折疊式旋翼折疊式共軸旋翼槳葉操縱機構(gòu)設計背景

從古至今，人類對飛天夢一直都有著濃厚的興趣。繼萊特兄弟成功實現(xiàn)人類歷史上的第一次飛行試驗以來，歷經(jīng)百年的發(fā)展，航空科技取得了極大的進步與發(fā)展，人類開始設計并制造各種類型的飛行器，并將其用于不同的航空領域。隨著社會的進步，飛行器的種類和使用范圍也大大增加，飛行器先后出現(xiàn)了用于軍用的戰(zhàn)斗機、轟炸機、偵察機等;用于民用的運輸機、林業(yè)機等。除了這些常見大型飛行器以外，更多的微小型飛行器也被研制和使用，廣泛應用于無人偵察、現(xiàn)代救援、玩具等領域。飛行器也發(fā)展出了不同的形式，有固定翼型飛行器、旋翼型飛行器、變形翼型飛行器。其中旋翼型飛行器又分為單旋翼加尾槳型飛行器、共軸式旋翼無尾槳型飛行器、多旋翼型飛行器等。共軸雙旋翼型飛行器與其他類型飛行器相比，具有操縱性能好、飛行安全可靠性高、可進行懸停飛行并且飛行效率高、機動性能優(yōu)越、有效載荷能力強、自身結(jié)構(gòu)緊湊等特點。

因此，共軸式結(jié)構(gòu)在飛行器設計中被廣泛采用，國內(nèi)外對共軸雙旋翼飛行器開展過許多研究。槳葉的翼展大小直接決定飛行器的升力大小，為了盡可能在增大旋翼槳葉翼展的同時不增加飛行器的尺寸，特將折疊翼的設計引入，與共軸雙旋翼相結(jié)合，以滿足升力提升和結(jié)構(gòu)尺寸緊湊的設計要求。

槳葉是飛行器的關鍵部件，它既是飛行器的升力面，同時也是主要的操縱面。隨著理論分析方法、加工技術和工藝、材料的進步，槳葉形狀已經(jīng)由簡單的矩形槳葉發(fā)展為復雜的扭轉(zhuǎn)槳葉。不同的旋翼槳葉形狀與不同的飛行器結(jié)構(gòu)，需要不同的操縱機構(gòu)。槳葉作為飛行器升力提供部件，其操縱機構(gòu)負責飛行器升力大小的調(diào)整與飛行器航向的控制。它被分為全差動操縱方式、半差動操縱方式、磁粉控制器操縱方式、翼尖氣動控制操縱方式等類型。槳葉操縱機構(gòu)設計的優(yōu)劣對飛行器的飛行性能有著至關重要的影響。

在飛行狀態(tài)下，對旋翼槳葉的操縱主要包括改變旋翼槳葉所產(chǎn)生的拉力大小、拉力的作用線或者同時改變二者。改變拉力的作用線，理論上，相對機身通過傾斜旋轉(zhuǎn)軸或者槳轂來實現(xiàn)。由于大多數(shù)飛行器的旋轉(zhuǎn)軸是固定的，傾斜槳轂所需要的驅(qū)動力較大，因此常采用變距裝置。整體性或者周期性地改變槳葉槳距角，就能有效地改變空氣動力，從而最終改變旋翼拉力的大小和方向。

圖1所示為最常采用的由自動傾斜器改變總距的原理。圖2所示為自動傾斜器周期變距的原理。自動傾斜器由上下兩個平行的星型盤組成。一個星型盤不隨轉(zhuǎn)動軸旋轉(zhuǎn)，但其可以相對旋轉(zhuǎn)軸上下移動或者傾斜;另一個星型盤隨著旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，并且通過操縱桿與槳葉鉸接。這兩個星型盤通過軸承連接，始終保持平行的位置關系。當操縱機構(gòu)使不旋轉(zhuǎn)的星型盤整體上升或者下降時，所有槳葉同時增大或者減小相同傾角，由此改變旋翼的氣動特性最終改變旋翼產(chǎn)生的拉力大小;當操縱機構(gòu)使不旋轉(zhuǎn)的星型盤相對旋轉(zhuǎn)軸傾斜一定角度時，槳葉周期性變距(前行槳葉與后行槳葉一個增加 B1，一個減少 B1)。

