端驱旋翼系列2-3：端驱和轴驱旋翼技术数据对比/端驱旋翼电动直升机会成为未来主流电动直升机吗？
2024-11-27 01:58阅读：
端驱旋翼系列2-3：端驱和轴驱旋翼技术数据对比/
端驱旋翼电动直升机会成为未来主流电动直升机吗？
有容乃大展翅翱翔
引言：
上篇短文中曾提到：在忽略翼端驱动气流对旋翼旋转产生升力影响的假设下，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，采用轴驱功率数值应与采用端驱功率数值大致相同。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。但不同驱动方式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。
在端驱旋翼系列开篇：端驱旋翼技术系列短文预告中，作者曾把“端驱电动直升机会成为未来主流电动直升机吗？”列为短文2号，而把“端驱和轴驱旋翼技术对比”
列为短文3号。为更方便表述，现把两篇合为一篇撰写发布。
对比两种旋翼驱动技术的优劣的重点，主要集中在分析对比各自驱动装置本身驱动效率和装置机构重量造价等。具体对比方式，还是要靠数据说话。在没有实际产品结构和技术数据的情况下，本文选择三种构型系列各相同总重和旋翼结构尺寸旋翼直升机规范数据，按统一方法算出相同悬停功率的条件下，各机型分别按轴驱和端驱技术的要求的驱动技术
数据，加以分析对比。
根据分析结果，作者初步认为，在较大总重的电驱动旋翼直升机领域，端驱旋翼技术更有优势，可能成为未来较大总重电动旋翼直升机的主流驱动技术。
本文在分析比较方法和结论中有不当之处，欢迎热心读者批评指正。更欢迎有兴趣读者以电子邮件方式来信讨论相关技术问题。
联系作者邮箱：tandg41@sina.com
一,
端驱和轴驱旋翼技术数据对比
相关说明：
l
旋翼直升机两种驱动数据比较
为便于全面定量比较评估，选择总重10kg，50kg，500kg，5000kg和10000kg，具有相同旋翼翼片规范（每轴2翼片，各翼片均为：展弦比25，等弦宽，标准翼型，等安装迎角约8度）；相近旋盘载荷；相应占空宽度的：单轴，对称并列2轴，对称4轴三种构型的旋翼直升机的理论驱动功率技术数据（悬停功率，悬停转速，悬停扭矩等），以及分别按轴驱及规范端驱技术，推算出的各自驱动机构所需有效驱动技术数据，作驱动机构的综合对比依据。用以比较各驱动机构为达到相应有效驱动技术数据所需配置的相对复杂性，及重量，制造成本等。
l
所列数据是根据被实践验证的有关旋翼的基本原理和公式得出。
旋翼悬停功率
按动量原理公式由总重和旋盘载荷计算得出（涉及空气密度，与翼片数等翼片参数无关）。
旋盘载荷
由总重除以所有旋翼（非上下重叠的）旋转面积之合得出。
各旋翼悬停扭矩
按旋翼悬停功率，轴数及旋翼悬停角速度计算得出。
各旋翼悬停角速度
按等弦宽翼片旋翼升力公式当升力等于总重力计算得出（涉及翼片数及每翼片面积，空气密度，升力系数等）；
轴驱总有效悬停功率=轴数x
旋翼悬停扭矩x 旋翼悬停角速度。
为保证旋翼旋盘面积，端驱螺旋桨不超过旋翼翼片外端。规范端驱规格为：端驱螺旋桨半径r为0.16旋翼半径R，端驱推力点(螺旋桨轴)与旋翼轴距离为0.84R，按此根据各旋翼悬停扭矩及旋翼悬停角速度及翼片数计算出各端驱机构的推进力和推进线速度。
端驱总有效悬停功率=端驱机构数x端驱机构推进力x推进线速度。
有关数据推算的具体公式及解释不在此文赘述，有兴趣读者可参看“端驱旋翼系列5：几种推荐构型轴驱动与端驱动旋翼直升机动力参数计算列表”一文中相关部分。
1.
