[科普中国]-双旋翼横列式直升机

相关背景

常规的单旋翼带尾桨式直升机是目前世界上最广泛采用的型式。据初步统计，现今世界生产的直升机80%以上均为这种型式。与其他型式直升机相比，其气动、平衡、操稳、振动等问题较易解决，设计制造技术也相对成熟。然而这种型式需要一副尾桨来平衡旋翼的反扭矩，无疑增加了全机的功率消耗和重量，一般尾桨在起飞和悬停状态下的功耗占总功耗的7%~12%。而且尾桨高速旋转并处于旋翼的下洗流干扰之下，受载复杂，易造成噪声和结构件的疲劳。横列式直升机在世界直升机发展史上昙花一现，前苏联米里直升机设计所曾利用了米一6直升机
的旋翼、动力传动等部件制成了米一12横列式直升机，但没有量产。与传统的单旋翼带尾桨直升机相比，横列式直升机的旋翼系统为两副横向并排布置、旋转方向相反的旋翼，不需要尾桨，可获得比单旋翼大的有效载重，斜爬升率好。但横列式机身和机翼的阻力损失较大，垂直飞行性能差，且机翼的刚度和重量随着旋翼距机身的外伸距离而显著增大，使得直升机的重量效率甚至低于单旋翼式。然而，随着近年来倾转旋翼机的发展，横列式这种形式又逐渐引起人们的关注和重视。因此，针对横列式直升机开展一些基础研究具有重要的实际意义。

结构特点横列式双旋翼布局结构对称，两副旋翼在相同的气流条件下工作，两旋翼之间的相互气动干扰受两旋翼间距的影响。其旋翼尾迹流场和气动特性与单旋翼相比有较大不同，不能像单旋翼一样单独建模，而需藕合建模。这种藕合明显增加了尾迹求解过程的复杂性。此外，横列式独特的旋翼/机翼构型，使其在悬停、低速前飞时，旋翼的下洗流会直接冲击机翼表面，产生较大的向下载荷，双旋翼下洗流在机翼处交汇还将产生“喷泉流效应”导致部分向下载荷，这直接影响到横列式直升机的有效载重和操纵品质;同时，这些载荷以低频形式传递到驾驶室，又是噪声的主要来源。横列式直升机旋翼的桨毅结构、桨叶的负扭转及尖削，使其下洗流场特性与传统单旋翼直升机也有较大不同。1

旋翼尾迹分析横列式直升机作为一种旋翼飞行器，不仅依靠旋翼产生主要升力，还通过旋翼来获得操纵力。旋翼作为直升机最重要的部件，其性能好坏直接决定了直升机的性能，而旋翼性能计算的关键就在于旋翼尾迹分析。直升机飞行时，旋翼旋转并受自由来流的影响，桨叶后缘会拖出并迅速卷起成一股强烈集中的螺旋状桨尖涡，涡线以当地速度运动并随桨叶方位角改变，形成复杂的尾迹几何形状，即旋翼尾迹，如图所示。旋翼尾迹影响桨盘处的入流分布，从而影响桨叶气动力和旋翼挥舞响应特性。而对于横列式直升机，两旋翼及机翼间的桨一涡干扰、涡一涡干扰和涡一面干扰更为严重，尾迹涡线变形、扭曲也更为复杂。因此，准确地计算旋翼的涡尾迹和气动特性是开展横列式直升机气动干扰特性问题研究的基础，而自由尾迹涡流理论方法可能是最为恰当方法。2

服役情况双旋翼横列式直升机的数量很少。前苏联米里设计局研制的米-12是最典型的双旋翼横列式直升机，它也是世界上最大的直升机。该机机身长37米，每副旋翼直径35米，最大起飞重量105吨，最大平飞速度260公里离小时，仅在60年代试制了4架原型机，没有投入批量生产。