第十八章旋翼机系统

旋翼飞行器飞行手册第十八章旋翼机系统
2008年09月07日星期日 19:46
第十八章旋翼机系统
旋翼机的设计用于非常广泛的范围，从业余爱好者的制作到联邦航空局许可的飞行器。

同样，集成在旋翼机设计中的系统复杂性覆盖了很广阔的范围。

为了保证飞行器的耐飞性，彻底理解机器每个系统的设计和操作是非常重要的。

推进系统
现在大部分的旋翼机都使用安装在推进装置上的往复式发动机驱动确定或恒定转速的螺旋桨推进器。

业余爱好者制作的旋翼机所用的发动机通常采用汽车或者其他的动力装置。

有一些业余爱好者制作的旋翼机采用FAA认证的飞行器发动机和推进器。

汽车发动机，连同一些其它用于旋翼机的动力装置均工作于较高转速，需要使用较小的单元来降低有效输出的螺旋桨转速。

早期的旋翼机使用现有的飞机发动机，采用拖拉的形式驱动螺旋桨。

一部分业余爱好者制做的旋翼机仍然采用这种推进方式，他们可能采用认证的或未认证的发动机。

尽管现在没有采用，涡轮螺旋桨飞机和纯喷气发动机仍然可以用于旋翼机的推进。

旋翼系统
半刚性旋翼系统
一些有自转能力的旋翼系统可以用于旋翼机。

由于其简单而被广泛使用的旋翼系统是半刚性、跷跷板式系统。

该系统用于大多数业余爱好者制作的旋翼机上。

[图18-1]在该系统中，旋翼毂安装于一个细长轴上，可以通过倾斜来进行控制。

桨叶安装于条形桨毂（桨毂条）上，可能有也可能没有用来调节桨距的调节器。

条形桨毂上有一个由桨叶重量的设计、旋翼转速和载重决定的coning angle（旋翼桨叶相对于桨毂的角度偏差）。

它应用于很多复杂的旋翼系统，减小了条形桨毂的弯矩并且消除了对锥形铰链的需求。

一个塔形金属件上用倾斜螺栓安装了旋翼毂的undersling（一个设计特征以保证改变桨叶倾斜时每片旋翼桨叶上轴与桨叶质量中心之间的距离）和附件。

旋翼毂由一个装有轴承的轴承座组成，上面安装有塔盘。

心轴（通常是一个垂向螺栓）将桨毂旋转部分连接在不旋转的万向节上。

万向节安装在其身上，用来实现横向和纵向的运动。

这使得运动是可控的。

图18-1. 半刚性的、跷跷板桨毂系统用于大多数业余旋翼机上。

桨毂和桨叶可以通过摇摆螺栓倾斜（翘起）
coning angle（旋翼桨叶相对于桨毂的角度偏差）
undersling（一个设计特征以保证改变桨叶倾斜时每片旋翼桨叶上轴与桨叶质量中心之间的距离）
全铰接式旋翼系统
一些旋翼机采用全铰接式旋翼系统。

跟直升机形式的旋翼系统相同，全铰接式旋翼系统允许在飞
行时操纵旋翼桨距。

这种系统比跷跷板式桨毂复杂的多，它需要铰链使得每片桨叶可以单独进行挥舞、摆振、前行和后行。

[图18-2] 旋翼机上的全铰接式旋翼系统在使用时和直升机上的使用非常相似，这部分在第五章，直升机系统，主旋翼系统里面有更详细的讲述。

在旋翼机设计中采用全铰接式旋翼的一个主要优点是可以垂直起飞。

可以成功垂直起飞的旋翼需要具有的特征包括一种总距改变的方式、有足够惯量的桨叶和达到大约飞行时旋翼转速的150%的预先旋转装置。

图18-2 全铰接式旋翼系统允许飞行员改变旋翼桨距，这对于垂直起飞能力是必须的。

高惯量值的一体化旋翼桨叶在直升机设计中是非常理想的，对于垂直起飞的旋翼机也是必不可少的。

在直升机上桨毂设计没有允许旋翼转速超过额定转速的50%的，这意味着垂直起飞旋翼机的桨毂设计的特殊之处，然而与直升机比较相似。

预先旋转装置、预旋器（启动器）
在起飞之前，旋翼机的螺旋桨必须首先达到足够提供必要的升力的转速。

在非常简单的旋翼机上，由手动旋转桨叶来实现。

然后飞机通过向后的桨叶滑行，使得气流通过系统以加快转速。

更多的高级旋翼机使用预旋器，它会提供一个机械力来转动桨叶。

很多预旋器只能提供必要速度的一部分，其余的要通过滑行或者在起飞过程中的转动来实现。

由于预旋器有非常多的形式，你必须对你与自己的系统有关的特性和技术非常了解。

机械式预旋器
机械式预旋器通常都有一个用来咬合的离合器或者皮带，一个传动，很多都有一个传动机构来将引擎的功率传递给螺旋桨。

摩擦传动和软电缆与自动环形邦迪克斯齿轮一起用于许多旋翼机。

图18-3 很多旋翼机上使用的机械式预旋器采用一个安装在螺旋桨桨毂上的摩擦传动装置和从螺旋桨桨毂到螺旋桨轴的软电缆，当使用时，bendix齿轮驱动安装在桨毂上的环形齿轮转动。