单轴旋翼系列数据对照
说明：单轴旋翼直升机的旋翼半径R就等于整机飞行占空宽度1/2。在同样占空宽度下，是旋盘载荷最小的构型方式。
轴驱单轴旋翼直升机机体为了平衡主轴扭矩，需要在机体加尾部平衡扭矩的小旋翼。不论直接由主轴动力分枝输出或另加辅助发动机动力驱动，都需要增加总悬停功率。此处简化假定用于驱动尾部平衡扭矩小旋翼的附加功率为主轴悬停功率15%。主轴驱动发动机为1台（或2台共同驱动），只列出总有效轴输出功率。
端驱单轴旋翼直升机则无上述附加功率。端驱发动机数等于旋翼翼片数，此处统一为2。
表1：单轴系列相关数据对照
总重W （kg）
10
50
500
5000
10000
占空宽度 (m)
1
2.2
7
22
32
旋翼半径 R (m)
0.5
1.1
3.5
11
16
旋盘载荷DL (kg/m2)
12.73
13.15
12.99
13.15
12.43
旋翼悬停功率 (kW)
0.7019
3.567
35.45
356.7
693.6
旋翼悬停升功比 (kg/kW)
14.25
14.02
14.10
14.02
14.42
旋翼悬停转速
(弧度/s)/(PMR)
214.4/2047
99.03/945 .7 30.93/295.4
9.903/94.57
6.620/63.21
旋翼悬停扭矩 (Nm)
3.274
36.02
1146
36018
104780
轴驱总有效悬停功率+尾旋翼(kW) 0.807
4.10
40.77
410.2
797.6
端驱机构推进力(N)
3.898
19.49
194.9
1949
3898
端驱机构线速度(m/s)
90.03
91.5
90.94
91.5
88.97
端驱总有效悬停功率(kW)
0.7019
3.567
35.45
356.7
693.6
2.
对称并列双轴旋翼旋翼系列数据对照
说明：对称并列双轴旋翼可自动实现机身扭矩平衡，无须设置尾部小旋翼。轴驱系统与端驱系统总有效悬停功率相同。
并列双轴旋翼的旋翼半径R，统一取整机占空宽度的1/4.25。由此计算整机旋翼旋盘载荷，与其它构型方式相比，在相同占空宽度下是旋盘载荷最大的构型方式。此构型方式下，均采用每轴旋翼翼片数2，轴驱发动机数为2台，端驱发动机数为4台。
表2：对称并列双轴系列相关数据对照
总重W （kg）
10
50
500
5000
10000
占空宽度 (m)
1
2.2
7
22
32
旋翼半径R (m)
0.235
0.518
1.65
5.18
7.5
旋盘载荷DL (kg/m2)
28.82
29.66
29.23
29.66
28.29
旋翼悬停功率 (kW)
1.056
5.356
53.17
535.6
1046
旋翼悬停升功比 (kg/kW)
9.47
9.335
9.40
9.335
9.557
旋翼悬停转速
(弧度/s)/(PMR)
686.2/6552
315.8/3015
98.42/939.8 31.58/301.5
21.30/203.4
旋翼悬停扭矩 (Nm)
0.7695
8.481
270.1
8481
24558
轴驱总有效悬停功率(kW)
1.056
5.356
53.17
535.6
1046
端驱机构推进力(N)
1.949
9.745
97.45
974.5
1949
端驱机构线速度(m/s)
135.4
137.4
136.4
137.4
134.2
端驱总有效悬停功率(kW)
1.056
5.356
53.17
535.6
1046
3.
