端驱旋翼系列1：旋翼飞机的几种可能类型及端驱旋翼技术几个相关要点

2024-10-05 05:34阅读：

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端驱旋翼系列1：旋翼飞机的几种可能类型及端驱旋翼技术几个相关要点
有容乃大展翅翱翔
引言创新产品命名及分类是个值得重视的议题：常听说技术标准制订应优先于产品研发。尽管往往产品行业技术标准的制订和批准执行都晚于某些具体企业创新产品的出现，但最后任何产品都要由相关企业公认的行业技术专家学者们共同制订的产品行业技术标准（最后以致相应类别国家标准）来指导和约束。
而不论企业或行业以致国家级的产品技术标准，开头都离不开专业术语定义的产品命名，产品分类等。新产品技术名称及分类是个涉及行业产品技术发展的重要问题，值得相关企业老板和技术专家重视。注：这里的专业术语定义的产品命名不涉及商业推销用的无具体技术意义某型具体产品名称或称号（如无具体技术意义的各种汽车产品名称“问界”“Arraco”“宋”等）。
我国EVTOL产业界也曾有过一些新产品命名不当的例子，如：把无地面行驶功能的电动多旋翼载人飞行器，称为“飞行汽车”；把不具备行驶中或停车时在车辆顶部起降可垂直起降飞行器的专用地面运输车辆，称为“陆地航母”等等。无疑给大众造成误导，这里不一一例举了。当然，即便产品命名合理，名苻其实，不存在误导用户，也不能确保所开发新产品的技术先进性和合理性。例如给垂直起降飞行器加上在地面可驱动行驶车轮后的“真正飞行汽车”等，最终是否先进合理还要看市场用户的选择决定。

以旋翼为技术特征的各种具备悬停及垂直起降功能的，或不具备悬停及垂直起降功能的可短距地面滑跑起降的载人飞行器，可以算是现代飞行器一个较大类别，这其中有可能出现的各类产品的分类和技术命名，就是本系列短文要讨论的首要问题。
一，旋翼及旋翼飞行器几种分类：
1.旋翼的定义和功能：
作为旋翼飞行器特征的旋翼，即旋转的机翼，指飞行器中能为飞行器提供升力甚至部分推进力的特殊装置，该装置主要由圆周对称分布的2至更多的可持续旋转的翼片组成。
旋翼由围绕旋转轴心对称分布2至更多的翼片组成，通过其旋转可以维持飞行器悬停，上升以至作水平飞行。
每架旋翼飞行器可配置1轴至多轴旋翼。
2.旋翼的来由：
旋翼的最早祖宗，公认是中国古代“竹蜻蜓”。一种由中国特产竹材制成的对称两个翼片和轴心组成的可以手搓升空飞行的玩具。
3.现代旋翼特征：
综合特征：旋翼均具备外形统一，围绕旋转轴心对称分布的若干翼片；各翼片均具有良好固定翼翼型；安装角为最佳迎角；采用较大展弦比。（若以旋翼直径为翼片翼展，其展弦比通常大于一般飞机固定翼展弦比）。
单轴及多轴旋翼飞行器旋翼为实现飞行器飞控的各自结构技术特征：
单轴旋翼直升机旋翼，其旋翼转子头具有可操控翼片按圆周方位改变迎角的机构实现飞行操控。
单轴旋翼机的自由旋转（无驱动）旋翼，轴向可以受控作前后左右方向小角度改变以实现飞行操控。
左右对称分布双轴旋翼机，其旋翼轴向可以受控作前后方向小角度改变实现飞行操控。
4轴及以上对称分布多轴旋翼直升机，旋翼各轴可固定，由各轴驱动动力差动实现飞行操控。
VTOL可倾转旋翼飞机，其旋翼轴向可以受控作前后方向90度角度改变实现飞行模式转变。
4.旋翼飞行器几种分类和结构特征分析：
现有的应用旋翼的飞行器大致有以下几类：（各附图均来自网上公布）
A）各种型号军用或民用直升机，包括EVTOL中的各型多轴旋翼直升机，目前均采用轴驱动旋翼技术。（附图1，2）。均具有垂直起降，悬停和水平机动飞行功能。但不具备发动机失效后无动力滑翔功能。
附图1

