1、南京航空航天大学硕士学位论文无人自转旋翼机总体方案设计姓名：刘序理申请学位级别：硕士专业：航空工程指导教师：朱清华2012-03南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文摘要自转旋翼机是一种以自转旋翼作为升力面、螺旋桨推拉力或其它供能方式为前进动力的旋翼类飞行器。作为一种旋翼飞行器其具有良好的低空低速性能，可以实现近乎垂直的跳跃式起飞和自转降落，不需要专用机场，较固定翼飞行器有优势。凭借新兴的无人机的技术，无人自转旋翼机也应运而生。不过旋翼机的总体设计的关键技术尚属于薄弱环节。有待形成完整可靠合理的整体解决方案。本文通过借鉴zX-l型自转旋翼机的设计特点，分析了构型和飞行动力学模型，并充分地参
2、考和应用了直升机总体设计方法，对无人自转旋翼机进行了总体方案的设计研究。形成了一套无人自转旋翼机总体设计方案。本文针对设计要求开展了无人自转旋翼机的总体方案设计，依次进行了总体参数设计和动力装置选择，得到合理的旋翼机的总体参数；然后完成了气动布局、设计了配套的操纵系统，得到了较为详尽的总体布局设计；建立了飞行动力学模型，并进行了配平计算及操稳特性分析；最后分析了自转旋翼机主要参数与需用功率、飞行性能之间的关系，得出了影响规律，并计算出了飞行性能。本文的研究设计结果可以为自转旋翼机无人化的设计和改进提供总体设计方法的参考。关键词：无人自转旋翼机，总体设计，气动布局，飞行动力学，总体参数，飞行性能
3、无人自转旋翼机总体方案设计ABSTRACTThe autogyro is a k如d of rotor ai】cI心WIlich uses廿le。autoro蛐g rotor as也e 1iRiIlg surface，aIlduses廿1e propellerSpuShpllll 0r omer ways笛吐1e driving f0rcen h雏a 900d 10w_height andlow-speed ch孔lct嘶s缸cs笛a kiIld of rotor妣斌Its taldng o丘can acllieve by le印s aIld bouIldS at an妇st venical
4、leVel and landing by automtationTheref-0re it does not need a special ai工portBased on伍e above，me autog)has more adVaI】恤ges maIl廿le fed wiIlg a血鞠nBy nle neWly deVelopillgemefgiIlg drone tecl】Ilology，廿le ulm啪ed autogyr0 arises at nle historic momentBurt t量1e keytechnol69y of也e rotorcrafts preairl町desi
5、伊is still belongs to a weak linkIt is necessary t0 f01m acomplete total s01们on w11ich is reliable and reasonableh1廿1is也esis，we inves廿刚ed恤ZX-1 autogyr0s desi弘ch啦ct嘶s6cs，a11alyzed itsco血gur撕on aIld flight dyn锄ics model，a11d mUy uSed也e helicopt盱s prelimmary desi鼬IIle也od tos01Ve tlle problems in me l】I】
