直升机水平飞行时,需用功率变化大致如下图所示。总需用功率包括:
•诱导功率(与旋翼诱导速度相关);
•型阻功率(与桨叶阻力相关);
•废阻功率(与整机阻力相关);
•其他部分(与尾桨功率、附件消耗功率、传动损失等相关)。
诱导功率在悬停时起主导作用,高速前飞时占比较小。诱导功率可以近似理解为旋翼拉力与等效诱导速度的乘积。悬停改为前飞时,旋翼拉力变化不大,但是空气质量流量随前飞速度增加而增加,产生一定拉力所需的诱导速度减小,如下图所示。因此随着前飞速度增加,诱导功率显著降低。
型阻功率可以理解为桨叶旋转阻力消耗的功率,随前飞速度呈现缓慢增长,直至高速时才明显上升。高速前飞时,其主要受两方面影响:
1)后行桨叶失速的影响。旋翼桨盘两侧的气流不对称,前行桨叶流速快、后行桨叶流速慢,为保持左右两侧升力平衡,后行桨叶需要更大的迎角。当后行桨叶迎角超过翼型临界迎角时,就开始出现气流分离/失速,翼型阻力随之增加。
2)前行桨叶局部激波的影响。前行桨叶气流合速度为前飞速度和旋翼转速的叠加,假如前行桨叶桨尖的马赫数超过了临界马赫数,由于激波的出现,翼型阻力系数也会急剧增加。
随着前飞速度进一步增加,失速和激波区域扩大,型阻功率也会更大,大致分布如下图所示。
对于后行桨叶失速,翼型的气流分离过程如下图所示。
废阻功率与前飞速度的三次方成正比关系,在悬停时为零,高速前飞时占主要部分。前飞时的废阻功率与整机气动外形相关,包括裸机身、起落架、桨毂、机身上突出物等均对整机废阻产生贡献;另一方面,前飞速度越大、机身低头越大,其阻力也越大。某直升机前飞时机身表面压力分布如下图所示。
除了上述三个主要部分,还需考虑尾桨功率、传动损失以及发电机、散热风扇、环控等附件所消耗的功率,悬停抗侧风时,尾桨会消耗较大的功率。总体来说,这部分占比通常不大。
综合对比后,可以得出以下结论:
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由于悬停时诱导功率为主要部分,因此对悬停性能要求较高的直升机,通常会考虑一些减小旋翼诱导功率的措施,比如采用较低的桨盘载荷、优化桨叶负扭转等;
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由于中等速度飞行时,诱导功率和型阻功率均占有较大比例,因此对续航时间要求较高的直升机,除了要考虑尽可能降低诱导功率外,还可以通过优化桨尖速度、旋翼实度等来降低型阻功率;
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对高速性能要求较高的直升机,则会采取措施尽可能降低整机废阻,并推迟和延缓气流分离和激波的发生。