旋翼槳葉的案例
一種無人直升機旋翼槳葉設計與動力學試驗
目前無人機主要執行的是航拍、監測環境、農業植保等任務載荷，且大部分無人機以多旋翼為主。多旋翼無人機是靠螺旋槳轉速的變化，來調整力和力矩的，實現多旋翼無人機的飛行運動控制。對多旋翼無人機的槳葉來說， 一方面，槳葉尺寸越大，越難以迅速改變其速度。也正是因為如此，無人直升機主要是靠改變槳距而不是速度來改變升力。另一方面，在大載重下，槳葉的剛性需要進一步提高。不可變距的槳葉上下振動會導致剛性大的槳葉很容易折斷。另外，
無人直升機具有載荷大、抗風性能好等優點。因此，也被廣泛應用在科研搭載、大載重農業植保、
高空消防滅火、物流運輸等領域
。
1 技術現狀剖析
目前，大載重單旋翼無人直升機的槳葉系統市場選擇的空間較小，大部分槳葉均是某個型號專用的槳葉，互換性較低，槳葉產品獨立性較低。因此，根據某型單旋翼無人直升機升機動力系統的更換，需要重新定義設計與發動機相匹配的旋翼槳葉，才能使得整機性能最大化，復合材料槳葉的設計參考原有槳葉進行，其組成主要有大梁、蒙皮、后緣條、槳葉內腔泡沫填充、配重等結構組成[2]。其中，大梁是主要承力件。蒙皮是次要承力件。根據原有的旋翼槳葉成型工藝與配置方式，通過優化迭代槳葉結構、氣動效率、旋翼動特性等重要參數進行優化設計。
展開 貝爾V-280原型機加快首飛前技術準備
德國宇航院多環自動傾斜器主動旋翼
主動控制旋翼槳葉的技術難點之一就是如何將驅動力和信號傳遞到高載荷、快速旋轉的槳葉上的作動器上，以驅動襟翼或其他裝置實現對單片槳葉的控制，并保證其可靠性。
為規避這一難題，德國航宇中心DLR最近開發了一個主動旋翼控制系統META，該系統并不需要在旋轉部件上安裝作動器，而是采用了多環的自動傾斜器實現，該技術具備實現6槳葉旋翼的單片槳葉獨立控制的潛力。DLR稱，META系統的優勢包括無需向旋翼槳葉傳遞操縱所需的功率，作動器不用承受離心載荷等。該系統可應用在現有直升機上，作為機型翻新的一個途徑。
傳統的旋翼系統通過一個自動傾斜器，將飛行員的操縱轉化為槳葉變距角的變化，操縱量首先傳遞到自動傾斜器的不動環上，再通過不動環傳遞到動環，最終通過動環上的變距拉桿轉變為槳葉的扭轉角變化。
而META系統則通過在一個自動傾斜器上使用2個獨立控制的不動環，有效地將一個4槳葉旋翼解耦成2個獨立的2槳葉旋翼，由外環和內環分別控制。每個自動傾斜器由3個電動/液壓作動器操縱，作動器的電動部分負責飛行控制操縱；液壓活塞的控制權限較低，但可以最高105赫茲的頻率振動，結合META對槳葉控制的解耦，實現對每一片槳葉的高階諧波控制（HHC），控制頻率可達到旋翼旋轉頻率的2~6倍。
此外，META系統還能夠在飛行中跟蹤旋翼軌跡，并通過給2個自動傾斜器不同的總距和周期變距操縱，使2對槳葉的槳尖的空間運行軌跡錯開，使得相鄰的2片槳葉中，后面的槳葉不會通過前面槳葉形成的槳尖渦，從而降低旋翼的槳渦干擾噪聲。
META第一階段風洞試驗于2015年9月在荷蘭DNW大型低速風洞完成，試驗使用了BO105和H145C2兩個不同型號的4槳葉旋翼縮比模型。
展開 【5/19更新】直升機槳葉是用什么材料做的嗎？
直升機飛行時，旋轉的槳葉會提供巨大的升力，讓直升機翱翔在藍天。
在20世紀40年代至50年代中期是實用型直升機發展的第一階段，卡-18就是典型代表——單發雙旋翼共軸式輕型多用途直升機。這個階段的直升機槳葉具有以下特點：采用木質或鋼木混合結構的旋翼槳葉，成本低、較為輕巧，壽命短，約為600飛行小時。