6、m锄ed autogyros desi印Finally，we f01med a set of t11e咖衄硼edauto肿s prelin】jIlary design s吐LejmeTMs1esis desi驴ed a geIle脚scheme of也e u刀蚴尬ed autogyr0 follows也e desi盟requirc=IIlentsThe general par卸terS ill design a11d power equipment choice，me reaso衄ble rotorcraft generalparaI】ters were presentedAnd men th
7、e pneumadc layout，a matclli工lg control systerlls a11d a ve巧detailed ove棚1ayout desigIl were all conle out111e night dynaIIlics model，a11d balancing calculationand hold steady characteristics砌ysis、)I佻es诎IliShedAt 1瓠t，the 111=血p赋衄eterS a11dnedautogyr0s power w2Ls selected，也e rela廿onsllip between廿le ni
8、ght perf0rm锄ce w蕊conclueded，疵1uding廿1e i工lnuenced lawand廿1e night perfommce calcuk血onne stIldies of t11e1esis caIl be used f-0r pro、riding reference w11ich belongs to nle preliIllin吲desi印memod to me un础lI】11ed autogyros unma皿ed desi弘and impr0VementKeywords：I Jrumnned au协gyro，PreliminaDr desi弘，Aerody
9、mIIlic layo此Flight d)r11aInic，Gene脚parameterS，Fhght perfo如响nceII南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文一_图表清单图11直升机及旋翼机主要机械部件及飞行原理示意图3图12 ZX-1型旋翼机3图13高速型旋翼机4图14飞行中的蛐【I旋翼机原型机：5图21桨叶半径与起飞速度的关系一8图22桨叶半径与起飞时旋翼稳定转速的关系一8图23两种方案对升限的影响9图24两种方案对最大速度的影响。9图25两种方案对最大爬升率的影响9图26旋翼半径对最大速度的影响10图27旋翼半径对使用升限的影响10图28旋翼半径对最大爬升率的影响10图29
10、DLE 111cc发动机三视图12图31雷诺数Re计算14图32机翼翼型升力系数和阻力系数对比14图33机翼翼型升阻比对比15图34加机翼的旋翼机原型1 5图35平尾模型16图36垂尾模型17图37机身模型1 7图38旋翼机操纵机构19图39桨盘操纵机构20图310垂尾的操纵机构一20图31l前起落架操纵机构21图312总体布置图。21图313三视图22图41旋翼机重心位置示意图30图42油门开度随飞行速度的变化33图43横向周期变距随飞行速度的变化33图44纵向周期变距随飞行速度的变化33V无人自转旋翼机总体方案设计VI图45方向舵偏转角随飞行速度的变化34图46机体侧倾角随飞行速度的变化3
11、4图47机体俯仰角随飞行速度的变化34图48旋翼后倒角随飞行速度的变化35图49旋翼右倒角随飞行速度的变化35图410旋翼稳定转速随飞行速度的变化35图411动稳定性的几种类型38图412旋翼机不同布局的纵向稳定性38图413前5个特征根的根轨迹图40图414后4个特征根的根轨迹图4l图415前飞速度对油门开度的操纵响应41图416俯仰角对油门开度的操纵响应42图417侧向速度对横向周期变距的操纵响应42图418机身侧倾角对横向周期交距的操纵响应42图419前向速度对纵向周期变距的操纵响应43图420机身俯仰角对纵向周期变距的操纵响应43图421偏航角对方向舵的操纵响应43图51不同高度飞行速
