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直升机旋翼桨叶的秘密——扭曲的桨叶

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远看直升机桨叶,感觉跟固定翼飞机的机翼没什么区别,但仔细观察之下,还是能够发现,在外形方面,旋翼的桨叶要比机翼复杂的多。其中最明显的一点就是,机翼一般都是平的,而旋翼桨叶都是有扭转角的。

那么,扭转角又是什么东西呢?

我们把机翼切成一段一段的截面,截面的形状就叫做机翼的翼型。从截面最前端到最后端画一条直线,这条直线的就是翼型的弦线。对于机翼,你从机翼的翼尖向翼根(这个方向,叫做机翼的展向)看去,机翼每个截面的弦线基本上是重合或平行的,也就是说,机翼是平的。

但旋翼桨叶就不是这样了,你从桨尖向桨根看去,桨叶各截面的弦线就不重合了,一般而言,靠近桨尖的部分,弦线倾斜的角度不高,而越靠近桨根,弦线倾斜得就越大。那么,这样看来,旋翼桨叶就不平了,像是被扭转了一样。直升机桨叶的扭转角一般较小,约在10度以内,不明显,如上图所示。倾转旋翼机旋翼桨叶扭转角很大,能达到接近50度,如下图所示。

有了扭转角,势必就给生产加工带来了困难,毕竟旋翼桨叶不是毛巾,说扭就扭,这里面是需要复杂工艺的。那么,桨叶为什么一定要这个扭转角呢?

这就要从翼型的升力说起了。

翼型的升力正比于翼型相对于空气的运动速度的平方,同时,也正比于翼型的迎角(翼型相对于空气的运动速度方向跟翼型弦线的夹角),当然前提条件是,迎角不大,一般15度以内。换言之,翼型相对于空气跑的越快,翼型迎角越高(比如,弦线倾斜角度越大),升力也就越对大。

对于机翼,由于机翼是固定在机身上的,因此,机翼上的每个截面,运动速度完全一样,那么每个截面所承受的气动力(升、阻力)就基本一样。

旋翼就不同了。靠近桨毂的地方,桨叶截面运动速度几乎为零,而靠近桨尖的地方,一般速度在180m/s——220m/s之间,相差太大。如果桨叶没有扭转角,那桨尖的气动力就要远远高于桨根了。

那么,这种情况,有什么问题吗?

如果真是这样,那旋翼的主要升力就要来源于靠近桨尖的部分了。但是,考虑到桨尖旋转线速度本身已经达到了0.6马赫,在直升机以一定速度平飞时,旋翼的前行边(桨叶旋转线速度方向与飞行方向一致)就已经进入了跨声速区,桨尖上表面某些点很容易出现局部的超声速流动(因为来流在翼型上表面会加速,所以翼型上表面的实际气流速度是要大于翼型的相对来流速度的),这就出现了激波,产生了激波阻力。而激波阻力是要远远高于正常型阻的。这就导致了旋翼需用功率大大增加。

所以,靠近桨尖的部分,弦线比较平,这样迎角就会相对较小,气动力会相对小一些,同时相应的激波阻力也会小一些;而靠近桨根的部分,弦线倾斜角就要大一些了,这样迎角增加,气动力就会大一些。这样一来,尤其是在高速前飞状态下,激波阻力的影响就会相对小一些,旋翼功耗就会下降。

此外,合理的桨叶扭转角可以使得整个桨盘平面产生的诱导速度分布均匀一些,这有利于降低悬停时的诱导功率,提高旋翼的悬停效率。

以上就是直升机旋翼桨叶一定要有扭转角的原因,归根结底,是因为旋翼气动环境复杂性要远远超过机翼。这也是直升机设计相比于固定翼飞机设计的难点之一。

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