20世紀50年代中期至60年代末，是實用型直升機發展的第二階段。這個階段的典型機種有：S-61、米-6、米-8等。
旋翼槳葉由木質和鋼木混合結構發展成全金屬槳葉，這個階段的直升機槳葉具有精度高、堅固耐用的特點，壽命達到1200飛行小時。
20世紀70年代至80年代，是直升機發展的第三階段，典型機種有：S-76、卡-50等。
旋翼槳葉開始采用復合材料，其壽命比金屬槳葉有大幅度提高，可達到3600小時左右。
相比其他材質，復合材料做槳葉有幾個天然的優勢：
1、復合材料的疲勞性能要遠高于金屬材料
2、復合材料的設計性很高
3、復合材料不會被腐蝕
4、復合材料更輕巧
如今，各國競相研制專用武裝直升機，促進了直升機技術的發展。2012年11月12日，我國擁有完全自主知識產權的第一架國產武裝直升機——直10正式亮相。
展開 俄羅斯米26直升機有多大？和波音737在一起會讓波音很沒面子
上圖中的場景發生于2015年，俄羅斯陸軍航空兵的一架米-26軍用運輸直升機需要返廠維修，俄羅斯Rostvertol-Avia航空公司派出一架民用版米-26T直升機將這架拆除發動機、槳葉等設備之后仍有14噸重的米-26從約什卡爾奧拉運到了羅斯托夫，飛行距離超過1500公里，總計花費了9天時間。
虎式裝甲車能從米-26直升機的機艙里從容地開進開出
米-26直升機就能輕松地吊起一臺小型客機
接下來，我們一起走進米-26運輸直升機生產線
看看這個大家伙是怎么生產出來的
↓↓
這是俄直旗下的羅斯托夫直升機聯合公司（Rostvertol）的米-26生產線。
現役中最大最重的直升機
羅斯托夫的米-26零配件區域
車間內看著很是擁擠，廠房也不是太新
最大最重的米-26，自然機艙的尺寸是不小的
米-26的機體艙壁
這部分可能是機體結構的上部分
旋翼系統的零部件
配套的電鍍車間內
米-26的旋翼槳葉尺寸也是驚人
這種旋翼由8片等弦長槳葉組成，是世界采用槳葉片數最多的單旋翼。每片槳葉由一根管狀鋼質槳葉大梁和26個玻璃鋼翼型段件組成。
這個角度看槳葉的厚度也不小。槳葉的設計制造，也是重型直升機的難點之一。
米-26采用傳統的鉸接旋翼，槳轂是鈦合金制成的，有揮舞鉸和擺振鉸，帶有阻尼器，沒有彈性軸承或軸向鉸。
機體材料中采用蜂窩結構，在保證強度的前提下減輕了重量。
展開 
低空盤旋“震”死364只雞！直升機噪聲為什么這么大？
被動噪聲控制技術
對于旋翼噪聲的解決方法是限制槳尖速度，采用先進的翼型和槳尖形狀。降低槳盤載荷和槳尖速度、增加槳葉片數可以有效降低載荷噪聲。厚度噪聲主要與槳葉片數、旋轉速度以及翼型參數（厚度、寬度）等因素有關，減小這些參數值可以降低厚度噪聲。
ONERA和DLR 聲學優化旋翼項目設計了用于4－6噸直升機的經過聲學優化的旋翼（ERATO），其槳葉形狀見下圖。具體優化措施是：通過優化弦長的展向分布和采用雙后掠減小渦的強度以降低BVI噪聲；采用先進翼型減小翼型厚度，選擇優化槳尖以減少厚度噪聲和低頻載荷噪聲。ERATO旋翼與矩形槳葉的7AD旋翼（槳葉見圖1）的試驗結果比較顯示HSI噪聲降低3.6dBA，BVI噪聲降低7.6 dBA，
歐直公司的中型雙發直升機EC145采用了噪聲優化旋翼和精確的轉速控制規律來降低噪聲。優化旋翼的一個設計參數是通過增加弦長，減小旋翼直徑來減少槳尖速度使噪聲輻射最小。另一設計參數是考慮翼型厚度，EC145旋翼在槳尖區有遞減的外形厚度，以減小厚度噪聲和HSI噪聲。EC145還采用了經過高升阻比優選的OA4系列翼型和OA312翼型，以減小阻力馬赫發散數提高超音速特性，使聲輻射（特別是高速前飛時）減小。
