提升直升机吊挂体的飞行稳定性的方法和尾鳍技术

直升机吊挂物体飞行过程中，会遇到吊挂体弹跳问题与摆振问题，弹跳问题时间短，对直升机安全性影响较小，摆振问题时间周期长，对直升机飞行安全产生较大威胁。本发明专利技术针对直升机吊挂体飞行过程中遇到的摆振问题，仿照固定翼飞行器垂直尾翼的作用，利用计算流体力学原理，计算了吊挂体飞行过程中遇到的气动阻力，提出了将吊挂体的摆振运动稳定在简谐运动的飞行稳定装置初步设计原理，设计了一种稳定装置，该装置具有原理简洁，易于加工，装配方便等特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及提升直升机吊挂体的飞行稳定性的方法和尾鳍。
技术介绍
直升机作为一种重要的飞行器，在军用与民用方面都有着广泛的应用。直升机吊挂物体飞行是直升机诸多应用领域中较为常见和重要的应用之一，大多应用于应急救灾，地质勘探等领域。直升机在吊挂物体飞行过程中，吊挂体常见的两种现象分别为吊挂体的弹跳问题与摆振问题。弹跳问题表现在吊挂缆绳在收紧一瞬间，吊挂体会在垂直维度发生弹跳运动，但该现象对直升机安全性影响较小。摆振问题表现在吊挂体在随着直升机飞行过程中，由于受到侧风的干扰，会以绳索连接处为中心，发生左右的摆振运动，摆振运动时间周期很长，而且如果遇到较大质量的吊挂体的摆振，将会对直升机安全飞行带来非常大的威胁。
技术实现思路
本专利技术着眼于解决直升机吊挂在飞行过程中的摆振问题。通过在直升机吊挂尾部加装稳定装置的方法，类比固定翼飞机垂直尾翼的作用，采用计算流体力学原理进行计算分析，提出一种新的设计原理，进而设计稳定装置的尺寸形状，稳定装置采用复合材料制作，有着重量轻，携带方便等优点。另外，在稳定装置的安装问题上，采用常用的闭门器结构，方便维护与使用。根据本专利技术的一个方面，提供了一种作为直升机吊挂体的飞行稳定装置的尾鳍，其特征在于包括所述尾鳍用于加装在所述吊挂体上，从而解决吊挂体在飞行过程中的摆振问题。根据本专利技术的一个进一步的方面，提供了一种提升直升机吊挂体的飞行稳定性的方法，其特征在于包括把尾鳍加装在所述吊挂体上，从而解决吊挂体在飞行过程中的摆振问题。附图说明图I显示了根据本专利技术的一个直升机吊挂体飞行稳定装置。图2是利用CFD计算方法，得到的绕流流场的流线图。图3是在计算条件中加入5°侧滑角得到的矩形吊挂体流场流线图。具体实施例方式本专利技术的一个目的，是解决直升机吊挂体在飞行过程中的摆振问题。根据本专利技术的一个实施例，通过在直升机吊挂体尾部加装作为稳定装置的尾鳍，而解决了上述摆振问题；其中，根据本专利技术的一个实施例，通过类比固定翼飞机垂直尾翼的作用，采用计算流体力学原理进行尾鳍参数的确定。根据本专利技术的一个实施例的尾鳍采用复合材料制作，有着重量轻，携带方便等优点。另外，在尾鳍的安装问题上，采用常用的闭门器结构，方便维护与使用。为了能够较好地解决直升机吊挂体飞行过程中摆振问题，根据本专利技术的一个实施例的稳定装置的特征在于I.加装的作为稳定装置的尾鳍采用对称翼型考虑吊挂体在飞行过程中扰动的不确定性，吊挂体可能会向两个方向摆动，因此，加装的作为稳定装置的尾鳍2采用对称的翼型构型能够满足两个方向的稳定性。根据本专利技术的一个实施例的尾鳍2采用飞机垂直尾翼较为常用的NACA0012翼型。如图I所示。2.作为稳定装置的尾鳍的结构采用模块化拼装方式考虑到作为稳定装置的尾鳍2的通用性，采用模块化拼装方式，尾鳍的上部分包 括沿纵向延伸的若干细长部分3，而尾鳍2的下部分可通过闭门器安装连接在吊挂体I上。在一个具体实施例中，成为尾鳍2的上部分的多个细长部分3通过螺栓组装成型，这样，可以根据不同的吊挂体重量改变组成尾鳍的部分的数量，进而改变尾鳍2的总面积，方便调整使用。3.尾鳍与吊挂体的连接处采用闭门器结构尾鳍2在飞行过程中要保证牢固，需要有适当的支撑结构。在根据本专利技术的一个实施例中，如图I所示，在尾鳍2与吊挂体I的连接采用闭门器4，保证作为稳定装置的尾鳍2在飞行中牢固稳定。尾鳍2在不使用时能够收起，方便存放。而且，闭门器4可以将尾鳍2固定在吊挂体的上部，保证尾鳍2的对称轴与吊挂体I保持一定的角度，即尾鳍安装角。