《自转旋翼机纵向静稳定性影响要素》
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摘 要：研究自转旋翼机影响纵向静稳定性的要素,包括飞行速度、平尾大小、平尾安装角、重心前后、重心上下等.通过计算得到主旋翼的气动力数据库,然后简化机体模型,综合得到全机的气动力数据.配平各个速度下不同要素,组合计算得到各要素对纵向静稳定性的影响.
关键词：自转旋翼机;重心范围;平尾;静稳定性
自转旋翼机（Autogyro）是一种起降和飞行方式介于固定翼飞机和直升机之间的一种飞行器.它以旋翼作为升力面、以发动机螺旋桨为前进动力.它兼有直升机和固定翼飞机的特点,具有良好的经济性、且结构简单、安全性好,滑跑距离短,对跑道要求很低,在短草地、平坦土路都可以起降,在使用上不需要专用机场,有些安装可变总距机构或者旋翼桨尖喷气的复杂旋翼机甚至可以实现垂直起降.目前在运动、娱乐、观光体验等飞行方面越来越受欢迎,再次成为航空领域关注的热点.本文选用Autogyro公司的MT03型旋翼机为研究对象.MT03自转旋翼机外形见图1,为简化计算,将座舱进行封闭做椭圆机身处理,机身作用仅考虑一个阻力,简化模型见图2.
1 旋翼机气动力
自转旋翼机的气动建模,考虑到自转旋翼机的主旋翼与机体之间距离较远,且主旋翼的下压气流相对前向来流小一个量级,故主旋翼与机体之间可以不考虑气动干扰.主旋翼的计算基于叶素理论、采用数值积分的方法,再引入Pitt-Peters动态入流,结合动量方程,最终建立自转旋翼气动计算模型.机体部分可以采用常规固定翼方式,利用CFD進行整体气动力计算,最终通过修正螺旋桨滑流对垂尾和方向舵的影响,得到完整的全机气动力模型.
1.1 主旋翼气动力
采用叶素理论,通过Pitt-Peter动态入流模型计算旋翼诱导速度,同时应结合自转旋翼跷跷板式桨毂的特点考虑旋翼的非定常挥舞运动.整个建模过程与直升机旋翼的建模相似,但需注意跷跷板式桨毂会抵消不对称力矩,且来流方向和桨盘迎角的定义与直升机也有所区别.
1.2 机体气动力
常规手段通过CFD计算得到机体气动力,本文为说明问题,采用简化方法.通过浸润面积、长细比、迎风面积等手段简单估算机体和起落架阻力,不考虑此部分升力和力矩.取参考点面积和弦长皆为1,简单计算机身和起落架阻力系数为0.25,同时忽略滑流下洗影响,通过端板效应,线性化估算不同平尾安装角下的平尾气动力如下表1：
2 旋翼机配平计算及静稳定性分析
2.1 旋翼机主要参数
本文所研究的旋翼机主要参数及计算用的重心位置见下表2：
2.2 配平结果
基于上述气动力模型,对四组平尾、五个不同重心位置,取海拔高度300m,常用速度范围内进行配平.取参考点位置作为重心和0度安装角原始大小平尾的配平结果,曲线见图3～图4.
从图3～图4可以看出：随着前飞速度的增加,桨盘的纵向操纵量从10°前推到5°,其原因是前飞速度增加加大了桨盘入流量,为了保证相同的旋翼升力,须适当减小桨盘纵向倾角;旋翼的转速随着速度的增加略微有所增大,从33.2rad/s到34.5rad/s;机身迎角,如果不考虑平尾,则随着桨盘入流角的减小,升阻比增加,阻力项相对于参考点的抬头力矩减小,机身的迎角也有所减小,考虑平尾后,平尾提供的抬头力矩随着速压的增大而增大,从而呈现出迎角先减小,后增加的现象;油门开度从45%（20m/s）先减小到40%（27m/s）再增加到52%（40m/s）,符合旋翼机的速度～功率变化规律.
取速度30m/s,分析其静稳定性,后面由量化的焦点位置来表示,平飞状态下力矩关系如下图5,如受到扰动使其迎角增加1°,则全机受力关系及受力影响见表3,升力增加234.6N,力矩增加-74N·m,由此可见,此种状态下的焦点位置在重心后0.315m.
2.3 静稳定性分析
将四组平尾、五个重心、速度范围内取三个速度,得到其焦点位置结果如下表4：
由表可知：
从焦点位置随速度变化：速度增加,静稳定性有所增加,原因是随着速压的增大,受扰后平尾附加的低头力矩会增大,与速压成等比关系,而主旋翼随着速压的增加,其受扰后增加的升力和阻力并不与速压成等比关系,从而平尾带来的稳定性作用随着速压增大更加明显,这是旋翼机明显不同于固定翼的一点;
从焦点位置随平尾变化：按0度平尾、-4度平尾、0度平尾增大、-4度平尾增大的顺序,稳定性有所增加,证明增加平尾或者减小安装角度都能达到增大静稳定性的目的.对比-4度平尾和0度平尾增加结果,两者在各个重心和速度下的静稳定性都基本一致,表明从量级上讲,-4度平尾和0度平尾增加20%面积带来的效果基本是一致的;
从焦点位置随重心变化：重心前移和上移能带来静稳定性的增加,重心的后移和下移带来静稳定性的减小.不同于固定翼飞机的两点为：重心上下移动带来的影响相反,固定翼飞机的重心上移会减小静稳定性,下移会增加静稳定性;重心移动量并不会带来等量的焦点位置移动量,即重心前移了0.1m,但焦点位置只是增加了0.032m.
3 结论
经研究可以得出以下结论：
1）经过简化的MT03模型研究,通过增加飞行速度、增大平尾、减小平尾安装角、重心前移、重心上移等措施,均可以达到增加静稳定性的目的.
2）对简化的MT03模型而言,增加平尾面积20%与减小平尾安装角4°,增加的静稳定性效果接近.
3）重心上下移动对静稳定性的影响,小于前后移动带来的影响.
重心前后移动不会带来与移动距离同等的静稳定性变化,所以对自转旋翼机而言,其可用重心的范围不能简单的由参考重心的静稳定性来评判,而是要综合考虑静稳定性、动稳定性、操纵性、飞行姿态等多个方面.
参考文献
[1]朱清华.自转旋翼飞行器总体设计关键技术研究[D].南京航空航天大学,2007.
作者简介
李继伟（1986-）,男,汉族,河南省新乡市,工程师,研究方向：固定翼、自转旋翼空气动力学研究.
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旋翼机引用文献:
[1] 旋翼机毕业论文的格式范文 关于旋翼机类论文怎么撰写2万字
[2] 直升机旋翼桨叶气动干扰论文范文 直升机旋翼桨叶气动干扰类学士学位论文范文5000字
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