主動噪聲控制技術
最近，為減振發展的高階諧波控制（HHC）和獨立槳葉控制（IBC）方法已經被研究用于減少旋翼BVI噪聲。已經進行的采用HHC方法控制BVI噪聲的旋翼風洞試驗顯示，用開環控制可減少約5－6dB。高階諧波旋翼聲學試驗（HART）用開環控制BO-105旋翼，表明由于諧波輸入降低了振動和噪聲水平，進一步由飛行試驗獲得的噪聲數據證實了此結果。
展開 直升機旋翼系統
這是一個高細節的直升機旋翼組件 SolidWorks 模型，包含 4 個主槳葉、斜盤機構、俯仰控制連桿和執行器。該設計展示了機械運動如何通過斜盤從執行器傳遞到旋翼槳葉，從而控制俯仰、滾轉和升力。
直升機是如何起飛轉向的？
直升機是借助旋翼升空，能垂直起飛和降落的重于空氣的航空器。機身上方的旋翼軸上裝一副或幾副大直徑的旋翼，由活塞式發動機或渦輪軸發動機驅動。直升機是靠旋翼來產生氣動力，這里所說的氣動力既包括使機體懸停和舉升的升力，也包括使機體向前后左右各個方向運動的驅動力。
直升機旋翼的槳葉剖面由翼型構成，葉片平面形狀細長，相當于一個大展弦比的梯形機翼，當它以一定迎角和速度相對于空氣運動時，就產生了氣動力。槳葉片的數量隨著直升機的起飛重量而有所不同。重型直升機的起飛重量在20噸以上，槳葉的數目通常為六片左右；而輕、小型直升機，起飛重量在1.5噸以下，一般只有兩片槳葉。
直升機體放在地面時，旋翼受其本身重力作用而下垂。發動機開車后，旋翼開始旋轉，槳葉向上抬，直觀地看，形成一個倒立的錐體，稱為旋翼錐體，同時在槳葉上產生向上的升力。隨著旋翼轉速的增加，升力逐漸增大。當升力超過重力時，直升機即上升；若升力與重力平衡，則懸停于空中；若升力小于重力，則向下降落。
欲向前飛，需將駕駛桿向前推，經過操縱系統，自動傾斜器使旋翼各槳葉的槳距作周期性變化，從而改變旋翼的拉力方向，使旋翼錐體前傾，產生向前的拉力，將直升機拉向前進。
直升機的方向是靠尾槳控制的。欲使直升機改變方向，則需踩腳蹬，改變尾槳的槳距，使尾槳拉力變大或變小，從而改變平衡力矩的大小，實現機頭指向的操縱。
直升機優點：可以做低空（離地面數米）、低速（從懸停開始）和機頭方向不變的機動飛行，特別是可在小面積場地垂直起降。由于這些特點使其具有廣闊的用途及發展前景。在軍用方面已廣泛應用于對地攻擊、機降登陸、武器運送、后勤支援、戰場救護、偵察巡邏、指揮控制、通信聯絡、反潛掃雷、電子對抗等。
展開 共軸剛性旋翼構型高速直升機發展研究
共軸剛性旋翼概念
共軸剛性旋翼是國內對前行槳葉概念（
ABC
）的別稱
，源自文藝復興時期達
·
芬奇的
“
旋翼機
”
假想圖，但是由于它對旋翼結構的要求遠遠超出了當時的技術水平，直到
20
世紀
60
年代，西科斯基公司采用鈦合金制造旋翼槳葉以探索共軸剛性旋翼技術，才正式開啟了西科斯基公司長達近
60
年的共軸剛性旋翼構型高速直升機的研發之路
。
常規直升機旋翼受到前行槳葉激波限制（見圖
1
）和后行槳葉失速限制（見圖
2
），飛行速度最大只能到
300km/h
左右。而共軸剛性旋翼構型高速直升機打破了常規直升機旋翼的工作原理（見表
1
