直升機設計

直升機設計過程就是在現實的基礎上最佳地擬定技術檔案的過程。這些技術檔案應保證符合所給定的要求，並在給定條件下使新型直升機能夠進行生產和使用。按設計檔案分類規定，技術檔案可分為三類。第一類包括直升機總體、結構和裝配的技術檔案和說明書。

這類技術檔案說明設計的指導思想和原則，回答有關要生產怎樣的直升機的問題；第二類是關於生產直升機的方法和設備的工藝檔案；第三類是關於維護方面的技術檔案，保證正確地使用直升機。

基本介紹

• 中文名：直升機設計
• 外文名：design of helicopter
• 所屬領域：航空
• 任務：確定直升機的布局、結構等
• 首要步驟：技術要求的論證和確定
• 關鍵技術：環形尾設計等

任務

直升機設計的任務是確定直升機的布局、結構和其它各組成部分以保證在一定限度內使直升機最有效地滿足給定的目標要求。為此需要有明確的設計目標，並需建立評估設計結果優劣的準則。因為單純為了達到某些目標而不惜任何代價．顯然是不可取的。

在確定設計任務時，除了物理方面的限制條件外，還可能受到其它一些條件的限制，包括給定的設計周期．以及可用的設計基地、實驗設備和計算手段等。對設計工作還受到生產工藝條件的限制．包括所需材料和配套產品的選擇和來源；有哪些生產設備和實驗設備；以及航空企業職工素質和生產技術水平的高低。研製新型直升機的經驗(包括引進機型國產化的經驗)證明．其成功與否往往不僅取決於航空企業的生產工藝和試驗基地的根本改造，有時還需對國民經濟一系列工業部門進行改造，實際上也是對科學技術進步的一大推動。

設計階段

直升機的複雜性決定了其研製工作的特點。為了完成設計工作，必須建立專門的設計機構——新機設計所，它擁有各個技術領域的眾多專家，包括很多複雜的實驗部門和試製單位。新機設計所是隨著設計對象和所用設計方法日趨複雜而發展和完善起來的龐大的工程組織系統。這個系統的工作必須依靠一些部門的科學研究機構對航空各領域發展遠景的研究成果和批生產工廠及飛行部隊對生產及使用直升機方面的經驗。航空工業是國家工業中最複雜的部門之一，是用國內外科學技術的先進成就武裝起來的(和航天技術、核能技術及電子技術一樣)。它在一定程度標誌著全社會的科學技術水平的高低。

直升機的研製設計工作，從設計方案的提出到成批生產和投入使用．需要經過一個很長的過程。其中需進行大量複雜的科學研究、計算分析、工藝製造、試驗測量和繪圖工作等。為了比較清晰地描述這個複雜的技術過程，可把它分為若干階段：技術要求的論證和確定．概念設計、初步設計，詳細設計、試製、試驗，定型或適航鑑定，最後獲準投入成批生產和使用。

下面對直升機研製設計工作各個階段的主要工作內容和需要解決的主要問題進行簡要的討論和說明。

技術要求的論證和確定

在設計開始之前，首先要知道需要設計什麼樣的直升機?有什麼用途和要求?以及為什麼要有這些要求等。要求提得是否恰當，常常是所設計的產品成敗或生命力強弱的關鍵，所以，直升機設計工作開始於論證和確定對所研製新機的設計技術要求。軍用型稱為戰術技術要求，民用型稱為使用技術要求。

設計技術要求一般由代表國家的專門機構根據國家的戰略戰術指導思想，提出新機發展任務和具體的設計技術要求。也可以由設計部門根據國家或市場的需要，經過論證，提出具體的設計技術要求的建議和方案初稿，供有關使用方和上級部門修訂、批准後執行。

使用方從需要角度來論證技術要求，而研製設計方從現實可能角度來論證，以求得正確理解．達到和滿足使用方提出的要求．並使其付諸實現。為此，需要廣泛收集國內外有關情報資料．針對國外各機種特點和我國使用要求，聯繫我國科研和生產的現狀和可能的發展，考慮到國際合作的各種可能性和現實性，並在廣泛深入地徵求使用、生產等部門的意見後加以詳盡論證。

