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[信息] 逆速旋翼系统--旋翼机技术研究新亮点

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发表于 2007-9-21 16:19:52 | 显示全部楼层 |阅读模式

旋翼机技术研究新亮点

作者:严雅琳)

<div class=blogbody>  传统直升机结构布局带来的某些性能上的固有缺陷,造成了长期以来它始终无法跻身于航空应用主流领域的缺憾。近年来,世界直升机领域开展的各项重大技术研究项目,总体上都围绕着取得直升机设计布局和技术的突破或革命性进步的主题,使未来直升机能既保留独特的性能,又能兼顾至少与螺旋桨类固定翼飞机相近的性能优势
  一些直升机研究领域的 权威人士曾经坦言,传统直升机受其固有结构布局形式的限制,发展到今天,前飞速度已难以有突破性地提高了,除非进行旋翼技术革命,别无他途。
  然而,直升机界仍普遍认为,得益于先进航空材料和各种航空技术的快速发展和进步,未来常规直升机在提高飞行速度、有效载荷容量;降低噪声和振动,以及生产和使用成本方面仍有较大的发展空间。直升机工业界制定的发展目标是到2020年,将常规直升机的巡航速度提高到200节(370千米/小时), 空重和燃油消耗降低30%,外部噪声值降低60%,振动和安全水平提高到与固定翼飞机等同的水平,发展、生产、使用和维修成本降低30%~50%,同时还应该具有全天候飞行能力。
  近年来,世界各国,尤其是美国和欧洲一些发达国家的旋翼飞行器研究制造界,一方面潜心研究开发突破性旋翼技术和创新的旋翼飞行器设计布局,以加速实现推动旋翼飞行器技术革命的目标,找到能综合直升机和固定翼飞机各自性能优势的理想解决方案;另一方面也在不断地研究各种能解决传统直升机飞行速度慢、航程短, 商载小, 运营成本高,机舱内外噪声大,振动强烈等关键现存问题的先进技术,继续推动直升机的技术进步。
  本文主要介绍近期一些在传统直升机和/或旋翼机领域主要的新技术研发项目。
  逆速旋翼系统研究
  众所周知,常规布局直升机在前飞过程中存在的前行桨叶气流压缩性和后行桨叶气流失速性问题,长期以来始终是限制直升机前飞速度增加的瓶颈。多年来,世界直升机界为提高常规直升机的前飞速度曾经作过各种不懈的研究努力。通过对各种先进航空材料和先进旋翼桨叶气动翼型的研究和开发,今天最先进的常规直升机的前飞速度已经接近于160节了。但这与前面所提到的2020年达到200节的奋斗目标还有一段距离,离直升机界更长远的理想目标值更是相去甚远。传统直升机前飞速度突破性地提高必须有赖于创新技术的开发,几乎成为直升机界的共识。
  逆速旋翼(RVR-Reverse Velocity Rotor)系统是美国NASA新近开始的一种与具有创新意义的研究项目,目前已经引起了业内的广泛关注。 其目的就是希望从气动设计上解决长期困扰直升机界的前飞速度限制问题。
  采用逆速旋翼系统的直升机在快速前飞时,前飞速度将超过逆速旋翼系统中桨叶的桨尖线速度, 从而使整个后行桨叶处于反向气流之中,故此得名"逆速旋翼系统"。
  逆速旋翼系统的桨叶采用前后缘对称的翼型。这样以来,不论气流流过桨叶的方向如何,都将产生升力。这种对称翼型可以将因旋翼旋转速度和飞机前飞速度之和引起的后行桨叶速度降低的影响达到最小化。在直升机前飞速度增加时,旋翼转速将减小,但由于逆速旋翼系统的桨叶翼型前后缘对称,通过改变后行桨叶的扭转角,使后行桨叶迎角为负,此时后行桨叶仍将产生升力,从而达到推迟常规旋翼后行桨叶失速出现的时间。当然这种逆速旋翼设计,还需要可变速的传动装置和辅助推力系统的支持,因为在高速前飞状态时,旋翼俯仰和偏航控制将由推力矢量提供。
  风洞实验结果表明,逆速旋翼系统的开发和利用,能使传统直升机在保持常规布局设计的条件下,达到300节以上的巡航速度。目前,西科斯基飞机公司已经在与NASA签定的合同下,负责研制一种80座级的不依赖跑道起降的逆速旋翼机。其基本型将装3台发动机,采用8片桨叶旋翼系统,尾部装有涵道风扇推进器。预计这种基本型逆速旋翼机的巡航速度可达到340节,航程为1000千米(540海里)。
  逆速旋翼机的出现及其所达到的前飞速度水平,对现有像V-22那样的倾转旋翼机直接构成了挑战。后者目前虽然已经达到了275节的巡航速度,但其复杂的水平和垂直飞行过渡结构设计不仅造成飞机自身重量大大增加,影响了它的有效载荷装载能力,而且也增加了飞行员的操作复杂性。但采用逆速旋翼系统设计的未来逆速旋翼机将能避免这样的难题。