对称4轴旋翼旋翼系列数据对照
说明：对称4轴旋翼可自动实现机身扭矩平衡，无须设置尾部小旋翼。轴驱系统与端驱系统总有效悬停功率相同。
并列双轴旋翼的旋翼的旋翼半径R，统一取整机占空宽度的1/4.25。由此计算整机旋翼旋盘载荷，与其它构型方式相比，在相同占空宽度下是旋盘载荷略大于单轴旋翼的构型方式。此构型方式下，均采用每轴旋翼翼片数2，轴驱发动机数为4台，端驱发动机数为8台。
表3：对称4轴系列相关数据对照
总重W （kg）
10
50
500
5000
10000
占空宽度 (m)
1
2.2
7
22
32
旋翼半径R (m)
0.235
0.518
1.65
5.18
7.5
旋盘载荷DL (kg/m2)
14.41
14.83
14.61
14.83
14.15
旋翼悬停功率 (kW)
0.747
3.787
37.60
378.7
739.8
旋翼悬停升功比 (kg/kW)
13.39
13.20
13.30
13.20
13.52
旋翼悬停转速
(弧度/s)/(PMR)
485.2/4633
223.3/2132
69.59/664.6
22.33/213.2
15.06/143.8
旋翼悬停扭矩 (Nm)
0.3847
4.24
135.1
4240
12279
轴驱总有效悬停功率(kW) 0.747
3.787
37.60
378.7
739.8
端驱机构推进力(N)
0.9745
4.873
48.73
487.3
974.5
端驱机构线速度(m/s)
95.78
97.16
96.45
97.16
94.90
端驱总有效悬停功率(kW)
0.747
3.787
37.60
378.7
739.8
二，端驱和轴驱旋翼直升机技术数据对照结果分析讨论：
1.
数据显示的一些基本规律
在对比两种驱动机构优缺点前，首先列出一些透过上述对照数据结果，可以大致看出下述的有趣基本规律：
l
旋盘载荷和悬停升功比数值间对应：
由总重和相应占空宽度以及构型决定的旋盘载荷，与直升机悬停升功比的数值显示完全对应。前者数值越大，后者数值越小。本文由于选用了较实用构型和更小的旋盘载荷(更大的占空宽度)，所得悬停升功比数值（理想化极限数值）要比现有实用机型可实际达到数值水平高出不少。
l
直升机构型对旋盘载荷和悬停升功比数值的影响：在相同总重和相应占空宽度下，单轴构型的旋盘载荷值最小(12.73~13.15kg/m^2)，对应悬停升功比的数值最大(14.02~14.42kg/kW)；对称并列2轴构型的旋盘载荷值最大(28.29~29.66
kg/m^2)，对应悬停升功比的数值最低(9.335~9.557
kg/kW)；对称4轴的相关数据介于上述两类之间更靠近单轴水平，旋盘载荷值(14.15~14.83
kg/m^2)，悬停升功比的数值(13.20~13.52
kg/kW)。
l
相同构型且相近旋盘载荷或者悬停升功比的直升机，随总重增加，整机悬停功率随之增加。但两种驱动方式要求提供的有效悬停功率的具体驱动技术数据的相应变化却呈现完全不同的结果。
l
对于轴驱技术而言，随总重增加，整机悬停功率随之增加。但旋翼悬停转速却呈现单调大幅度减少；仅悬停扭矩随之大幅度单调增加。使得轴驱系统所需轴驱功率数据特征是朝转速不断降低而扭矩不断增大的方式转变。即相同构型且相近旋盘载荷或者悬停升功比的直升机，随着总重增大，所有轴驱动都要求更低转速伴随更大扭矩的更大功率的输出。这一变化趋势，完全为现实产品系列数据所证实。
l
作为对照，在上述相同构型且相近旋盘载荷或者悬停升功比的系列直升机，随总重增加，所需旋翼悬停转速呈现单调大幅度减少，而悬停扭矩则随之大幅度单调增加的同时，所需端驱功率输出数据则表现完全不同变化特征：即所要求的端驱推进力随总重增加呈现单调大幅增加，而要求端驱机构提供的推进线速度几乎保持不变水平，不同构型之间，该数据差别也很有限（单轴
88.97~91.55m/s；并列双轴
134.2~137.4m/s；对称4轴
94.9~97.16m/s）。这一特点和趋势，则是和现有轴驱技术直升机产品完全不同的。
l
所列数据在有效悬停功率随总重增加呈正比增加的趋势中，一方面，各种重量相近旋盘载荷的端驱推进线速度几乎保持不变水平；与此同时，所需的端驱推进力呈现随总重增加单调大幅增加。如果进一步分析各个构型各重量级端驱推进力及端驱推进线速度的数据，还可发现俩个有趣规律。一个是关于端驱力：如果把总重力以牛顿为单位计算，除以全部端驱机构端驱推进力之和，所得数据称之为端驱力增益（意在表达总端驱推进力通过旋翼系统后可以平衡的整机重力的增加倍数），则通过计算可以发现：对于各种构型的各种重量级，该增益数值（均为约12.58）保持不变，成为一个常数。可称之为端驱机构旋翼驱动力增益不变原理。同时存在的另一个是关于端驱线速度的规律：对于各种构型的各种重量级，都存在的端驱推进线速度与旋盘载荷的0.5次方正比的关系。这两个关于端驱悬停功率技术数据的规律，可视为端驱功率技术数据两大特征。关于该增益常数以及端驱速度与DL^0.5比例常数在端驱技术数据设计计算中的作用（例如省去本文所用的等弦宽翼片旋翼升力公式，以及旋翼悬停功率动量原理公式，仅利用两个关系常数，就可以根据直升机构型，尺寸和总重数据，推算出所需端驱推进力和推进线速度两个关键驱动数据。并能进一步推算出旋翼悬停功率，悬停转速等技术数据
)，作者准备在以后文章中专题讨论。
2.
