关于无轴承旋翼直升机气动机械稳定性的相关探讨

摘要：把无轴承旋翼和过去的绞接式旋翼桨毂构造做比较，前者占据较大优势。尤其是在桨叶运转过程中，其主承力要件：柔性梁的功能有较大改进，近年来备受人们广泛关注。本文将主要无轴承旋翼直升机气动机械稳定性展开分析，并提供具体优化对策供有关人员参考。

关键词：无轴承旋翼；直升机；气动机械

引言：

鉴于复合材料柔性梁自身具有良好弹性，在离心力的影响下，会出现变形、摆振等情况，这会对和其连接的桨叶带来良好影响，从而优化桨叶运动性能，形成摆振、变距以及扭转等运动模式。但恰恰因为柔性梁柔性指数较高，其在受力情况下机械振动方式更为繁杂，无法用之前的刚性模型展开模拟剖析。

一、建设模型

通常来讲，旋翼结构的震动状况不会轻易被直升机的机体所影响，所以，可把其视为一种刚体。机体的外力作用与运动限制一般体现在起落架上，由于其具有各种各样的结构分布方式，并且每一种方式对机体的限制与受力方式有着不同影响，所以必须要先明确其结构。目前创建的模型所采用的起落架结构模式为滑撬式，可利用试验装备检测出其机械振动性质。另外，为让机体模型越来越简易，把其振动状态参数变成桨毂位置中心的平均效量。在剖析机体动力学的过程中，用平面模型顶替空间模型，有利于提高运算效率。在建设旋翼模型时，要重点结合无轴承旋翼桨叶的动力学特点考虑。耦合剖析减摆器、桨毂以及桨叶，采用有限元方法开展仿真试验，进一步明确不同设计参数对其稳定性造成的影响[1]。

二、稳定性研究

针对无轴承旋翼构造与直升机机体构造展开动力学模型仿真，能对干扰其机械稳定性能的因素展开全面剖析，得到的最终结果如下：

（一）桨叶振动性质研究

由仿真试验可知桨叶的振动性质对直升机气动可靠性和稳定性有着直接关系。比如，桨叶的运动主要有摆振、扭转、挥舞等行为，所以其耦合行为模态较为繁杂。一旦其振动模态习惯于向前摆动，因为这时桨叶扭矩会增加，让其挥舞行为出现大幅度变化。相反，若耦合振动模态习惯向后摆动时，这时桨叶的扭矩也会大幅度增加，加大摆振。此种动力学耦合联系对桨叶常规运作带来不良影响，增加其运动阻尼，从而降低直升机的气动机械可靠性与稳定性。然而，通过试验还可发现，变距与轴套线系的刚度也是干扰震动模态的一个主要原因。若正确控制变距与轴套支臂的刚度，科学设置其布局，就会大大改善耦合振动模态的作用模式，降低气动阻尼系数，让气动机械可以稳定运作。

（二）地面共振研究

经过全面剖析模型地面共振状况可知，无轴承旋翼直升机气动机械稳定性通常和阻尼器刚度以及机体模态阻尼息息相关。深度剖析可发现，要想避免桨叶耦合反常振动可通过增加机体模态阻尼系数来实现。但加强阻尼器的刚度对比之下对机体气动机械可靠性造成的干扰可忽略不计。所以，通过提高直升机的模态阻尼来增强气动机械稳定性是一种有效的方法[2]。

（三）空中振动研究

对于此种结构的直升机而言，研究其气动机械的稳定性能，最关键的一个环节就是分析其空中振动状况。据仿真试验可发现，桨叶的扭转、挥舞以及摆振行为的耦合模态是影响机体气动机械稳定性的最主要因素。比如：以挥舞后退方式为主的桨葉耦合气动模态，机体的机械的可靠性和稳定性在气动力的作用下展现出巨大的阻尼影响，出现一种高阻尼的模态。这会间接导致直升机机械控制水平下滑，对其气动稳定性带来负面影响。但若是为直升机供应阻尼力时采用减摆器，能避免桨叶无规律的耦合振动引发的失控。以此同时，还能发现变距掌控系统刚度在机体空中可靠性的关键作用。正确的变距掌控系统刚度能维持良好的耦合振动模态，让其在良好的环境中稳定运作。

在分析升力对直升机气动机械稳定性能带来的影响时，仅结合了垂直上升的的状况，最终结构显示加强升力会让摆振后退模态阻尼系数加大。这主要是因为还未处于升力快速前飞状态，对于桨叶翼型剖面气流而言，其还没有开始失速，所以，升力加大会加强气动阻尼。本文未对高升力快速前飞状态展开研究，要建设非定常动态失速气动模型，比如根据翼型静态吹风情况，运算出此状态下的气动模型。利用此气动模型，利用时域算出相应的耦合动力方程，能依据瞬态形影剖析其稳定性。

三、结论

完成上述对无轴承旋翼直升机的模型建设和有关气动机械稳定性能的剖析，可知优化直升机的某些有关设计参数，能大大提高其气动可靠性和稳定性。比如：在旋翼桨毂上装备减摆器，能防止机体在空中以及地面上发生共振问题。针对空中振动状况而言，影响直升机气动功能的主要原因在于桨叶的耦合振动模态，鉴于此，可采用刚度较大的变距掌控系统予以掌控。与此同时，桨叶动力学性质容易被桨叶的结构分布和变距、轴套支臂自身的刚度所左右。在采取一定措施以后，能大大提升桨叶的气动阻尼性能。为避免无轴承旋翼直升机出现地面共振情况，可提高其自身的模态阻尼系数，从而保证其可靠性与稳定性。在轴流条件下，在低于翼型动态失速的桨矩范畴内加大升力，会有效提升空中共振的可靠性。

另外，鉴于无轴承旋翼操作功效非常明显，空中共振对确定桨矩录入，特别是调整直升机运动姿势录入机理十分敏锐。但在自动飞行掌控系统或是增稳体系设计过程中并未结合其对空中共振造成的影响考虑。所以，在ACFS设计过程中把直升机气动机械稳定性自主控制技术融入其中，是无轴承旋翼结构未来发展的重点探究主题。

结论：

综上所述，无轴承旋翼结构作为一种新兴的直升机架构方式，直接影响着飞机的整体运行状态和效果，因此，必须要提高其气动机械稳定性。相关人员在实践过程中要充分结合实际情况，有针对性的选用实施方法和方法，积极学习和掌握先进的知识理论与技能技术，确保各项工作有序进行。

参考文献：

[1]刘军乐，陈爱军.无轴承旋翼桨毂中心动特性试验技术研究[J].直升机技术，2017（03）：60-64.

[2]刘洋，向锦武.舰载直升机旋翼/机体耦合动力学稳定性[J].北京航空航天大学学报，2013，39（04）：442-446.

作者简介：

赵健，男，汉族，山东东营，1988年10月，航空机械方向（直升机）.

陈腾，男，汉族，河南长垣，1991年12月，航空机械方向（直升机）.

王付涛，男，汉族，山东德州，1991年02月，航空机械方向（直升机）.