一、尾桨的功能与结构
在单旋翼直升机上,普遍装有尾桨。尾桨对直升机飞行起着至关重要的作用,其功能主要有以下三个方面。
(1)平衡旋翼反扭矩。驱动旋翼旋转工作的扭矩使机身向与旋翼旋转相反的方向转动。尾桨的作用正是产生推力,以平衡旋翼反扭矩。
(2)实现对直升机的航向操纵和稳定。单旋翼带尾桨式直升机的航向操纵主要通过操纵尾桨来实现,航向稳定性由尾桨和垂尾共同提供。直升机前飞时,可以使用方向舵控制航向和机身偏航姿态。但是在实际飞行中,在悬停这种特殊飞行状态下,有时要求直升机承受来自任意方向、风力达50km(22.3m/s)的大风。因此,偏航操纵系统即尾桨必须改变其拉力,达到与旋翼扭矩匹配,并且必须能够消除阵风的影响。尾桨这种特殊的功能使直升机能够在空中定点转弯。
(3)普通尾桨暴露在外面,旋转的尾桨还相当于一个小的安定面,对直升机航向起到稳定作用。有的直升机尾桨还向上偏转一个角,其推力向上分量也能提供一部分升力(如UH-60A直升机尾桨向上偏20°)。
虽然尾桨的功用与旋翼不同,但都是由桨叶旋转而产生空气动力,同样,尾桨叶也处于不对称气流中。因此,尾桨结构与旋翼结构有很多相似之处。
尾桨由尾桨叶和尾桨毂两部分组成。尾桨的结构有跷跷板式、万向接头式、铰接式等。对铰接式尾桨毂一般不设置摆振铰,只包括变距铰和挥舞铰。变距较允许尾桨叶转动,改变桨叶角;挥舞铰允许尾桨叶做挥舞运动。
值得注意的是,为了增加有效载荷和降低噪声,在尾桨设计中不仅在翼型、平面形状及其与尾桨毂连接的型式上做精心设计,而且在尾桨的叶片布局上也做了大量工作。有些尾桨桨叶采用了非均匀性的布局,如4片尾桨叶的55°/125°“剪刀式”或45°/135°“X”形布局、5片尾桨叶的75.5°/63°/83°/75.5°/63°非均匀角度布局。
20世纪70年代以来,发展了无轴承尾桨和涵道式尾桨等新型尾桨构型。80年代后期,尾桨系统创新出现了无尾桨(NOTAR)环量控制尾梁单旋翼直升机,并已交付使用,如美国MD“探索者”直升机。
二、普通尾桨的问题
普通尾桨在使用中暴露出许多问题,主要有以下几点。(www.zuozong.com)
(1)全金属铰接式尾桨结构复杂,零件数目多,既有铰又有轴承,维护工作量大,寿命有限,安全性不好。
(2)普通尾桨的气动效率不高。尾桨不仅受到其与尾梁之间
的气流干扰,还要受到旋翼下洗流、发动机排气的干扰,使尾桨总推力下降、效率降低。尾桨耗能占发动机输出功率的10%左右。此外,普通尾桨还存在侧风中悬停时的航向操纵稳定性问题和高速飞行时可能出现的“尾摆”现象。
(3)普通尾桨叶片少、桨尖速度大、噪声大,是直升机主要噪声源之一。
(4)普通尾桨暴露在外,安全性不好。轻小型直升机因高度低、地面试车或起飞、着陆时,尾桨容易伤害地面工作人员;直升机超低空飞行时,暴露在外的尾桨又容易撞击树木、电杆、电线等障碍物,造成事故。据美国陆军统计,尾桨造成的事故占直升机总事故的15%左右。
三、尾桨的改进与创新
尾桨的改进与创新主要从采用新材料改进尾桨叶和尾桨毂设计;把尾桨包起来,消除不安全因素;以及取消尾桨等方面进行。
(1)采用新材料(主要是纤维增强复合材料)、新的尾桨叶翼型和平面形状、简化尾桨毂,其技术途径与旋翼改进基本相同。模压成形的复合材料尾桨叶、跷跷板桨毂、自润滑轴承等已在尾桨上广泛应用。复合材料柔性件无轴承尾桨也已实现工程应用。
(2)把尾桨隐蔽装到垂尾的涵道内,成为涵道尾桨,增加安全性,提高气动效率。
(3)采用环量控制尾梁、旋翼反作用力矩补偿等技术取消尾桨,并研制成无尾桨直升机。
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