），采用前行槳葉概念和共軸雙旋翼構型，只通過旋翼前行側提供升力，后行側不提供升力，充分利用了旋翼前行側動壓大的優勢，避免了后行側失速對飛行速度的限制；同時，在高速飛行時，降低旋翼轉速以減弱前行槳葉激波的限制，并采用輔助推進裝置
(
推力槳
)
提供足夠的前進力。該構型直升機結構緊湊，保留并提升了常規直升機低空機動能力，可實現大幅度的速度提升。
二戰后，美國經濟和科技高速發展，試飛了多種復合式高速直升機，并有明確的計劃牽引和競爭決策機制。在該背景下，
1964
年起，美國西科斯基公司對前行槳葉概念旋翼進行了大量的探索性研究和技術攻關，包括旋翼氣動設計、剛性旋翼結構設計、動力學設計、飛行操縱與控制、縮比模型風洞試驗等，并于
1970
年在
NASA-AMES 40ft×80ft
風洞中進行了全尺寸共軸剛性旋翼風洞試驗驗證，這標志著前行槳葉概念旋翼的理論分析和試驗研究達到了頂點，并初步驗證前行槳葉概念旋翼系統的技術可行性和性能潛力。
展開 私人飛機高手介紹：旋翼機的空氣動力學
當旋翼機在空氣中向前運動時，向前的運動速度對于前行槳葉而言將造成相對氣流的速度加快，對后行槳葉而言則減小相對氣流的速度。為了應對槳盤兩側升力的不平衡，前行槳葉在蹺蹺板的作用下翹起以減小攻角和升力，與此同時后行槳葉向下以增加攻角和升力。（關于升力不平衡的詳細討論參見《第三章-直升機飛行空氣動力學》）前行槳葉的攻角減小導致驅動區域變大，同樣,后行槳葉的攻角增加導致更大的失速區域。向前飛行導致原有的槳盤分區向后行槳葉方向移動，其大小和程度和飛行器的飛行速度大小有關。參見圖16-5。
圖16-5：向前自旋飛行的槳盤分區
[旋翼受力分析]
同任何重于空氣的飛行器一樣，旋翼機飛行時也受到升力，重力，推力和阻力這四種力的作用。旋翼機的升力來自于旋翼系統，推力直接來自螺旋槳。如圖16-7所示，旋翼產生的力可以分為兩個分量：旋翼升力和旋翼空氣阻力。垂直于飛行路徑的是旋翼升力，平行于飛行路徑的是空氣阻力。為了推出整體的飛行器空氣阻力反應，必須把機身空氣阻力計算在內。
圖 16-7.在向前飛行時旋翼機的旋翼系統所受的氣動合力方向與直升機相反
[旋翼升力]
旋翼升力可以簡單的想象成為支撐飛行器重量的升力。當翼面產生升力的同時，空氣阻力也就伴隨著產生了。對一個給定的翼型，最有效的攻角是產生最大升力和最小阻力的角度。然而旋翼槳葉并不是工作在這種有效的角度，在每一圈的旋轉過程中攻角都在發生變化。而且，旋翼系統必須保持一定的自旋槳距以持續地產生升力。有一些旋翼機安裝了小的附加機翼以便在較高巡航速度飛行時產生升力。這些附加的機翼產生的升力可以作為旋翼升力的補充，甚至可以完全取代旋翼升力。
[旋翼空氣阻力]
合成的旋翼空氣阻力是作用在槳葉的每個槳葉位置上的旋翼空氣阻力的總合。每一個槳葉位置的貢獻根據速度和角度的不同而不同。
展開 世界上現役最大的直升機！
米-26采用傳統的鉸接旋翼，槳轂是鈦合金制成的，有揮舞鉸和擺振鉸，帶有阻尼器，沒有彈性軸承或軸向鉸。
這種旋翼由8片等弦長槳葉組成，是世界采用槳葉片數最多的單旋翼。每片槳葉由一根管狀鋼質槳葉大梁和26個玻璃鋼翼型段件組成。
值得一提的是，汶川抗震救災期間，唐家山堰塞湖水位告急，臨時從俄羅斯租借來的2架米-26重型直升機危難之時大顯身手，吊運推土機、挖掘機、鏟車等60余臺大型設備到大壩上，為解除危機立下了汗馬功勞，挽救下游人民于危險之中，此后中國將這兩架米26直接買下。