12、度与功率的关系曲线46图52不同高度的最大速度47图53 1000米高度下速度随功率的变化47图54不同高度的最大爬升率48图55不同前飞速度的下滑速度48表11旋翼飞行器对比。2表21桨叶主要参数7表22两款发动机的主要参数12表31平尾参数统计数据16表41机身无因次气动力和力矩计算结果举例29表42重心定位与惯量计算明细表29表43配平计算结果32表44旋翼机在不同速度下的耦合特征根39南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文注释表口 叶素加速度，州s2口0 旋翼锥度角，弧度(md)或度(。)czl 旋翼锥体后倒角，md或o6 旋翼桨叶弦长，m61 旋翼锥体侧倒角，rad6。 螺旋桨桨
13、叶弦长，mq 叶素阻力系数G 叶素升力系数G 旋翼拉力系数e， 桨叶特征剖面处的型阻系数C， 旋翼平均升力系数qs 机身废阻系数，聊2D 旋翼直径，m犯 叶素切向力，N奶 叶素阻力，N也 叶素升力，N柳 叶素垂向力，N坦 叶素扭矩，Nm积 叶素气动合力，Ne 水平铰外伸量，m尸 螺旋桨输入功率，kwP， 废阻功率，kwP 诱导功率，kw只 型阻功率，kW g椭 发动机公里耗油量，k鲫g 发动机小时耗油量，kgmQ 旋翼扭矩，Nmr 桨叶剖面距挥舞轴中心的距离，m乙 螺旋桨桨毂半径，mi方向分力(i=)【，v，z)，N重力加速度，Il】s2空机重量，kg可用燃油重量，kg起飞重量，kg桨毂中心离
14、地高度，m高度，m旋翼后向力，N旋翼转动惯量，kgm2整机绕i轴转动惯量(i=x，y，z)，kgm2螺旋桨桨叶片数旋翼桨叶片数旋翼滚转力矩，Nm旋翼扭矩系数螺旋桨转速，rpm发动机额定功率，kw桨叶离心力，N旋翼稳定转速，rDm旋翼桨尖最大预转速，ms桨盘载荷，k川2机身迎角，度(o)或弧度(rad)旋翼构造平面迎角，度(。)或弧度(rad)挥舞角，度(o)或弧度(rad)机身侧滑角，度(。)或弧度(rad)旋翼机机身俯仰角，度(。)或弧度(rad)桨叶方位角，度(o)旋翼机机身侧倾角，度(。)或弧度(rad)剖面升力线斜率，1md前进比VRg吒吒瓯埘H厶砖瓦么bM腑Mpq屏。甲eI无人自转旋
15、翼机总体方案设计II螺旋桨桨叶半径，m 肛旋翼桨叶半径，m 风机身参考面积，聊2 p旋翼侧向力，N 口螺旋桨拉力，N 昆旋翼拉力，N 见叶素速度，111s 口，诱导速度，IIls 包前飞速度，h儿 仃相对速度，Vm Q来流i方向速度(i=x，y，z)，h忱 Qo垂直上升速度，lns q迎角，度(。)或弧度(md) 。桨盘迎角，度(o)或弧度(nd) 9油门开度，取值1 叩预锥角，rad或。 允旋翼轴后倒角，md(注：后倒为正) 芒甙o 垂尾方向舵操纵量，md或o yi轴方向相对速度(i：)【，y，z)标准大气密度，1225 k朋3空气密度，km3安装角，度(o)总距，度(o)纵向周期变距角，度
16、(。)跳飞时总距，度(o)横向周期变距角，度(。)旋翼实度旋翼旋转角速度，ra挑旋翼地面预转角速度，ra挑i方向旋转角速度(i=X，y，z)，ra酏螺旋桨旋转角速度，ra弘桨叶气动扭转角，度(o)螺旋桨效率入流比摆振角，md或。洛克数B眦品品品v矿巧口艿正4南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文第一章绪论帚一早三；酉化11引言无人自转旋翼机是一种以自转旋翼作为升力面、螺旋桨推(拉)力或其他供能方式为前进动力的无人驾驶旋翼类飞行器。旋翼机的旋翼不与发动机直【21接相联，除了作升力面还可作操纵面，用来提供升力和俯仰、滚转姿态操纵力矩。依靠前方来流吹动，旋翼机的旋翼始终处于自转状态，因而发动机一
