遥控直升机控制原理.doc

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时间:2018-12-17

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1、一、话说旋翼头旋翼头是直升机中最神奇,也是最关键的部件。直升机的绝大多数性质,比如稳定性、灵活性,包括所谓操纵感觉,都是由旋翼头决定的。遥控直升机的旋翼头采用贝尔-希拉操纵方式,也就是一对主旋翼,产生升力,同时靠一对小翼控制升力的方向,从而达到控制直升机的目的。我们下面就来细说一下贝尔-希拉方式是如何达到操纵直升机的目的的。I、陀螺效应所谓陀螺效应,就是旋转着的物体具有像陀螺一样的效应。陀螺有两个特点:进动性和定轴性。当高速旋转的陀螺遇到外力时,它的轴的方向是不会随着外力的方向发生改变的,而是轴围绕着一个定点进动。大家如果玩过陀螺就会知道,陀螺在地上旋转时轴会

2、不断地扭动,这就是进动(不考虑章动)。以下是陀螺效应的示意图:图一、陀螺效应示意图在上图中,圆盘是陀螺。L是圆盘的角动量,其大小是R×Mv或者Iω。由于在力学中,有,所以和方向相同。这直接导致了(如图)高速转动的陀螺在受到F后,整个陀螺以X轴为转轴转动而不是以Y轴为转轴。这就是神奇的陀螺效应。这种效应一直伴随着直升机的飞行。例如:要使直升机仰俯,就必须要使直升机左右的升力不平衡而不是使其前后不平衡。基于这种原理我们下面就来解释遥控直升机的所谓贝尔-希拉操纵方式。II、贝尔-希拉操纵方式的初步分析说起贝尔-希拉,同好们映像最深的一定是那对“希拉”小翼。这是遥控直

3、升机唯一区别于真飞机的地方。那么这对小翼的作用究竟是什么呢?她所带来的好处是什么?下面就听我细细说来。在I中,我们已经看到陀螺效应的基本原理。在遥控直升机中,主旋翼就是一个大陀螺,它本身具有陀螺效应。当我们改变主旋翼倾角时,直升机的运动状态就会发生改变。但同时,如果用舵机直接改变主旋翼的倾角来控制飞机,问题是很多的。首先,主旋翼倾角的改变需要较大的力矩。如果用十字盘直接控制的话,强大的、交变的力矩将会直接作用到舵机上。这样舵机将会受到很大负荷,操纵精度会严重下降。第二,当直升机受到轻微扰动后,由于陀螺的进动性,直升机将不会恢复原来状态,而是绕着垂线方向进动。由

4、于重力不通过旋翼头中心,所以造成力矩的产生,从而导致主旋翼发生进动。这个问题是严重的,会直接导致遥控直升机悬停及飞行时无法稳定。基于以上问题,贝尔-希拉操纵方式产生了。操纵过程是这样的:1、初始状态希拉小翼由于空气和离心力作用,和主旋翼平面平行。此时两片主旋翼升力相等,飞行状态不发生变化2、操纵时上图为同一个视角,主旋翼转动到不同角度时的状态。在图I中,操纵者将十字盘倾斜。希拉小翼就与空气呈10°倾角。由于空气的作用,希拉小翼在图I位置受力。由于陀螺效应,希拉小翼不会在图I位置立即上抬,而是在转过90°后在上图II位置上抬。于是希拉小翼旋转平面与主旋翼平面呈1

5、0°夹角并稳定于此。在图II中,我们清晰地看见,由于希拉小翼通过连杆控制着主旋翼的倾角,所以希拉小翼旋转平面的改变导致了主旋翼与空气产生夹角。从而使主旋翼在图II位置受力。由于陀螺效应,主旋翼不会在图II位置立即上抬,而是在转过90°后在图I位置上抬。从而使得主旋翼平面趋于平行于希拉小翼。至此,遥控直升机主旋翼平面的倾转过程已经分析完毕。我们看到,遥控直升机的倾转总是希拉小翼旋转平面先倾转,主旋翼平面跟上趋于平行的过程。有意思的是,在这一过程中主旋翼操纵的负荷被希拉小翼完全承担。舵机只需承担操纵希拉小翼的负荷。这就有效地化解了一般操纵方式舵机负荷过重的问题。下

6、面再来初步分析希拉小翼对遥控直升飞机稳定性带来的好处。为此,我们来看贝尔-希拉操纵系统的干扰-稳定过程:1、初始状态希拉小翼由于空气和离心力作用,和主旋翼平面平行。此时两片主旋翼升力相等,飞行状态不发生变化2、外界气流对飞机进行干扰。当遇到气流时,由于主旋翼的旋转,会导致左、右主旋翼相对于空气的速度不同,从而产生力矩,使飞机偏离平衡位置。如图:在上图中,飞机机身及主旋翼平面由于干扰而失去平衡位置。但由于希拉小翼采用对称翼型,不会受到外界干扰。由于陀螺效应的定轴性,希拉小翼平面保持不变。所以此时主旋翼平面由于与希拉小翼平面有夹角而产生恢复力矩,抵抗外界干扰。这就

7、是贝尔-希拉控制方式的自稳定过程。也正是这个过程,使得遥控直升飞机避免了被干扰后就陷于进动的问题。同时,当直升飞机高速前进时,由于左、右主旋翼相对空气的速度不同,会导致力矩的产生,使飞机抬头的现象也被这种贝尔-希拉控制方式有效抑制,从而有效地提高了遥控直升飞机的可操纵性。值得注意的是,贝尔-希拉自稳定过程不能抑制过强的干扰。原因是希拉小翼旋转平面保持原来运动状态的同时,由于机身的倾斜,小翼与空气平面会产生夹角,从而破坏小翼原来的运动状态。如图:由于β角的存在,希拉小翼旋转平面会向主旋翼旋转平面方向旋转,最后趋于平行。所以贝尔-希拉的自稳定过程是有限的。还需要其

8、他手段(比如使希拉小翼不太灵敏)来增加

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