米-26的兩臺發動機燃油消耗非常大，達每小時2.5噸，約3000升。據中國云南電視網報道，2010年初由中國國家林業局調用執行云南大理蒼山滅火任務的“米-26”，2.3噸的油料僅夠維持它1小時的空中飛行，在當時的消防作業中，每小時飛行總費用達人民幣13萬元，被稱為“油老虎”。
米26直升機究竟有多大？和它前邊的蘇30戰機一比就曉得了。
走進米-26運輸直升機生產線
↓↓
這是俄直旗下的羅斯托夫直升機聯合公司（Rostvertol）的米-26生產線。
關于米-26就不用多介紹了，現役中最大最重的直升機。
羅斯托夫的米-26生產線，這是零配件區域。
車間內看著很是擁擠，廠房也不是太新。
最大最重的米-26，自然機艙的尺寸是不小的。
米-26的機體艙壁。
這部分可能是機體結構的上部分。
旋翼系統的零部件
配套的電鍍車間內
米-26的旋翼槳葉尺寸也是驚人
這個角度看槳葉的厚度也不小。槳葉的設計制造，也是重型直升機的難點之一。
機體材料中采用蜂窩結構，在保證強度的前提下減輕了重量。
展開 仿真驅動的螺旋槳最優化方案
螺旋槳的三維模型參數化（動圖）
以下圖片記錄了基于CFD（計算流體力學）數值仿真技術優化螺旋槳的過程：
4、優化后結果
根據以上過程和優化方法，對某款32寸商業多旋翼用螺旋槳進行了仿真優化，最終在特定拉力下，得到了槳效率提升8.5%的效果，如下表所示。
用于優化的商業螺旋槳模型
仿真結果-翼尖渦
此外，多旋翼槳葉應用環境特殊，由于無來流，葉素工作面所處的雷諾數較低，對CFD計算的要求較高。另外，槳葉翼型仍然有優化空間，針對不同半徑位置可對翼型進一步優化以提高效率。
本文僅對依靠數值仿真技術的螺旋槳優化過程進行了介紹，未來一段時間內將持續更新與CFD數值仿真技術、螺旋槳優化和氣動布局優化的系列文章，包括翼尖小梢作用、共軸反槳螺旋槳的優化、固定翼螺旋槳的優化、常見靜態螺旋槳測試平臺的問題等文章，敬請瀏覽，點贊，分享。
文章來源：無人機
展開 
鋁基體超疏水微柱陣列的掩膜電解加工研究
前景與應用
超疏水微柱陣列的應用前景較大，如用于航空發動機進氣道、固定翼飛機機翼和直升機旋翼槳葉上，可減少因結冰結霜造成的飛行阻力增大或空中停車等惡性事故；用于艦船和魚雷表面，可減小與水的摩擦阻力，抑制海洋生物附著，提高航行速度，節省能源；用于鋼結構跨海橋梁、海上鉆井平臺及其他海洋工程裝備或設施上，可減少基體與腐蝕性液體的接觸面積，抑制海洋大氣腐蝕和海水腐蝕，提高裝備和設施壽命；用于高山地區冬季輸配電線路上，可減少因覆冰而導致的高壓輸電線路和輸電塔破壞事故；用于微型水面機器人上，可提高設備承載力，增加機器人的水面穩定性和壽命；用于操作昂貴藥物液體儀器上，可減小液體和固體表面的粘附損失，實現液體無損轉移，節約成本。
主創介紹
宋金龍，男，大連理工大學副研究員，博士生導師，德國洪堡學者，中國科協青年人才托舉工程入選者，研究方向為非傳統加工工藝與裝備，主持國家自然科學基金青年基金、中國科協青年人才托舉工程、航空科學基金等項目。以通訊作者或第一作者身份在ACS Nano (IF13.7)、Journal of Materials Chemistry A (IF9.93)、ACS Applied Materials & Interfaces (IF8.0)、Nanoscale (IF7.2)、Chemical Engineering Journal (IF6.7)、Lab on a Chip (IF5.99)等期刊上發表SCI論文40篇（中科院一區Top論文12篇，封面論文4篇，ESI前3%高被引論文1篇）；以第三作者身份在Science上發表論文1篇。