17、旦空中停车，依靠旋翼自转它还是可以安全着陆。充分利用旋翼的预转技术，即在将要起飞时通过传动系统装置预先驱动旋翼，接着采用离合器将传动链路切断之后起飞；降落时，进行旋翼锥体后倾操纵，旋翼机就能点式着陆，不再专门需要机场。当前，无人飞机已广泛投入使用，而无人直升机因气动和操纵耦合的复杂性，仍成为世界各国亟待攻关的课题。无人旋翼机兼有无人直升机和无人飞机的主要特点，相比无人直升机的制造使用维护成本低、操纵简单、飞控较易实现，相比无人飞机具备更好的低空、低速性能和安全性，因而，在军事和民用上具有广阔的市场。目前人们并没有很好的认识和发现旋翼机的技术潜力和优势。充分利用具有60多年直升机发展经验所积累的
18、大量研究成果，同时加入了发动机和现代航空复合材料等技术成果，使得旋翼机的设计研发制造得以很好的开展进行。在低速和起降性能方面能够接近直升机，在飞行速度方面接近于固定翼飞行器，旋翼机的发展前景相当的乐观。在未来的军事战场和民用领域，旋翼机必能发挥其特有的作用。无人自转旋翼机是旋翼机的无人化。由于旋翼自转，没有发动机至旋翼的复杂传动机构，以及平衡旋翼反扭矩的尾桨等装置，旋翼机结构简单、造价低。因此无人旋翼机可以做为无人直升机的替代品，执行侦查、搜索等任务，也可以作为模拟直升机目标特性的靶机使用，在特定的应用领域较直升机性价比要耐11。12研究概况121自转旋翼机及其技术发展自转旋翼机(简称旋翼机)
19、是人们研制成功的第一种旋翼类飞行器，它依靠前飞时的相对来流吹动旋翼自转提供拉力克服自身重力飞行。20世纪由于技术及理论的不成熟，飞机升降时常因故障而失速，导致多人丧生。为了解决这一问题，人们想了很多办法。1923年，西班牙的J啪de 1a Cierva运用旋翼空气动力学理论成功研制出第一架旋翼机。旋翼机利用旋翼旋转时桨叶相对气流的高速运动，避免了早期飞机在起降时因速度过低而导致的旋翼来流角太大而导致的失速。虽然都有旋翼，但旋翼机的旋翼是靠前飞时的相对来流吹动的，通过后面的分析可以得到，旋翼机在定常飞行时其旋翼产生的反扭矩几乎为零，故也不需像直升机那样设计一套复杂的反扭矩系统。旋翼机在结构上远比
20、直升机要简单得多，这也是旋翼机比直升机更早出现的原因之一。无人白转旋翼机总体方案设计正是早期对旋翼机的探索和实践，使人们理解了旋翼的工作原理，并且在很大程度上推动了直升机的发展，如今天在很多直升机上依然常见的铰接式旋翼就来源于旋翼机。然而事物的发展往往是曲折的。如今很多人知道飞机、滑翔机、直升机，但却鲜有人知道旋翼机，更不用说它的工作原理了。这也是有其客观原因的：一、作为旋翼类飞行器，旋翼机上高速旋转的旋翼直接限制了它的最大速度的提高，原因和直升机一样，旋翼机如果飞行速度太高，也会面临前行桨叶激波和后行桨叶失速的问题，所以，在高速区域，旋翼机相比飞机没有优势；二、同为旋翼类飞行器，旋翼机不具备
21、直升机那样的悬停能力，所以，与直升机相比，旋翼机的低速性能也没有优势。可以看出，长期以来，旋翼机一直处于高不成低不就的尴尬处境中，人们也渐渐地对旋翼机失去了兴趣，因此，很长一段时间内，旋翼机的发展一直处于低谷中，只有少数航空爱好者以及一些旋翼机协会仍在不断地摸索与改进。然而随着通用航空的发展，社会对空中交通工具的需求量越来越大，此时，经过爱好者们多年的改进与完善，旋翼机以其简单可靠的结构设计、安全稳定的飞行性能、低廉的制造成本以及超短距起降的能力再次走入人们的视野。相比飞机，旋翼机起降速度要低得多，不会像飞机那样发生失速的危险，对场地的要求也低得多；相比直升机，旋翼机的结构要简单可靠得多，并且
22、由于其旋翼一直处于自转工作状态，不需要像直升机那样要进行一系列复杂的操纵才能进入自转状态，旋翼机的低空飞行安全性比直升机要高。近年来，我国开放低空形式愈加明朗，考虑到我国的实际国情，在可以预见的将来，旋翼机一定可以以其可靠的性能和低廉的成本在我国的通用航空领域占有重要的地位。在军用领域，旋翼机同样可以在对低速和悬停性能要求不高的场合代替直升机执行任务，也可以代替无人直升机作为防空部队打直升机训练用的靶机，降低训练成本。由于新型机种不断涌现，通过参考国内外文献和飞行器发展历史，旋翼飞行器可以进行如下对比。表11旋翼飞行器对比类别 名称 构型特点 性能特点 代表机型动力驱动旋翼，旋翼提 速度偏低、
