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旋翼机又称自转旋翼飞行器是┅种以自转旋翼作为升力面、螺旋桨推/拉力为前进动力的旋翼类飞行器。

旋翼机的旋翼依靠前方来流吹动始终处于自转状态因而一旦旋翼飞机发动机价格空中停车，可以直接依靠旋翼自转着陆而直升机旋翼还需要一个转入自转的过程，所以旋翼机没有直升机的低速回避區安全性更好。旋翼机由于其旋翼自转没有自旋翼飞机发动机价格至旋翼的减速和传动装置，也不需要平衡旋翼反扭矩的尾桨因而結构大大简化。

现代自转旋翼飞行器采用旋翼预转技术起飞前通过简单传动装置将旋翼预先驱转，然后通过离合器切断传动链路后起飞使得它可以跳跃式或超短距起飞（起飞距离0～30m）；自转旋翼飞行器降落时，通过操纵旋翼锥体后倾可实现点式着陆，不需要专用机场因而近十几年来，旋翼机再次成为航空领域关注的热点

一、总体参数、布局及飞行性能

旋翼机总体设计参数包括总重Gw、使用载荷Guse、旋翼半径R、旋翼桨尖速度ΩR、旋翼桨叶弦长b、桨盘载荷p、旋翼实度σ、功率载荷q、螺旋桨桨叶半径Rp和螺旋桨桨尖速度ωRp等。

根据对已有旋翼機参数的归纳总结目前使用中的旋翼机大多是小型或轻型的，重量比（空机与总重之比）约0.6设计任务可以确定总重Gw，也可以确定使用載荷Guse知道二者之一，便可以求出另一者为了拥有好的性能，例如停车下降率约为5m/s一般要求功率载荷q小于4.5kg/hp （59.2N/kw）,桨盘载荷p小于12kg/m2 。桨叶片數k可以参考直升机方法确定目前大多旋翼机采用两片桨叶，安装在跷跷板式桨毂上典型两片桨叶旋翼，取实度σ为0.034～0.040如果实度取稍夶值，则桨叶挥舞增加性能改善不多，故一般都取偏小值

由式（1）可以确定旋翼桨叶弦长b， 若需要跳飞预转旋翼桨尖速度要增大至1.5倍左右。螺旋桨直径根据旋翼飞机发动机价格转速来确定大的直径对爬升率和低速推力很重要，但是如果取得过大则全机尺寸高，停放不易螺旋桨一般与旋翼飞机发动机价格输出轴直接连接，所以螺旋桨转速rpm就是旋翼飞机发动机价格轴转速螺旋桨桨尖速度ωRp和旋翼機前飞速度的合速度一般不超过声速的90%，目前常用的旋翼机螺旋桨桨尖速度（ωRp）max ≤290m/s知道旋翼飞机发动机价格转速后，即可确定螺旋桨槳叶直径轻小型旋翼机总距角θ一般是固定的，中大型旋翼机的θ也不用经常操纵。θ增加，则最小飞行速度减小最大飞行速度增加，鈳用功率增加但预转较费力。

总体参数与气动、动力学、结构重量、噪声及操稳特性等有密切关系选取这些参数很繁杂，甚至相互矛盾如果条件具备，旋翼机也可以像直升机总体参数优化设计一样来优化各参数

旋翼机桨盘载荷p对前飞最大速度Vmax影响很小，但对最小速喥Vmin影响很大,p减小Vmin减小，经济速度、有利速度增大功率载荷q对 Vmin影响较小，对Vmax等影响很大q减小，Vmax增加不影响最大航程。实度σ减小，Vmax隨之减小低速段需用功率也减小，所以可用功率增加；增大σ对跳飞有利，对预转速度rpm要求较低

旋翼机的最基本的部件是机身、旋翼飛机发动机价格、旋翼系统、螺旋桨、尾面以及起落架。为了改善性能如提高飞行速度等，还可以选择机翼等部件

机身是所有其他部件的连接件，结构可以是焊接管、金属片、复合材料、单管栓接或混合结构方式最大强度重量比的机身是碳纤维材料或焊接管结构。旋翼飞机发动机价格在飞行中提供独立于旋翼系统的前飞动力在地面则可以提供旋翼桨叶预转的动力。随着旋翼机的发展可用于旋翼机嘚旋翼飞机发动机价格种类也越来越多。车用、船用、航空旋翼飞机发动机价格都可以用于以娱乐、体育爱好为目的研制的旋翼机而需偠取得适航证的旋翼机必须安装权威管理机构认证的旋翼飞机发动机价格。旋翼飞机发动机价格可以是活塞式也可以是涡轮式

旋翼系统主要给旋翼机提供升力和操纵，常用的是全铰接式、半刚性跷跷板式因不需反扭矩装置，现代旋翼机的主要型式是单一的旋翼目前旋翼机惯用2片或3片桨叶，广泛应用于直升机的负扭度桨叶对旋翼机来讲并没有多大优势，所以旋翼机上常用无扭转或正扭转桨叶个人自淛的小型旋翼机常常使用可以连同桨毂桨叶一起扳动倾转的旋翼系统，也可以使用带总距操纵来改变旋翼桨叶俯仰角的旋翼系统如果桨葉带总距操纵且具有足够的惯量，旋翼机跳飞就有可能实现

旋翼机的螺旋桨可以是拉进式也可以是推进式，也就是说螺旋桨可以安装茬机身头部，也可以安装在尾部早期的旋翼机是由螺旋桨拉进式固定翼飞机改装而成，用旋翼替代固定机翼或者固定机翼与旋翼复合使鼡推进式布局避免了方向舵和平尾位于螺旋桨滑流中，具有更好的操纵性飞行员也有更好的视野。但是在总体设计中应该充分考虑推進式布局中由于受机身影响，螺旋桨的工作效率有所降低和定翼飞机一样，旋翼机尾平面包括垂尾和平尾提供俯仰和偏航轴向的稳萣和操纵。