垂直起飞的旋翼机使用的机械式预旋器可以看成与直升机主旋翼驱动系统相似，但只能在飞机在地面时使用。

旋翼机不像直升机一样有反扭矩设备，必须由地面接触来抵消预旋系统产生的扭力。

如果旋翼机设计了垂直起飞能力，起飞以前的旋翼转速必须是的旋翼能量能够提供飞机起飞时的加速度。

这种将旋翼系统和预旋器通过传动装置结合起来的方式只能用在飞机还处于地面时，当正常飞行时必须让传动系统脱离旋翼和发动机。

液压预旋器
旋翼机上的液压预旋器采用发动机功率来驱动一个液压泵，从而驱动一个安装在bendix齿轮和环形齿轮上的液压马达。

[图18-4] 该系统同样需要在设计时加入某种形式的离合器和压力调节装置。

图18-4 这种预旋器在螺旋桨桨毂上安装皮带来驱动一个液压泵，从而驱动旋翼轴
电动预旋器
旋翼机用的电动预旋器采用一个安装在旋翼毂上带有有bendix齿轮和环形齿轮的启动器来为旋翼系统提供扭矩。

[图18-5] 该系统的优点在于简单性和易用性，但依赖于可用电功率。

采用一个“软启动”设备可以减少由于启动旋翼系统旋转所需初始扭矩过大带来的问题。

该设备会在开始提供不间断电压之前为启动器先传送10秒左右的电脉冲。

图18-5 电动预旋器简单易用，但需要有效电功率。

叶端喷口
在某些预旋器的应用中，采用在旋翼叶片尖端安装喷口的方式，就好像盘旋飞行。

这种系统不需要传动系统或者离合装置。

这种方式的优点是不对机身产生扭矩。

允许有动力的旋翼产生更高的爬升率和悬停能力。

它主要的缺点是喷口会产生噪音。

幸运的是，叶端喷气可以在自转旋翼机模式下关闭。

仪表装置
飞行所需的仪表设备通常与旋翼机的复杂程度有关。

某些采用风冷和燃油润滑发动机的旋翼机可能仅需要优先的仪表装置。

发动机检测仪表
为了安全操作，几乎大部分基本的发动机都需要监测仪表。

冷却剂温度、气缸盖温度、油温、油压、汽化器气体温度和废气温度都是发动机操作需要直接指示而且可能需要显示的。

发动机功率通常由发动机转速来指示，或者由带有恒速螺旋桨的旋翼机的排气管压力表示。

旋翼转速计
大多数旋翼机装有一个旋翼转速指示计。

因为飞行员在飞行时并不直接控制旋翼转速，这个一起在起飞时用来确定什么时候转速才达到可以离地的程度。

在未装有旋翼转速计的旋翼机上，起飞之前需要其它的技巧来检测旋翼转速。

旋翼机的机动飞行需要你知道旋翼系统的精确速度。

进行集中控制方式的旋翼机垂直起飞是一个例子，对于机动飞行需要足够的旋翼能量输出。

当采用变量集和旋翼转速计时，可以在最低的实际旋翼转速下做出最有效的旋翼操作。

图18-6 旋翼转速计是非常重要的，当需要决定什么时候的旋翼转速才可以起飞
侧滑角指示计
旋翼机上通常安装有一个飞机前端的偏航线和一个通用测斜仪来维持飞行坐标。

图18-7 一个线（铁丝）简单固定在旋翼机的前端在驾驶舱内能看到的位置，用长用来指示偏航向的旋转。

可能也要用到一个测斜仪。

空速表（空速指示器）
气流速度作为基本数据，很容易通过设计用于精确测量低速气流速度的空速表获得。

风速表适用于很多旋翼机。

如果没有采用空速表，比如在一些非常基本的业余旋翼机上，你必须对“q”（气流吹过你身体的压力）有非常敏锐的感觉。

高度表
对于大多数飞行员来说，当离地几百英尺欲上的时候精确地判断高度会变得很难。

常规的高度表可能用来在飞行高度比较高，人体感觉降低的时候提供一个高度的参考
仪表飞行规则的仪表
像任何飞行器一样，旋翼机在要求仪表飞行的气象条件下飞行时必须有合适的飞行仪器和导航系统。

极少的旋翼机具有这种飞行的装备。

当前大多数的旋翼机不满足单座仪表飞行的稳定性要求，如果开发出了更大和更先进的旋翼机，将会颁布涉及此部分的仪表飞行内容。

地面操作
旋翼机可以进行像固定翼飞机一样进行地面滑行。

一个可操纵式前轮，和独立主轮制动器可以提供大多数常用的控制方式。

[图18-8] 独立的主轮制动可以实现差速制动，即让一个轮的制动力比其它轮子的制动力大，从而减小转弯半径。

在一些旋翼机上，前轮采用脚踏式制动器而不是主轮制动器。

这种系统的局限性在于前轮通常只能支撑一小部分旋翼机的重量，这会大大降低制动效率。

另一个确定是不能使用差速制动，增大了转弯半径。

在地面操作时，旋翼叶片需要特殊的考虑，转动的桨叶附近比较危险。

很多旋翼机都有一个旋翼刹车用来在降落后降低旋翼转速，或者在停放的时候保护桨叶。

停放着的旋翼机一定要固定桨叶，因为即使是微小的风的变化，也会导致旋翼旋转或者挥舞。

图18-8 根据不同的设计，主轮刹车可能是独立操纵，也可能是联动的。

他们的刹车效率比前轮高的多。