技術要求是設計的根本依據，其論證工作必須有嚴肅性和科學性，應符合我國的戰略、戰術發展思想，充分考慮我國現有基礎，使需要和可能辯證地統一起來。指標先進而又合理，慎重而又留有餘地。

論證工作結束時，要提出論證報告，交上級審批。

有時在論證階段也附有初步的構想方案，以及有關的初步氣動布局探討，吹風選型意見，對發動機、儀表、設備、武器及附屬檔案等的構想要求和初步的飛行性能計算等，這樣可使技術要求更切合實際。

總之，對設計技術要求論證得愈詳細愈深入，將來的設計工作也就愈明確，可提高設計工作效率，減少反覆，使設計出來的產品能更好她滿足使用方的要求．具有較強的適應性和生命力。

概念設計

這一階段的任務是選擇直升機的布局和確定直升機及其各系統基本參數的最佳組合，以保證最佳綜合地滿足設計要求或提出必須修改設計要求的依據。一般來說，此階段要在全面分析的基礎上，形成對所設計直升機的構思、擬定出直升機的初步技術方案，明確技術措施，並第一次近似地確定所設計直升機的幾何尺寸、重量和能量基本特性，通過對直升機外形的綜合和基本尺寸的確定，把直升機設計的各個方面聯繫在一起進行全面考慮。

概念設計階段所需做的一些主要工作有：

1．氣動布局方案論證

包括構形、型式和氣動布局方案的評比和選擇、模型吹風，飛行性能及其他氣動特性的初步分析計算，全機和各部件(系統)主要參數的選擇，各部件相對位置的確定等。最後，繪製全機三面圖，並提交有關的分析計算報告。

2．全機總體布置方案論證

包括全機各部件、各系統、附屬檔案和設備的布置等。此時要考慮布置得合理、協調、緊湊，保證正常工作和便於維護等要求，並結合重心定位要求一起進行。最後繪製全機總體布置圖，並編寫有關報告和說明書。

3．全機總體結構方案論證

包括全機結構承力件的布置，全機傳力型式的分析，主要承力構件的承力型式分析，全機設計分離面和對接型式的選擇，全機各種結構材料的選擇等。全機總體結構方案可結合全機總體布置一起進行，並在全機總體布置圖上加以反映；也可單獨繪製一些圖紙。需要有相應的報告和說明書。

4．各部件和系統的方案論證

包括對各部件和系統的要求、組成、原理分析、結構型式、參數及附屬檔案的選擇等工作。最後，應繪製有關部件的理論圖、構造圖和有關係統的原理圖，並編寫有關的報告和說明書。

5．全機重量計算、重量分配和重心定位

包括全機總重量的確定、各部分重量的確定、重心和慣量等計算工作。最後應提交有關重量和重心等的計算報告，並繪製重心定點陣圖。

6．全機配套附屬檔案和設備等成件的選擇和確定，新材料和新工藝的選擇和確定，對要求新研製的成件要確定技術要求和協作關係。最後提交協作及採購清單等有關檔案。

概念設計階段將解決全局性的重大問題，必須深入、細緻和慎重地進行，要儘可能充分利用已有的經驗．以求概念設計階段中的重大決策有堅實可靠的基礎，避免以後出現不應有的重大反覆。

此階段的結果是應給出直升機合理方案的全機三面圖、全機總體布置圖、重心定點陣圖、全機重量和重心計算報告，飛行性能計算報告，初步的外載荷計算報告，全機結構承力初步分析報告，各部件和系統的初步技術要求，部件理論圖和構造圖、系統原理圖、新成件、新工藝、新材料等的協作要求和採購清單等．以及其他有關經濟性和使用性能等檔案，在這些資料的基礎上．上級有關主管部門將做出進一步繼續進行設計是否合理的決定。