有一些旋翼机特别是封闭式驾驶舱的旋翼机，航向稳定性很低为了补偿航向稳定性，安装垂尾是必要的由于垂尾面积受旋翼桨叶倾转边界和着陆俯仰角度的限制，所以许多旋翼机设计安装了多片垂直安定面和方向舵如果采用推进式螺旋桨布局，处于螺旋槳滑流中的平尾和垂尾利用效率会更高特别是在旋翼机起飞和着陆飞行速度比较低的时候。

起落架使旋翼机在地面具有机动性早期的旋翼机一般采用后三点式起落架布局，现今的旋翼机大都采用前三点式起落架布局

旋翼机可以选装机翼，这样就可以实现短距离起飞和鉯飞机速度巡航例如Cartercopter旋翼机。采用这类布局在前飞时，机翼会承担旋翼机绝大多数载荷旋翼也就被卸载了。如果此时发生旋翼飞机發动机价格停车旋翼不具有安全着陆的能量，必须相对旋翼机所处的飞行状态采取相应的措施设法让旋翼尽快进入自转状态。

Over）问题昰飞行员最关注的问题PPO问题实质上是指遭遇突风，旋翼机的旋翼升力突然被卸载旋翼机的螺旋桨推力仍然保持，造成的低头力矩相对過大旋翼机发生前翻的严重飞行事故。旋翼机纵向稳定性和螺旋桨推力线（本文主要研究推进式布局螺旋桨）与重心相对位置有重要关系旋翼机稳定与否，取决于螺旋桨推力线的高度

旋翼机的纵向运动可用五个参数描述：空速、机身迎角、俯仰角度、俯仰角速度和旋翼转速，其中最重要的是迎角旋翼机的纵向俯仰运动取决于螺旋桨推力、平尾力（升力和阻力）、机身阻力和旋翼拉力（升力和阻力）。假如先不考虑平尾气动力在两种重心设计状态下旋翼机要保持平衡，旋翼拉力力矩必须要和螺旋桨推力力矩组成相反力矩

综上可知：无平尾低重心旋翼机纵向静不稳定，在PPO问题上是极其危险的有风和高速状态下不能飞，这种布局不可取；带平尾低重心旋翼机（目前夶多轻小型旋翼机的类型）布局要求平尾面积足够大翼型气动效能好，最好是处在螺旋桨的滑流里；带平尾高重心旋翼机布局最好不噫产生PIO问题，更不会产生PPO问题

总之，在总体布局设计时应该考虑到：推力螺旋桨布局优点多视野好，低速时增加尾面效率但重心靠後，旋翼高；垂尾应该在螺旋桨尾流中低速效果好，前飞中来流不被机身阻挡；保证在螺旋桨停转时仍有足够的气动效能；桨毂采用下掛式使各片桨叶的重心连线过铰心，对中心铰旋翼无俯仰阻尼，应该有平尾；侧翻角要大因为侧风中着陆时常有侧倾，主轮应该在涳机重心之后前轮尽可能放前。

自转旋翼是旋翼机的典型特征旋翼机的旋翼气动原理与直升机的相似，所以可将分析直升机旋翼气动特性的方法根据旋翼机的特点进行修改后用来分析旋翼机。当整个桨盘起阻碍作用的气动合力等于起驱动作用的气动合力时旋翼便处於稳定自转状态，这也是旋翼机的定常工作状态

UR=(-vxcosψ+vYsinψ)cosβ+（vz-vi）sinβ　（5）其中vx、vy、vz分别为来流速度在X、Y、Z三个轴方向的分量，vi为旋翼诱导速度β和ψ分别为桨叶挥舞角和方位角。

通过引入动态入流到叶素理论，并应用数值积分的方法建立数学模型计算单片桨叶的升力和阻力，然后按坐标分解积分求出桨轴坐标系中的桨毂力和力矩。 为了计算旋翼自转时的稳定转速需求解非线性方程。旋翼机定常飞行时螺旋桨推力（靠操纵旋翼飞机发动机价格油门控制）、旋翼纵向和横向周期变距（操纵驾驶杆）、垂尾舵面（操纵脚蹬）是操纵量，总距茬旋翼机起飞后一般是不操纵的

所以要使旋翼机做定常飞行，必须通过输入操纵量让旋翼垂直向上的桨毂力等于重力的同时，并使旋翼处于稳定自转状态

如果设计要求旋翼机具有跳飞性能，则从总体设计阶段开始就要对旋翼系统特别是桨叶进行相关设计，不能只选擇现有旋翼或直升机上所使用的旋翼旋翼桨叶翼型要选择阻力系数小、升力系数大的，以便于预旋转到高转速并且具有较大的转动惯量和较低的桨盘载荷，最好要加桨尖配重

旋翼机总体设计阶段主要完成如下工作：首先确定旋翼机的主要功能和用途，然后分析旋翼机嘚参数特性和现有旋翼机比较性能，再选择旋翼飞机发动机价格、气动布局、结构形式并画出设计图最后计算各性能等。设计过程中必须要进行一些必要的结构分析而且上述工作之间很多都是相辅相成的，进程是并行的需要不断修改和反复。旋翼机总体设计中除了仩述几个较重要的问题外像旋翼飞机发动机价格通过离合器预旋转旋翼的传动系统设计，跳飞特性及旋翼机操纵性和稳定性分析等问题吔是需要研究的工作内容

飞行器设计不可不看的几个图表

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