两种驱动机构优缺点对比
数据出来，特点明显，结合两种驱动结构特点总结，到底何种驱动技术更有优势？相信业内机械工程师们更有发言权。作为航空爱好者的物理教师，作者抛砖引玉，在此提出几点端驱技术明显优势：
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省去尾部旋翼机构和附加功率消耗：对于在同样占空宽度可获得最低旋盘载荷和最高悬停升功比的单轴旋翼直升机构型（也是现有直升机产品中最广泛采用的构型），端驱技术最明显优势是：省去轴驱单轴旋翼直升机机体为了平衡主轴扭矩，需要在机体加尾部平衡扭矩的小旋翼。既省去了相关机械构件，更省去了约15%的附加功率。
l
省去旋翼主轴驱动必需的大功率大减速比机械减速装置：除了50kg以下小总重无人旋翼直升机，其旋翼悬停转速可达数千转/分外，各构型的较重旋翼直升机旋翼主轴悬停转速都在数百转/分，更重型甚至在几十转/分水平，而悬停功率达几十数百千瓦。所需燃油或电动机的满功率输出转速可达数千至上万转/分水平，远高于旋翼主轴驱动要求。大功率大减速比的机械减速装置在现有轴驱动直升机中必不可少，重量和造价可观。而端驱技术所要求的相应悬停功率下各旋翼翼片端驱机构的驱动线速度和推进力数值，则较易于由电动机或燃油发动机直驱螺旋桨实现。相对现有直升机的轴驱动机构，大幅度减少了整机空重和节省了造价。
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发动机故障相对安全性：现有轴驱动旋翼直升机的旋翼，主轴和发动机输出轴机械绑定，当发动机失效时，旋翼轴一般不具备自由旋转功能。无法实现旋翼自由旋转软着陆。目前电机直接轴驱多旋翼电动直升机都靠所谓旋翼数量盈余，采用选择性关闭对应电机维持安全。小型电机驱多旋翼电动无人机一旦电机失效，往往当即炸机坠落。端驱旋翼则具备无动力自由旋转功能，在平飞过程中任何端驱机构失效时均可以靠旋翼自由旋转软着陆。此外，和固定翼左右驱动需要平衡不同，对于旋翼端驱，单一翼片端的端驱机构故障，不影响旋翼转动整体平衡，仅是旋翼驱动功率减半（对每轴2翼片而言），也增强了端驱旋翼发动机故障的安全性。
本文总结：
基于上述，作者认为：作为一种创新直升机旋翼驱动技术，和现有旋翼直升机普遍采用的轴驱动旋翼技术相比，翼端驱动旋翼技术具有机械结构相对简单，自重更轻，制造成本更低，对于单轴旋翼构型省去尾部小旋翼相对节能约10%-15%，对于发动机失效故障的安全性更高等优点。特别适用于100kg总重级以上的较重电机驱动旋翼直升机采用。
作者相信，在不远的将来，端驱旋翼直升机将会成为未来电动直升机（不包括小型旋翼无人机）的主流技术。
希望中国在端驱电动直升机研发生产制造上，能走在世界前列!
（完）2024/11/14上传新浪博客;
2024/11/26二次上传新浪博客。