23、机构复杂，可悬 Z8驱转旋翼 直升机供升力和操纵 停、垂直起降 BeU407动力驱转旋翼，旋翼提 速度较高、机构更复杂、控 V二22倾转旋翼 倾转旋翼机供拉力、升力和操纵 制较难，可悬停、垂直起降 BA609自动旋转旋翼，旋翼提 速度较低、机构简单、安全自转旋翼 自转旋翼机 供拉力、升力和部分操 性好、成本低，可垂直起飞 Cane妃opterHaWk-4纵 和超短距起降反作用动力驱转旋翼， 航程远、速度高、飞行方式旋翼机翼 旋翼机翼飞机 旋翼可转为机翼，提供 灵活、机身轻、操作简单、 X50A蜻蜓拉力、升力 成本低、可悬停2南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文旋翼机，比直升机较早试飞，然
24、而旋翼机却没有被重视，似乎停滞了前进的脚步，而直升机得到了成功的研究。虽然无人直升机具有垂直起降和空中悬停性能，而且作为军事装备使用具有零伤亡的优势，军事使用潜力大，但由于无人直升机的操纵和响应特性较飞机复杂多变，较难实现全包线稳定控制。所以无人直升机并没有广泛适航于军事和民用领域【21。从外形上看，旋翼机与直升机非常相似，它们的机身上方都装有一副巨大的旋翼；也有一些较小的固定翼面和机身、尾翼、起落架和动力装置。旋翼机的旋翼依靠前方来流吹动始终处于自转状态，因而一旦发动机空中停车，它可以直接依靠旋翼自转着陆；而直升机旋翼还需要一个操纵转换进入自转的过程，所以旋翼机没有直升机的低速回避区，更安全
25、。旋翼机的旋翼自转，没有自发动机至旋翼的减速和传动装置；同样由于旋翼自转，不需要平衡旋翼反扭矩的尾桨，因而其结构大大简化。其结构复杂程度、以及飞行操纵方式更接近于螺旋桨飞机(见图11)。因而其制造、使用、维护成本远远低于直升机。现代旋翼机采用旋翼预转技术，即起飞前通过简单传动装置将旋翼预先驱转，然后通过离合器切断传动链路后起飞，使得它可以鹞式跳跃或超短距起飞(030m)，而且旋翼机降落时，通过操纵旋翼锥体后倾，可实现点式着陆，不需要专用机场。因而近十几年，该类飞行器再次成为航空领域关注的热点【7】。(a)典型的直升机 (b)典型的大中型旋翼机图11直升机及旋翼机主要机械部件及飞行原理示意图自转
26、旋翼机在国内还是属于不多见的飞行器，市场数量、使用领域和研制型号都还是很稀少。南航直升机研究所进行了ZX一1旋翼机的自主研制，该机起飞重量165吨，最大航程500km，最大航时3小时，最大速度达240l(lh，目前已经进入详细设计阶段， 在自转旋翼气动特性研究方面积累了大量的理论和试验数据。近期南航也有ZX一1高速型旋翼机方面的设计和研究。图12 ZX一1型旋翼机3无人自转旋翼机总体方案设计图13高速型旋翼机2010年至今由南京航空航天大学与某民营企业合作，共同开发新一代无人自转旋翼机的工作。借助于直升机技术的研究的深厚基础，并充分结合当下热门的无人机技术研究，对无人自转旋翼机设计研究技术进行
27、工程课题进行开发和应用。该无人旋翼机充分利用旋翼机安全性好、成本低、经济实用；结构简单；机动性好；维护、保养、操纵简单的突出特点，更有力的发挥无人飞行器不受载人条件限制的技术优势，很大限度地提升飞行性能和对不同任务的适应能力。在总体构型、气动布局设计技术和飞行控制、导航技术以及遥测遥控等关键技术上，进行突破创新，以达到有人旋翼机无人化的预期成果。122无人自转旋翼机国内外概况与之前载人自转旋翼机不同，无人自转旋翼机是起飞重量较小，技术较复杂，难度较大。自转旋翼气动特性、旋翼机飞行动力学特性、总体及推(拉)力及升力系统参数选择与设计等，是设计此类飞行器中的关键技术。瑞典TechMent公司自19