展開 中國直20將參加珠海航展 未來或部署西藏高原
報道稱，但兩者的主要區別在于，直-20采用電傳飛行控制設計，采用5槳葉旋翼布局，而“黑鷹”直升機只有4槳葉旋翼。
據報道，中國的這款直升機還具備更大的升力、機艙容量和續航能力，其通信系統據稱堪比中國的北斗衛星導航系統。
據《解放軍報》報道，很可能會在今年11月的珠海航展上亮相。擁有多種不同用途型號的直-20可適應不同的地形和氣候條件，供解放軍地面部隊和海軍使用。
報道稱，在中國擁有了包括殲-20第五代隱身戰機和運-20戰略運輸機在內的其他尖端國產“20系列”飛機后，即將入役表明，中國已將本土飛機研發提升到新的高度。
來源：兩機動力控制
復合材料在國內外航空航天領域的應用
中、法、新合作研制的輕型直升機EC120，除旋翼槳葉外，機身、垂尾、尾梁、水平安定面等多處結構也都用了復合材料。美國AASI公司研制的JETCRUZER500型6座公務機，其整個機身有碳/環氧復合材料制成。
Lear Fan2100型飛機
輕型運動飛機市場很大，相關的制造商和機型也很多，目前該領域主要集中在歐美一些發達國家，知名的制造公司有美國塞斯納飛機公司、西瑞設計公司（已被中航通飛收購）、奧地利鉆石飛機公司、德國飛行設計公司等。其中德國飛行設計公司（Flight Design GmbH）是全球領先的、設計和生產輕型運動類飛機的專業廠家，所開發的CT系列輕型運動飛機基本均采用碳纖維復合材料機身。德國Remos飛機公司的生產的Remos飛機大部分是碳纖維復合材料，機翼是全碳纖維制造，重量輕，線條圓滑。該機型可能是目前為止制造工藝最先進的輕型運動飛機機型。奧地利鉆石飛機公司DA42“雙子星”飛機機翼等主要部件均采用復合材料結構。
展開 多旋翼+螺旋槳型eVTOL飛行器飛行性能簡要評估
電動旋翼位置兩兩對稱，旋翼前行槳葉和后行槳葉產生的升力差，能夠相互抵消，不需特別調節處理。
參閱《直升機高速之路》
電動旋翼能夠較為容易地調節槳距和轉速，在高速飛行時，能夠降低轉速防止前行槳尖發生局部激波；電動旋翼甚至能夠轉換為自轉旋翼狀態，進一步提高飛行速度。
前向飛行時，電動旋翼可用功率有較大的充裕，能夠靈活調配提高飛行品質，如做大坡度轉向機動。
整機性能：
多旋翼+螺旋槳型 eVTOL 飛行器，電動旋翼和電動螺旋槳在直徑尺寸和數量上，能夠根據飛行器需要功能靈活配置，易于翼身融合整體設計。
參閱《為武裝直升機改裝涵道風扇飛行翼》
電動旋翼和電動螺旋槳直徑尺寸小，機械結構簡單，轉速可調可控，易于飛行器減振降噪設計。
同型號的電動旋翼使用數量多，便于模塊化系列化標準化設計制造，能夠提高產品質量，簡化飛行器的研發制造過程。使用保障時，便于維護修理，備件貯備。
多旋翼能夠建立表決系統可靠性模型，相比直升機單/雙旋翼串聯系統可靠性模型，可靠性程度大為提高。通俗來講，多旋翼能夠保證在幾個電動旋翼不工作時，飛行器仍然可以安全飛行或安全著陸。
適用場景：
多旋翼+螺旋槳型 eVTOL 飛行器，在垂直起降、懸停作業、慢速飛行和快速飛行等綜合性能方面有較大的優勢。適用于山區空中交通運輸、農林工業航空作業、航空應急救援等場合。在軍事應用上，適合于武裝直升機應用場景。
文章來源： 民用無人機產業
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