[科普中国]-电控旋翼

直升机既可以实现垂直起落、空中悬停，又可以向任一方向灵活飞行。直升机之所以具有这种能力，主要依靠其旋翼及其操纵系统。旋翼是直升机最重要的操纵面，驾驶员使用操纵机构控制旋翼拉力的大小和方向，实现对直升机的主要飞行操纵。当代绝大多数直升机采用自动倾斜器来改变旋翼桨叶的桨距，这是一种成熟有效的操纵方式，其具体形式如图1所示。但是传统的旋翼操纵系统也存在固有的缺陷：由于使用自动倾斜器、机械操纵杆系、复杂而笨重的液压助力设备，其重量效率低下，并且增加了使用维护成本。而电控旋翼则可以解决或改善这一问题。1

电控旋翼，国外又称为无自动倾斜器，是于本世纪初提出的一种极具应用前景的新概念旋翼操纵系统。电控旋翼与传统旋翼系统最大的不同之处在于变距方式：传统旋翼由驾驶员操纵杆通过机械传动机构控制自动倾斜器升降及倾斜以实现变距，而电控旋翼通过电信号驱动位于桨毂或桨叶内部的电作动器改变桨叶后缘襟翼的偏角，产生俯仰力矩与桨叶根部弹性扭转力矩平衡，以此改变桨叶桨距。电控旋翼的操纵原理如图2所示。这种操纵方式省去了复杂的自动倾斜器及相应的液压助力装置，提高了直升机的重量效率，并且简化了桨毂结构，从而减小桨毂废阻，提高了全机的气动效率；此外，若对襟翼控制采用合适的控制律，还可以显著减小旋翼振动及噪声，并能够提高旋翼气动性能。1

桨叶是组成旋翼的重要部件之一，对直升机的飞行性能和安全性影响极大，因而桨叶设计直接决定了旋翼设计的成败。电控旋翼桨叶在外形和结构上不同于常规旋翼桨叶，主要包括主桨叶及小襟翼，在结构上由于襟翼的引入，增加了相应的襟翼支撑结构及襟翼驱动操纵机构，如图3所示。电控旋翼由于在桨叶的高动压区引入襟翼，若对襟翼形状处理不当，将导致桨叶气动阻力增大，不仅襟翼偏转所需功率增大，而且增大了旋翼功率消耗，使得旋翼整体气动性能下降。另一方面，由于襟翼偏转所产生的气动扭转力矩有限，所以电控旋翼桨根扭转刚度较常规旋翼小很多，而由于襟翼及其支撑操纵机构的存在，使得桨叶有效重心位置后移，容易导致桨叶出现颤振等动力学问题。可见，电控旋翼桨叶的设计中存在很多独特的问题须认真对待。

目前，国内外利用气弹分析程序，通过数值仿真对电控旋翼的参数影响进行了一定的参数研究，得到了一些可用于指导电控旋翼桨叶设计的规律。但若要在电控旋翼的设计过程中综合考虑气动性能及动力学特性，在满足动力学要求的前提下，尽可能的提高旋翼的气动性能，还需要探索电控旋翼桨叶的气动结构综合设计优化方法，为研制综合性能更优的电控旋翼提供设计手段。1