28、86年以来一直在研制固定翼和旋翼无人机系统，促成了现在的I心G(遥控飞行器)计划。该无人旋翼机的固有优点是灵活性强，即需要容纳不同尺寸和重量的任务载荷时，只要简单地改变一下旋翼直径及发动机即可，此外无需任何起飞和回收设备。1990年开始生产和试飞几种原机型。1992年收到瑞典国防部关于发展旅级无人机系统合同，其原型机于1994年交付瑞典陆军使用。评估工作正在继续进行。军用加(型尚在研制中。其设计特点主要包括：(1)机体，4叶自转旋翼和代推进螺旋桨的后置式发动机。固定式旋翼桨毂，无桨距角。下单翼，中置水平尾翼没有三片垂直翼和方向舵。悬臂自减震四轮起落架，在两侧每个外垂直尾翼下加小轮。(2)动力装
29、置，一台活塞发动机，4叶推进式螺旋桨。(3)任务载荷，彩色或黑白视频摇头CCD摄像头；陀螺稳定平台上的视频摄像机和装载相同平台上的红外和视频组合摄像机。今后可能装合成孔径雷达通信中继或电子载荷。(5)制导和控制，通过UHF无线电指令上行链路作预编程序飞行或人工控制飞行。起飞和着陆由人工控制。(6)系统组成，瑞典陆军要求的系统组成为三架飞行器，一个地面控制站，一辆带拖车的开车，由师级情报单位掌握。(7)发射与回收，旋翼机常规跳跃式起飞。旋翼机自转着陆。4南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文图14飞行中的旋翼机原型机2005年美国乔治亚理工大学航空航天工程学院旋翼机卓越中心主管丹尼尔施拉盖a
30、Iliel Pschrage)教授表示，无人旋翼机在实现自主方面取得了进步，但仍存在许多挑战。参与这个项目的其他研究机构或企业包括： 波音公司、霍尼韦尔实验室，麻省理工学院德雷普实验室、范德比尔特大学、科学系统公司和俄勒冈研究生学院。2004年8月和11月，施拉盖领导的团队将美国国防预先研究计划局p剐陋A)的“用软件控制”(So细are Embled Co曲试)程序用于其GTMa)【无人旋翼机和GTSpy微型涵道风扇无人机，在加利福尼亚州的本宁堡0ort Be衄ing)进行了一些试验。我国无人自转旋翼机的研发起步比较晚，国内尚未有成熟的无人自转旋翼机机型。无人自转旋翼机的关键技术研究也仅处于初
31、步探究阶段，同时这也说明我国无人自转旋翼机的发展空间很大，具有很大的研发潜力。如果能够很好的借鉴国外成熟的无人机技术以及旋翼机的关键技术，加之逐渐成熟的直升机技术的引入，相信我国无人自转旋翼机技术能够迅速的进步提高。123无人自转旋翼机的关键技术无人旋翼机技术较为复杂，主要是由于其兼顾直升机的旋翼系统和飞机的螺旋桨机构，再加之无人机的控制导航系统。迄今为止无人旋翼机在国内外还未形成完善的设计研究平台。为了突破旋翼机发展的重重困难，必须在其关键技术上进行突破。无人自转旋翼机的关键技术主要有：(1)总体构型与气动布局技术：总体构型和气动布局技术作为无人自转旋翼机总体设计研究的主体部分，是通过选择合
32、适的型式，恰当的安排布置好气动部件的形状和位置，最后得到一套较为完善的总体布局方案。总体构型与气动布局设计技术包括参数、型式和外形的确定，是一项融合多学科的并能决定无人自转旋翼机飞行性能的关键技术；(2)飞行控制与导航技术：参考导航技术和飞行控制来，因为无人自转旋翼机受控的对象具有非线性、耦合度强、变量多、时变性等特点，此外该飞行器操纵难、稳定性不够还有较难控制，所以目前限制无人自转旋翼机进入实际5无人自转旋翼机总体方案设计使用的关卡就是飞行控制和导航技术，并决定无人自转旋翼机的飞行品质。依托于横向合作的工程项目研究课题，本文开展了某型号无人自转旋翼机研究，该旋翼机的总体方案设计是关键技术之一
33、，总体构型和气动布局是本文的研究重点，也是本文所做工作的主要难点，也是能否得出一套无人旋翼机总体设计研究方案的关键所在。1-3本文的主要研究工作通过本文的研究工作，解决无人自转旋翼机总体设计的主要关键技术，并通过无人自转旋翼机型号总体方案设计实践，形成一套实用的无人自转旋翼机工程设计方法。本文的研究内容主要包括以下几方面：(1)无人自转旋翼机总体参数设计与动力装置选择；(2)无人自转旋翼机总体布局：(3)无人自转旋翼机飞行动力学特性分析；(4)无人自转旋翼机飞行性能。首先根据设计要求，本文借鉴直升机总体参数设计方法选择确定无人自转旋翼机的总体参数，并完成动力装置的选择。其次，通过构型气动特性分