端驱旋翼系列1：旋翼飞机的几种可能类型及端驱旋翼技术几个相关要点

附图2

端驱旋翼系列1：旋翼飞机的几种可能类型及端驱旋翼技术几个相关要点

B）各型自转旋翼机，采用无驱动自转旋翼加水平驱动螺旋桨驱动技术。（附图3）。不具备垂直起降及悬停功能，仅能做地面短距离滑跑起降和水平机动飞行。但在以一定速度平飞态当水平驱动发动机失效时，具备一定无动力滑翔能力。
附图3

端驱旋翼系列1：旋翼飞机的几种可能类型及端驱旋翼技术几个相关要点

C）各型VTOL或ECVTOL飞机，目前均采用可倾转轴驱动旋翼加固定翼，或不可倾转轴驱动旋翼加固定翼加水平驱动螺旋桨技术（附图4，5，6）。均具有垂直起降，悬停和较高能效水平机动飞行功能。
附图4

端驱旋翼系列1：旋翼飞机的几种可能类型及端驱旋翼技术几个相关要点

附图5

端驱旋翼系列1：旋翼飞机的几种可能类型及端驱旋翼技术几个相关要点

附图6

端驱旋翼系列1：旋翼飞机的几种可能类型及端驱旋翼技术几个相关要点

5.新型旋翼翼端驱动技术的产生：
考察以上4类现有应用旋翼的飞行器中所采用的旋翼技术，我们发现，从驱动和无驱动角度看，只有两类：即有驱动（均为轴驱动）旋翼技术和无驱动自转旋翼技术。从旋翼轴和旋翼翼片结构分析这两类技术，轴驱动技术所采用的是旋翼翼片与转轴之间是一体式结构，即轴和翼片一起转动；而无驱动自转旋翼技术所采用的旋翼轴和旋翼翼片结构则是，旋翼翼片固定在旋翼头转子环上，旋翼轴固定不转动，只用于传递旋翼翼片产生的升力，也可用于操控改变旋翼头旋转面的指向。
而新型端驱旋翼技术，本应属于驱动旋翼技术，但其旋翼结构特征却与无驱动自由旋翼的结构特征相似。其独特技术特征在于，作为驱动旋翼，其旋翼翼片转子头各翼片上增加了新的端驱机构，即以翼端驱动取代旋翼轴驱动。由此产生了又一种新型旋翼---翼端驱动旋翼技术，简称端驱旋翼技术。
二，端驱旋翼技术几个相关要点：
名称选定 曾有某专业人士称之为电桨驱动旋翼技术。作者认为：尽管电机直驱螺旋桨是端驱旋翼技术最方便实用的驱动机构选择。但不能排除未来有发明人解决燃油储存输送和发动机控制的具体方案，采用燃油发动机驱动机构用于端驱旋翼的可能。例如现代小型燃油涡轮喷气发动机已经成功应用于所谓Jetman个人飞行装置。作者还是坚持根据此技术是把驱动装置设置在旋翼翼端的特征，应命名为端驱旋翼技术。为其未来应用开辟更多可能性。
端驱机构及位置选择 最简单的端驱机构为电机直驱螺旋桨，为了减少驱动螺旋桨旋转面上各点在旋翼上随翼片旋转线速度的差别，螺旋桨在直径与旋翼翼片直径的比值，应小于某个限制值（如0.15）。每个端驱电机螺旋桨叶片数可选2—7。可以加函道或不用函道。
如前述，不排除现代小型燃油涡轮喷气发动机作为旋翼端驱机构。
为使得同样端驱机构推进力对旋翼产生尽大的推动扭矩，也为了减少驱动螺旋桨旋转面上各点在旋翼上随翼片旋转线速度的差别，端驱机构轴心位置应尽量远离旋翼轴心，即旋翼翼片外端。当然其代价是在同样旋翼旋转角速度下，与安装点距旋翼轴心近一点的端驱机构相比需提供更大些的驱动线速度。