初步設計

初步設計過程中，需將前面所得到的直升機的幾何參數、重量參數和能量參數進一步加以具體化，使其符合各種相互矛盾的要求。進一步確定氣動布局、總體布置、主要部件的結構型式、各主要系統的原理和組成等。製作直升機及備部件的吹風模型和進行風洞吹風試驗。根據試驗結果進一步進行詳細的氣動力計算、操縱性和穩定性計算、以及某些氣動彈性問題和振動問題的計算，進行較精確的直升機重心定位計算。在這些計算的基礎上，對直升機的總體布置進行適當修改。調整重量計算和重心位置，並製造樣機，協調直升機各組合件和各系統相互的空間位置，布置設備，評估空勤組和旅客的布置是否合理等。

詳細設計

此階段要全面實現所確定的直升機的參數和性能，要提交對直升機各部件、各系統及全機進行生產、安裝、裝配工作所要的全部技術檔案，繪製直升機原型機生產所要的全部圖紙(包括零件圖．裝配圖．理論圖等)，並相應進行全部必要的計算工作(包括氣動、強度、振動和疲勞方面的計算等)．進行試製和試驗的準備工作。

在此階段中可能還需繼續進行性能、操穩、氣動、彈性等方面的校核性試驗，利用校核試驗結果和由圖紙得到的重量、重心和慣量數據進行全面的性能、操穩等方面的計算，同時根據正式的外載荷進行零、部件的強度校核計算，提前進行零構件、部件的強度試驗或有關的振動試驗。完成全機和零部件的重量、重心和慣性的計算，提交靜、動力試驗任務書和飛行試驗任務書。最後將原型機試製所需的全部圖紙和技術檔案等經審批後移交給試製工廠進行生產。

試製

試製階段的任務是制出原型機和有關的試驗件，以進行靜動強度、系統模擬、振動和飛行等試驗，試製的整機一般需3～5架。

試製工廠應按生產圖紙、技術檔案和研製計畫等編制研製生產計畫和工藝檔案，並組織試製生產的全部工作。

試驗單位要按照試驗任務書完成所有的試驗準備工作。

試驗

試驗是對原型機進行實際的技術鑑定。它包括地面試驗和飛行試驗兩部分內容。前者(包括實驗室試驗等)是為了保證後者能安全、可靠地進行所必不可少的。後者是為檢查直升機性能是否滿足設計技術要求，飛行品質如何，結構和系統的工作可靠性和應力分布，全機工作環境(振動和噪聲水平等)及使用維護特性等。

試驗單位應詳細擬定各項試驗大綱和試驗方法，進行各項試驗，提交試驗報告，有時還需根據試驗結果對設計做必要的修改。

定型或適航性鑑定

在此階段需根據地面試驗和飛行試驗的結果，針對發現的問題，按照有關方面的意見，對圖紙和技術檔案等作必要的修改。同時移交成套的生產圖紙、技術檔案及樣機等，並提交使用維護方面的資料．經有關部門組成的定型委員會或民航適航部門審定批准後，交工廠進行成批生產。

關鍵技術

傳統的直升機有兩個明顯的缺點，一是速度低，二是使用成本高。美國的Piasecki飛機公司已經與美國海軍空中系統中心(NAVAIR)簽訂了一筆開發和研製契約，研製新技術複合式布局的直升機。這種直升機將克服傳統直升機的上述兩個缺點，提高其運行速度，大大降低直升機的使用成本。

環形尾(VTDP)系統是一種替代常規直升機尾槳系統的、由整體葉片和球面段組成的涵道螺旋槳系統。其作用是能夠使螺旋槳的推力矢量化，使它既能像常規直升機尾槳系統一樣產生起反扭作用側向力，又能夠作為輔助推進裝置產生向前的推力。

機上的VTDP系統和升力機翼共同起到在直升機前飛行時為旋翼卸載，推遲後行槳葉失速開始時間，提高直升機機動性、生成性和降低振動和疲勞載荷的作用。機上裝的先進飛行控制系統能夠對旋翼、機翼和VTDP系統實現綜合控制，以減輕駕駛員的工作負荷和擴展飛行包線。