34、析，进行飞行器气动布局设计，完成主要气动部件参数及结构设计，并通过减阻设计提高气动性能；随后，依次进行分系统设计、总体布置、重量分配、重心定位等设计工作，从而完成无人旋翼机的总体设计方案。然后，建立整机飞行动力学模型，针对所设计的总体方案进行平衡性、稳定性和操纵性计算分析，以验证改方案的合理性。最后，进行无人自转旋翼机飞行性能计算，对方案的优劣进行评估。6南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文第二章总体参数设计与动力装置选择21无人自转旋翼机总体参数的确定无人自转旋翼机的总体参数也称主要参数，是总体方案的设计变量，它对方案有着决定性的影响。因此，在总体设计的初始阶段就要慎重地进行参数选择。
35、直升机主要参数选择的依据是设计技术要求，为了正确选择参数首先必须清楚直升机主要参数与需用功率和飞行性能之间的关系、影响规律3】o无人自转旋翼机的总体参数设计包括：总重G。，旋翼半径R，旋翼实度仃，使用载荷瓯，功率载荷g，发动机功率札，巡航时旋翼桨尖速度，旋翼桨叶弦长6，桨盘载荷p，螺旋桨桨尖速度砷，螺旋桨桨叶半径R。211无人自转旋翼机总重根据旋翼机设计经验和对已有旋翼机参数的归纳总结，目前使用中的旋翼机大多是小型、轻型的，重量效率约为o4。设计任务可能要求总重G。，也可能要求使用载荷瓯，知道二者之一，便可以求出另一者。本论文研究的旋翼机，设计任务提出起飞重量为30蛔。212无人自转旋翼机功率
36、载荷功率载荷g对影响较小，对等影响很大，g减小，增加，不影响最大航程。为了拥有好的性能，例如停车下降率约为5聊s，一般要求功率载荷g(等于Gw札)小于60咖。g=G，M=343加 (21)213无人自转旋翼机桨叶片数桨叶片数七可以参考直升机方法确定，目前大多旋翼机采用两片桨叶，安装在跷跷板式桨毂上。两片桨叶的桨毂结构简单，重量轻，成本也低。典型两片桨叶旋翼，取实度仃=00320045，如果实度取较大值，则桨叶挥舞增加，而性能改善不大，故一般都取偏小值。目前实验室有现存桨叶，桨叶具体参数如下：表21桨叶主要参数半径(R) 125 m 弦长(b) 0095m翼型 OA212 单片重量 0772 k
37、g洛克数 4627由于时间与经费关系，现选用上述桨叶作为本文所研究的无人自转旋翼机的桨叶。选用两片7无人自转旋翼机总体方案设计桨叶，跷跷板式桨毂构成旋翼系统，计算得到： 当起飞速度为25IIls时，桨盘后倒角为6。，总距为4。，旋翼稳定转速为871186 rads，拉力为30kg。对于本论文设计机型，前后轮距及主轮距都不会很大，以25n以的速度起飞比较困难，所以需要改进方案。 一种方案是增加桨叶半径，另一种方案就是增加桨叶片数。(1)选用两片桨叶时的桨叶半径、，l矗J】 5】P一_、L 、b L、 L1垃 L4 lJ6 1-8 2 22 24 2J6桨峙半径(m)图21桨叶半径与起飞速度的关系
38、t、 k、 、 L 、 、圻多糕f婀系雅i2 U U 墟 2 z2 z4 z5黎叶半径佃)图22桨叶半径与起飞时旋翼稳定转速的关系由图21和图22可以看出，对于两片桨叶的旋翼，可以选择半径为2Om，对应的起飞速度为15mS。(2)增加桨叶片数通过计算可以得到当桨叶片数为3片，桨叶半径为125m时，起飞速度为18ms。对比分析两种方案对飞行性能的影响：坞揖“强岱蚺82l，Ev基簧P疆再铂加芝可v薏鬈t疆南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文踺心 l一婪囊筹：詈嚣【1泌oi：ei： 、 、?、 k 、?j：曩、 一、N 、0- 、v二卜。 ?o渔：麓 。起飞重量(kg)图23两种方案对升限的影