技术归类 从有无驱动归类，和现有轴驱旋翼技术一起都属于有发动机驱动的驱动旋翼技术。可应用于具有垂直起降和悬停功能的旋翼直升机和VTOL飞行器。
但从旋翼结构特征规类，则和现有无驱动自转旋翼技术的旋翼头翼片转子环与固定轴的结构特征类似，都属于旋翼中心轴为固定不转动，只用于传递旋翼翼片产生的升力，也可用于操控改变旋翼头旋转面的指向。依理类推，端驱旋翼在以一定速度平飞态端驱动发动机失效状态，如翼端驱动机构非工作态阻力的影响相对可以忽略，端驱旋翼应具备一定无动力滑翔能力。
悬停功率和悬停升功比 已知旋翼直升机功率随水平飞行速度变化规律是：悬停时驱动功率最大，随水平速度增加驱动功率随速度增加而减少直到某最低值后随速度增加而增加。故悬停功率和悬停升功比是驱动旋翼飞行器的涉及动力和能效最重要最关键且易于测量验证的技术数据。也是直升机动力设计计算最重要的技术数据。作为驱动旋翼技术，端驱旋翼也是如此。建议在忽略翼端驱动气流对旋翼旋转产生升力（沿转轴方向）影响的假设下，暂时把现有的旋翼悬停功率和悬停升功比相关计算公式应用于端驱旋翼的动力设计计算，并在实际应用中再以实验测定数据为依据修正。
端驱旋翼关键功率参数：端驱机构的驱动力及驱动线速度 已知轴驱旋翼的关键功率参数是轴功率输出（瓦）由驱动转轴的转速（弧度/秒）和扭矩（牛顿米）的乘积决定。而对应的端驱旋翼驱动功率参数总驱动功率（瓦），则是来自各端驱机构提供的驱动力（牛顿）和驱动线速度（米/秒）。每轴旋翼的总驱动功率（瓦）应等于每翼片端驱机构提供的驱动力（牛顿）和驱动线速度（米/秒）乘积再乘每轴翼片数（即每轴旋翼端驱机构数）。在忽略翼端驱动气流对旋翼旋转产生升力（沿转轴方向）影响的假设下，根据能量守恒，相同几何尺寸外形的旋翼对相同整机总重的悬停功率，采用轴驱功率瓦数值应与采用端驱功率瓦数值大致相同。即驱动方式不同的相同旋翼并不可能获得整机驱动能效的重大提高。但可以为设计者提供了对于特定旋翼驱动装置本身驱动效率增减和装置机构重量造价增减的更多选择。轴驱动技术，要求从一个转轴提供必需的转速和扭矩；而翼端驱动技术则可以通过（翼片数）数个同规格驱动装置提供必需的驱动力和驱动线速度来共同维持旋翼的总驱动功率。
端驱旋翼每轴翼片数和整机旋翼轴数选择 鉴于端驱旋翼技术近似于在现有自转旋翼翼片端增加端驱机构。而现有旋翼机旋翼数基本都采用2翼片，建议除特别重型直升机外，端驱旋翼采用每轴2-3翼片。
而端驱旋翼飞机的整机旋翼轴数，从在飞行占宽限制尺寸下，为保证最大整机总旋盘面积，根据总起飞重量需要，推荐采用的整机旋翼轴数是1轴或并列2轴，以及前后对称4轴。（具体理由见后述文章）。
（本文完）2024/10/5发表于新浪博客

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