂度的。看看AK47的结构并没有比早期步枪复杂,但功能和可靠性远远超过,所以未必功能上增加就意味着结构复杂,这里面有个设计艺术的问题。

   对于是否降低巡航效率,实际上俺的设想中也是加了机翼的,不过与给传统单旋翼机不同的是卸载程度没有传统直升机大,因为双旋翼本身平衡,能够在前飞时提供升力,所以需要的机翼较小,付出的重量代价较小。对于巡航效率,由于机翼的存在和专门的推进系统的存在,速度是提升的。

   估计你对我的构思没有了解到位,我的构思是与给传统直升机加机翼和推进螺旋桨系统类似,只不过是给双旋翼直升机加,加的机翼要小,同时不用刚性旋翼,降低材料研究难度。
说简单点楼主的意思是在原本可能发生碰撞的下旋翼前行桨叶与上旋翼后行桨叶交会处利用周期变矩增大上旋翼后 ...
军大的侧卫 发表于 2011-2-8 05:52



    抱歉好久没有来这里,所以看到你的回复晚了很久。(这个版块是在是冷啊,相比别的版块)

   给传统直升机加机翼的来给旋翼卸载方案个人觉得并不是特别好,主要是机翼在零速时是死重,国外多次测试但最终没有使用,估计与这方面因素有关。

   至于俺的构思是否复杂问题,实际上在明确设计目标后能够进行结构优化来减少复杂度的。看看AK47的结构并没有比早期步枪复杂,但功能和可靠性远远超过,所以未必功能上增加就意味着结构复杂,这里面有个设计艺术的问题。

   对于是否降低巡航效率,实际上俺的设想中也是加了机翼的,不过与给传统单旋翼机不同的是卸载程度没有传统直升机大,因为双旋翼本身平衡,能够在前飞时提供升力,所以需要的机翼较小,付出的重量代价较小。对于巡航效率,由于机翼的存在和专门的推进系统的存在,速度是提升的。

   估计你对我的构思没有了解到位,我的构思是与给传统直升机加机翼和推进螺旋桨系统类似,只不过是给双旋翼直升机加,加的机翼要小,同时不用刚性旋翼,降低材料研究难度。
军大的侧卫 发表于 2011-2-8 06:29


    这个俺知道。

   ABC刚性旋翼的确有不少好处,但那个东西对旋翼材料的要求太高了,对于重型直升机几乎成为了不可能实现的东西,这就是俺提出这个构思的原因。
可恶的红叉叉 。。。