39、响l_1r“一、t；一 窜多二 、 篓嚣、v等f ：t吣 ， 、 Z 、j强 、 、 7， ，、 、 k- _一， 、 ， 、 k 、 。j、气 L ， 、一j一， 起飞重量(虹)图24两种方案对最大速度的影响-2片凳叶(D=25m)e一3片桨叶(D125m)计桨叶(啕0m) 兰 柚 钙 锄 55 晒 70 76赶飞重t(k口)图25两种方案对最大爬升率的影响由图23和图25可以看出，两种方案对于最大速度和最大爬升率影响都比较小。分析图24可以得出，对于采用第一种方案，即增加桨叶半径，起飞重量为45kg最合适，对于起飞重量为30kg而言，飞行性能就有显著下降，而且对于30kg级的无人自转旋翼机
40、而言，直径为4m的旋翼尺寸过大，综上所述选择第二种方案，即改用三片桨叶。214无人自转旋翼机旋翼半径旋翼半径的选择需要考虑对桨尖速度和飞行性能的影响。 以下是旋翼半径对飞行性能的影9守，5*末K昔无人自转旋翼机总体方案设计 ，夕。?厶图26旋翼半径对最大速度的影响 ，?， ，fj ， 7图27旋翼半径对使用升限的影响图28旋翼半径对最大爬升率的影响由图26、图27和图28可以看出旋翼半径应该选用1325 m最合适，但是重新做桨叶既需要时间又需要精力及经费，所以暂时选用半径为125 m的现成桨叶，此时的飞行性能并没有多大变化。若将来改进旋翼机，可以考虑更改桨叶半径。215无人自转旋翼机旋翼实度实
41、度仃减小，随之减小，低速段需用功率也减小，所以可用功率增加； 增大仃对跳飞10南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文有利，对预转速度的要求可降低。216无人自转旋翼机桨盘载荷仃：生坚：o072Cr=：一=UU 72斌。旋翼机桨盘载荷p对前飞最大速度、协x影响很小，但对最小速度Vmin影响很大，p减小，niIl减小，也使经济速度、有利速度增大。p：要：61(姆埘2)p 2磊2 61(留7埘)217无人自转旋翼机桨尖速度旋翼桨尖速度可以下面经验公式计算： 2叭”謦圳c川218无人自转旋翼机螺旋桨半径(23)(24)螺旋桨的半径一般是根据发动机的转速来设计，其也决定了是否有好的低速推力和爬升率。
42、如果选用的半径太大，则会让全机的尺寸偏高。螺旋桨的紧靠发动机与其输出轴相连，因此螺旋桨的转速就相当于输出轴转速。根据经验统计和现在使用的螺旋桨情况来看，螺旋桨桨尖速度(R。)m觚Q90n以n根据选定发动机的转速，就可以确定螺旋桨桨叶直径。目前可选用的发动机额定转速均为7500印m，Rp三；037 m。所以选用2710的螺旋桨，螺旋桨半径为3429 cm。219无人自转旋翼机旋翼总距角轻小型旋翼机的总距角口一般是固定的，中大型的旋翼机总距角则是可变的， 但即使是可变总距，也不经常操纵。总距角口增大，最小飞行速度减小，最大飞行速度增加，可用功率增加251。但是总距角口较大对于预转较费力，一般总距角
43、口取值范围是3。5。对于本文研究的小型无人旋翼机采用固定总距角4。22无人自转旋翼机动力系统对于起飞重量为30kg量级的旋翼机，选用10hp左右的发动机较为合适。目前市场中国外的最常见的日本的小松品牌的油动发动机，但价格较为昂贵，国内有美乐迪(SPE)以及DLE、DLA品牌。美乐迪发动机主要是50cc以下的单缸型号，对于本旋翼机不适用。 现有两款发动机可供选择：无人自转旋翼机总体方案设计表22两款发动机的主要参数型号 DLE 111cc DLAll2cc输出功率 112坪I7500rpm 115hp7500r1)m怠速 1400Ipm 1400Ipm255 k礴拔100m 245 kg海拔100 m静推力 22_3 kg海拔1800 m21 k鹋拔1800m压缩比 76： 1 78： 1汽缸容积 1112 cc 112cc毛重 287kg 275kg净重 250蚝 251kg汽油润滑油比 30：1 30：1火花塞型号 NGKCM6 NGKCM6从上表可以看出两种发动机性能及参数差别不大，都可以选择作为此旋翼机的发动机。DLE111cc的