  几种研究中的降噪技术
  当前,比提高直升机巡航速度更重要的发展目标,就是降低直升机的噪声和振动,这两者是限制直升机更广泛投入应用的主要障碍。目前,世界直升机界正在研究各种主动式和被动式的减振降噪方法。以下是其中几种较新出台的降噪技术研究项目。
  高升力桨叶技术 这是被业内认为最新的研究项目。高升力桨叶主要通过降低巡航飞行中直升机旋翼的转速,达到降低直升机至飞临区域的噪声。
   "波形"桨叶设计(wavy blade) 这是NASA目前正在研究的一种旨在降低直升机下降过程中桨-涡干扰(BVI, Blade Vortex Interaction)噪声的新型桨叶。BVI噪声是直升机下降过程中的主要噪声源,其产生的机理是当后行桨叶与先行桨叶产生的涡流相撞时,桨涡相互作用引起后行桨叶上的气动载荷发生局部急剧变化,从而产生噪声。 "波形桨叶"可以分散先行桨叶产生的涡流,从而降低BIV噪声。
   "可调式旋翼" 研究这是一种桨叶分布间距不均等的旋翼系统。旨在通过调整旋翼桨叶的安装角,使旋翼桨叶不再呈常规的均匀分布安装位置,从而使降低原先的BVI噪声的强度。 "主动扭转旋翼"(ATR-active twist rotor)研究这是另外一种旨在降低BVI噪声的研究项目。其核心内容是通过对每一片旋翼桨叶的载荷和空间位置进行独立控制,减小桨叶尾涡强度,使后行桨叶不会和先行桨叶产生的涡流相撞。NASA的风洞试验显示主动扭转旋翼对于降低噪音和振动有明显的作用。
   ERICA--一种欧洲的新型倾转旋翼机计划
  倾转旋翼/机翼布局飞机与直升机相比具有速度与航程上的优势,但一直存在构型和重量上的设计难点,悬停性能也因为采用旋翼/螺旋桨设计而受到影响。比较而言,民航运输机的有效载荷能力是其空重的120%;直升机的为80%,而现在生产中的倾转旋翼飞机的仅仅为40%。
  为解决上述问题,1999年意大利阿古斯塔航宇公司(2001年与英国的GNK韦斯特兰有限公司合并后,更名为阿古斯塔韦斯特兰公司)提出了一种20 座的第二代倾转旋翼机研究项目,即ERICA(Enhanced Rotorcraft Innovation Concept Achievement)增强型欧洲旋翼飞机创新研究方案,并组织了一个包括阿古斯塔韦斯特兰公司在内,由16家公司联合组成的开发小组,共同推进 ERICA的方案设计。作为欧盟"第五框架"(fifth framework)项目的一部分,ERICA获得了欧盟的资金资助。
  开发小组以现有贝尔倾转旋翼机设计为参考,规划了一个重量为10000千克的新型倾转旋翼机设计方案。它与贝尔V-22和BA609的不同在于,旋翼直径缩短;机翼外侧部分可以不受短舱活动的影响独立地偏转,两个旋翼之间有一个起连接作用的管状结构。
   ERICA的旋翼直径为7.4米,旋翼有4片桨叶,而V-22和BA609 的3片桨叶旋翼的直径分别为11.6米和7.9米。旋翼的直径缩小为以常规的固定翼方式起降提供了足够的净空,增强了起降的安全性,改善了商载/航程性能。
  为补偿因旋翼直径缩小对该机垂直起降和悬停性能的影响,开发小组为该机设计了两侧短翼,短翼外侧部分可以旋转,并且翼尖装的吊舱也可以独立转动,以调整到最佳迎角状态。该机只要将外翼可偏转的部分偏转7度就可以固定翼的方式起降。这使它能够更容易在旋翼或固定翼飞行方式间进行转换,并改善了自转特性。
   ERICA的短舱和可偏转的外翼部分将由一根贯穿整个机翼的刚性空心轴连接在一起,空心轴中将安排管路和电缆。这不仅减轻了设计重量,同时还取消对短舱的旋转接头和同步机构的需求。
  偏转机翼/倾转旋翼相结合的第二代倾转旋翼机ERICA主要面向民用市场。其在运营中将有95%的时间处于固定翼飞行模式,仅有5%的时间是以旋翼飞机的悬停或垂直起降方式进行的。
   ERICA将采用四排座客舱布局,短距离起降时,可载客22人,乘客加上行李的商载可以达到2200千克;垂直起降时,可以载客19人,航程为1100千米。高度扭转的桨叶使ERICA的最大巡航速度可以达到350节,比V-22或BA609 的275节的整整快了75节,ERICA还可以在最大起降重量状态实现单发操纵。

 

大家要是有相应的图片请发上来

 

 

来源:空管在线

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