放在中间就行？浅谈如何在直升机总体设计中确定重心范围

图——机动飞行中的直升机

直升机总体布局中，重心范围的确定是相当重要的环节，因为这一环节直接影响到直升机的运输负载能力以及机动性能，本文将从设计的角度，大概地谈一谈直升机总体布局设计中，重心的范围是如何确定的。

## 直升机的重心范围确定的限制条件

在进行总体布局设计时，应同时进行全机的重量计算和重心定位，以保证直升机的前后重心位置和变化范围符合要求。为了检查直升机的重心是否符合要求，必须进行全机重量、重心计算，确定直升机可能的使用重心范围。

这种计算在直升机设计过程中要进行多次，一次比一次更精确，直至每架机生产完成后，称重求出准确的全机重心变化范围。

直升机携带不同的装载和燃油量时，其重心位置会发生变化。一般单旋翼式直升机所允许的重心变化范围比较窄，它受到下列条件的限制：

（1）在各种飞行条件下，借助于正常的操纵，应能保证直升机的平衡。

图——直升机操纵量与平飞速度的关系

要保证直升机在各种飞行状态下的平衡，必须使得由驾驶员通过操纵机构所产生的作用在直升机上的诸力总和与绕重心的诸力矩总和都为零。由纵向力矩平衡条件，给定一个重心位置，可以作出自动倾斜器的倾斜角与飞行速度的关系曲线，这样，对于不同的重心位置，可以作出一组类似的曲线。从图上可以看出，随着飞行速度的增加，驾驶杆向前推杆加大，自动倾斜器的前倾角也增大。因此，重心不应过分靠后，以免在最大速度飞行时，超出自动倾斜器极限前倾角所限制的界限，即最大速度状态决定了直升机重心的后限；重心也不应过分靠前，以免在悬停或后退飞行时，超出自动倾斜器极限后倾角所限制的界限，即悬停或后退飞行状态决定了直升机重心的前限。重心范围的确定，还必须考虑留有操纵余量，以克服直升机在飞行时可能遇到的纵向扰动。操纵余量的选取可参考有关规范，如美国军用规范（MIL-H-8501A）规定，直升机纵向操纵余量一般应至少能产生相当于悬停时最大允许俯仰力矩的10%。

（2）旋翼奖叶在各种飞行状态下的挥舞量不能超过设计限制

直升机旋翼桨叶的周期挥舞量a1可以简单表示为：

图——挥舞量公式

式中

xc.g.――重心离旋翼轴的纵向位置；

y――旋翼桨毂中心离重心的高度；

lβ――旋翼桨毂的挥舞铰外移量；

Fc――旋翼桨叶离心力。

当lβ=0时，a1=xc.g./y，从式中可以看出，在自动倾斜器的操纵范围内，直升机重心变化范围越大，则桨叶产生的周期挥舞量也越大。为了防止旋翼和尾桨的桨叶与机身或其他结构相碰，桨叶与机身或其他结构间必须有足够的间隙。

（3）桨叶、桨毂和旋翼轴的疲劳强度不能超过设计限制

增大旋翼桨毂挥舞铰外移量可扩大直升机的重心变化范围。由于无铰式或无轴承旋翼的当量挥舞铰外移量较大，采用这种旋翼型式的直升机，其重心变化范围可以加大。但不论铰接式旋翼还是无铰式旋翼挥舞铰外移量（或当量外移量）的增加，除对直升机的稳定性和操纵性有影响外，还会增加旋翼和旋翼轴的疲劳应力，影响其疲劳寿命。

（4）直升机的纵向稳定性应符合设计要求

图——直升机中心位置对迎角静稳定性的影响

直升机的前后重心位置影响迎角静稳定性。当重心在旋翼轴前面时，直升机受一抬头扰动后，增加了迎角，旋翼气动合力相应增加了拉力增幅，从而产生一个绕重心的低头力短，可抵消不稳定的扰动抬头力短，使直升机回复到初始位置状态，这样对稳定性是有利的。

而当重心在旋翼轴后面时，气动合力的增量对重心产生一个附加的抬头力矩，这样就加剧了最初的抬头扰动，使直升机更不稳定，对稳定性不利。

因此，从纵向稳定性的角度来看，直升机的重心位置不宜太后，一般应使正常重心变化范围相对于旋翼轴偏前，也就是重心的前极限大于后极限，这样有利于直升机的迎角静稳定心. 否则，为保证直升机的迎角静稳定性，必须过分增大水平尾面，对重量不利。有关直升机稳定性的要求，可参照有关规范。

直升机正常重心位置在旋翼轴之前，也可使自动倾斜器前后倾斜范围接近对称，同时，可使拉力矢量对重心的力短平衡直升机其他部分的力短，使桨盘平面大致垂直于旋翼轴，以改善旋翼桨毂和旋翼轴的受力状况。

由上可见，直升机的重心允许变化范围，除了取决于旋翼纵向操纵范围和最大平飞速度之外，还与纵向稳定性和部件受力有关。其重心变化范围愈小，对这些方面愈有利。但直升机重心的允许变化范围太窄，会限制直升机的使用。因此，在总体布置时，应全面考虑和综合安排，一般最好将一些消耗重量（如燃油、武器等）布置在全机重心（或旋翼轴）附近，并尽量减小重量变化对重心所造成的影响。

## 纵列式直升机的特点

图——大重心范围的纵列式直升机

对于纵列式直升机，与单旋翼式直升机相比，由于其纵向操纵主要借助于前后旋翼的桨距差动使前后拉力大小不同而实现的，所以操纵力矩较大，允许重心变化范围也较大。

当纵列式直升机的重心位置靠前时，则前旋翼需在高桨距下工作，这样在前飞时，前旋翼将会有较大的挥舞，在高速平飞时，允许的挥舞角和操纵范围将决定直升机的重心前限。

重心后限的影响与单旋翼式直升机相同，重心愈靠后，纵向稳定性愈坏，当直升机受到抬头扰动时，由于迎角变化使前后旋翼产生同样的气动合力增显，重心愈后，气动合力增量所产生的拾头力矩也愈大，从而使直升机的迎角静稳定性恶化。