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无人直升机设计主要总统参数包括起飞重量、发动机功率、有效载荷、旋翼直径、桨盘载荷、旋翼实度和桨尖速度等其中如何选择合适的桨盘载荷参数经常困扰着一些设计者通过这篇文章的简介希望对初学直升机设计者有所帮助。在直升机飞行过程中桨叶旋转在桨尖扫掠平面内的投影被称之为桨盘如下图1所示。 其中桨盘载荷是直升机总体设计的一个重要参数定义为定常飞行时旋翼拉力近似等于直升机总重与旋翼桨盘面积之比表示旋翼单位扫掠面积所承受的重力。图1 直升机桨盘很显然直升机桨盘载荷越大意味着旋翼直径越小直升机的结构外形尺寸也越小从而空重可相应减小。这是高桨盘载荷的显著优点是许多设计者选择高桨盘载荷设计的最主要原因。但是按照经典滑流理论旋翼拉力与空气质量流量相关。也就是说在重量确定的情况下想要托举起一定的重量桨盘载荷越大旋翼直径或桨盘面积越小意味着桨盘下方流速越快、诱导速度V越大消耗的诱导功率越大。如图2图2 滑流理论由于直升机飞行过程中诱导功率在悬停状态需用功率中占有很大的比重通常60%~70%随着前飞速度增加诱导功率的占比逐渐降低因此桨盘载荷大小对直升机悬停需用功率的影响较大。对于动力系统受限、或者对静、动升限要求较高的直升机通常选择较小的桨盘载荷以降低需用功率、提升直升机性能。而且桨盘载荷或者说下洗气流过大会使得在地面疏松、沙漠等环境下的起飞着陆对直升机、地面人员产生不利影响如图3。图3 过大桨盘载荷对地面的影响但是小的桨盘载荷意味着旋翼具有较大的直径设计时需要考虑避免桨叶打到机身或尾桨同时为直升机总体布置和桨叶制造带来一定难度。如图4。图4 过小桨盘载荷带来的问题图5是一些常规直升机的桨盘载荷统计数据如下所示。图5 常规直升机桨盘载参数因此在直升机设计时通常需要综合考虑直升机性能需求、动力系统、总体布置等因素选择适合的桨盘载荷。采用涡轮轴发动机时一般选桨盘载荷较大以获得较高的重量效率。一般说来主要依据使命任务选择桨盘载荷对以运输为主而且对静、动升限有较高要求的直升机则宜选择较小的桨盘载荷对要求较高的飞行速度、好的机动性、较小的线性尺寸和功率较大的直升机则可选择较大的桨盘载荷。桨盘载荷作为直升机总体设计中的顶层关键设计指标该参数直接决定直升机的悬停拉力效率、旋翼尺寸、燃油消耗、机身振动水平同时约束起落架布局、传动系统载荷深刻影响直升机载重能力、飞行速度与整机结构重量分配。希望通过阅读本文让大家对直升机桨盘载荷参数的设计选择有所了解使初学设计者选择桨盘载荷参数时更有科学依据。
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