4.尾鳍的面积的创新方案在根据本专利技术的一个实施例中，选取了尾鳍安装角35度，和安置于吊挂体I的宽边的两端偏上位置的构型。利用CFD计算方法，计算条件选用飞行速度为20. 5米/秒。可以得到绕流流场的流线图，如图2 尾鳍2安装于直升机吊挂体I的尾部，目的是为了保证吊挂体的航向稳定性。如果在直升机飞行过程中吊挂体受到了侧风影响，尾鳍会产生回复力矩，保证吊挂体能够及时地回复到平衡位置，进而保证直升机的稳定飞行。5.作为稳定装置的尾鳍的材料采用碳纤维复合材料如图I所示，为了保证稳定装置不至于占吊挂体整体的太多重量，根据本专利技术的一个实施例的作为稳定装置的尾鳍2的各部分采用碳纤维复合材料加工制作。在根据本专利技术的一个具体实施例中，采用当前较为常见的热压技术，将碳纤维与环氧树脂加工成型。设计参数的确定考虑吊挂体尾鳍的作用机理，为了方便对尾鳍2的参数确定，在根据本专利技术的一个实施例中采用如下条件I)带有吊挂体的直升机飞行过程为悬停状态或匀速前飞状态；2)将直升机吊挂体作为刚体结构考虑，不考虑柔性变化；3)直升机受到匀速侧风影响，且受到侧风时，考虑吊挂体仅在航向产生偏转(侧滑角定义为β，如图I所示，右侧滑为正方向)；4)直升机吊挂体在受到侧风发生航向偏转过程中，忽略阻尼力即空气摩擦力的影响，摆动主要由惯性力与回复力共同作用产生。参数确定准则在忽略阻尼力的假设下，直升机吊挂体受到侧风发生摆动时，运动方式应为简谐运动。运动中尾鳍的大小对于吊挂体航向稳定性有着重要影响如果尾鳍大，回复力矩就大，简谐运动的周期就短，吊挂体会大摆幅、高频率地绕着平衡位置摆动，对直升机稳定性造成不利的影响；如果尾鳍小，回复力矩就小，简谐运动的周期就长，即抗侧风能力就差，回复速度慢，如果遇到连续侧风，有可能长时间不能回到平衡位置，也会对直升机稳定性造成不利的影响。因此，考虑到吊挂体摆动中尾鳍气动效率对于直升机稳定性的重要作用，在根据本专利技术的一个实施例中，将尾鳍的尺寸设定为能够使得发生简谐运动的吊挂体的运动固有频率ωα=1。受力的考虑根据上文提到的参数确定考虑因素，需先建立吊挂体摆动过程中的运动方程，进而确定吊挂体摆动固有频率Oci的表达式。吊挂体在摆动过程中，如果忽略阻尼力，受到力的作用包括有惯性力由吊挂体本身质量引起，当吊挂体受到侧风偏离平衡位置时，其惯性力与侧滑角加速度#有关，表达式为转动惯量I与侧滑角加速度声的乘积切，其中转动惯量I为吊挂体与尾鳍两者转动惯量之和，可根据吊挂体与尾鳍式稳定装置质量与摆动半径确定。回复力由尾鳍产生的回复力矩引起，与尾鳍产生的气动侧向力、尾鳍的气动中心到转动中心的距离有关。根据气动力的一般表达式，尾鳍产生的气动侧向力Fw可表示为Fw =^pV2SCi9P(I)表达式中P为空气密度；V为空气来流速度；S为尾鳍面积；CFe为尾鳍气动力系数随侧滑角β变化的斜率关系。综上，吊挂体在受到侧风做简谐运动时运动方程可以表示为Ιβ+^ρν2Ξ€ηβ· = (2)式中R为尾鳍气动中心到转动中心的距离。根据运动方程，摆动固有频率Oci的表达式为(O0=^pF2SCiv P卜U)令Oci=I,即可求得尾鳍的尺寸参数。参数的确定结果根据公式(3)，尾鳍尺寸与吊挂体质量、飞行速度等参数有关。当吊挂体质量确定时，飞行速度越大，尾鳍气动侧向力越大，尾鳍产生的回复力矩也变大，即尾鳍的回复效率高，有利于吊挂体的稳定性。首先应利用CFD方法计算尾鳍侧向气动力系数随侧滑角β变化的斜率关系Cf0。例如，在计算条件中，加入5°侧滑角，其余计算条件不变，得到如图3所示的矩形吊挂体流场流线图。作为一个实例，通过CFD计算，5°侦彳滑角时尾鳍产生的气动侧向力FW=133.63N，根据气动力计算本文档来自技高网...

【技术保护点】
作为直升机吊挂体（1）的飞行稳定装置的尾鳍（2），其特征在于包括：所述尾鳍用于加装在所述吊挂体（1）上，从而解决吊挂体在飞行过程中的摆振问题。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：马超，李国知，曹义华，吴祯龙，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：