驅(qū)動電機固定于飛行器的外殼體上，驅(qū)動左右兩個電機反向等速旋轉(zhuǎn)，兩個電機分別帶動各自連接的電機轉(zhuǎn)動桿轉(zhuǎn)動。電機轉(zhuǎn)動桿帶動轉(zhuǎn)動桿運動，使得下支撐盤相對旋轉(zhuǎn)軸整體上升或者下降。上下聯(lián)軸器分別與內(nèi)軸、外軸固定連接。下支撐盤通過軸承與下轉(zhuǎn)動盤連接，可相對于旋轉(zhuǎn)軸整體上升或者下降，通過下轉(zhuǎn)動盤上的下固定板、下固定件帶動下變距搖桿運動。下變距搖桿與下槳葉轉(zhuǎn)動件鉸接。下槳葉固定件固定于下聯(lián)軸器上。下槳葉轉(zhuǎn)動件連接槳葉，可相對于下槳葉固定件轉(zhuǎn)動。這樣，一對下槳葉便完成了對槳距角的改變(同時增大或者同時減小)。同理，上支撐盤在上下盤連接棒的帶動下隨下支撐盤整體上升或者下降，使上槳葉操縱部件完成相同的動作，一對上槳葉隨之實現(xiàn)槳距角的相同變化。因此，旋 翼飛行器的拉力大小可被改變。

驅(qū)動左右兩個電機同向等速旋轉(zhuǎn)，兩個電機分別帶動各自連接的轉(zhuǎn)動桿轉(zhuǎn)動，使得下支撐盤相對于旋轉(zhuǎn)軸傾斜，通過下支撐板、下固定件，帶動下變距搖桿運動。下槳葉固定件固定于下聯(lián)軸器上。下槳葉轉(zhuǎn)動件連接槳葉，相對于下槳葉固定件轉(zhuǎn)動。由于下支撐盤發(fā)生相對于旋轉(zhuǎn)軸的傾斜，其左右兩側(cè)的下變距搖桿發(fā)生反向運動，因此一對下槳葉的旋轉(zhuǎn)方向相反。在上下盤連接棒的作用下，上漿葉操縱部件完成與下槳葉操縱部件相同的動作，一對上槳葉也進行方向相反的旋轉(zhuǎn)。旋翼的上、下槳 盤相對于旋轉(zhuǎn)軸完成了向某一方向的傾斜，即拉力作用線發(fā)生改變，飛行器的飛行方向也隨之發(fā)生改變?？紤]到共軸雙旋翼槳葉扭轉(zhuǎn)和折疊翼安裝的角度要求，該槳葉操縱機構(gòu)應該具有較大的角度變化范圍。

旋翼(rotor，lifting rotor)又稱"升力槳"、"主旋翼"或簡稱"升槳"、"主槳"。由連接于旋翼槳轂的兩片、三片或數(shù)片槳葉(目前最多七片)組成。旋翼相當于旋轉(zhuǎn)的機翼，當它旋轉(zhuǎn)時，產(chǎn)生空氣動力，如升力和拉力，用以保持直升機的飛行。旋翼還具有操作面的作用。

旋翼按其結(jié)構(gòu)型式可分為全鉸接式(鉸接式)、半鉸接式(半剛接式)和無鉸接式(剛接式)三種。全鉸接式旋翼通常有三個鉸:揮舞鉸(水平鉸)，擺振鉸(垂直鉸)和變距鉸(軸向鉸)。

早期的直升機，槳葉和槳轂為剛性連接，前飛時，前行槳葉和后行槳葉的升力差，使直升機產(chǎn)生橫側(cè)傾復力矩，同時槳葉根部承受很大的靜、動彎曲載荷，壽命很短。為了消除前飛時的橫側(cè)傾復力矩及改善旋翼在揮舞面和旋轉(zhuǎn)面的受力狀態(tài)，提高壽命，引進了揮舞鉸和擺振鉸，形成全鉸接旋翼。但全鉸接式旋翼的槳轂構(gòu)造復雜，笨重，氣動阻力大，制造成本和維護費用高。因而發(fā)展了半剛接式旋翼。

隨著智能材料技術的發(fā)展及其在旋翼飛行器減振降噪等方面的應用潛能，智能旋翼技術己成為國內(nèi)外直升機新技術領域的一個研究熱點。智能旋翼概念是通過主動控制旋翼槳葉外段的翼型迎角變化，進一步控制槳葉氣動力分布，從而達到旋翼減振降噪的目的，目前，智能旋翼技術研究仍處于概念研究階段。主動扭轉(zhuǎn)智能旋翼槳葉其原理是:在具有彎扭耦合的主動扭轉(zhuǎn)梁上下表面分段粘貼壓電材料層，通過主動扭轉(zhuǎn)梁的分段彎扭耦合驅(qū)動來產(chǎn)生梁的主動扭轉(zhuǎn)輸出，進而帶動槳葉外側(cè)的槳尖扭轉(zhuǎn)，由于外側(cè)槳尖處于高動壓區(qū)，一般只需很小的附加扭轉(zhuǎn)即可達到振動控制的效果。智能旋翼的減振機理分析，實質(zhì)是一個旋翼氣動彈性分析過程，需要建立基于壓電復合材料層合梁的氣彈耦合分析模型，分析壓電復合材料層合梁的主動扭轉(zhuǎn)響應，通過與三維實體分析結(jié)果及原理模型試件的試驗結(jié)果對比，驗證模型的有效性和可靠性。