遙控直升機貝爾-希拉操縱系統(tǒng)控制原理淺析

1、遙控直升機貝爾-希拉操縱系統(tǒng)控制原理淺析 注明：圖片來自網(wǎng)絡(luò)    旋翼頭是直升機中最神奇，也是最關(guān)鍵的部件。直升機的絕大多數(shù)性質(zhì)，比如穩(wěn)定性、靈活性，包括所謂操縱感覺，都是由旋翼頭決定的。遙控直升機的旋翼頭采用貝爾-希拉操縱方式，也就是一對主旋翼，產(chǎn)生升力，同時靠一對小翼控制升力的方向，從而達到控制直升機的目的。我們下面就來細說一下貝爾-希拉方式是如何達到操縱直升機的目的的。一、陀螺效應(yīng)    所謂陀螺效應(yīng)，就是旋轉(zhuǎn)著的物體具有像陀螺一樣的效應(yīng)。陀螺有兩個特點：進動性和定軸性。當(dāng)高速旋轉(zhuǎn)的陀螺遇到外力時，它的軸的方向是不會隨著外力的

2、方向發(fā)生改變的，而是軸圍繞著一個定點進動。大家如果玩過陀螺就會知道，陀螺在地上旋轉(zhuǎn)時軸會不斷地扭動，這就是進動(不考慮章動)。以下是陀螺效應(yīng)的示意圖：圖一、陀螺效應(yīng)示意圖 方向相同。這直接導(dǎo)致了（如圖）高速轉(zhuǎn)動的陀螺在受到F后，整個陀螺以X軸為轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動而不是以Y軸為轉(zhuǎn)軸。這就是神奇的陀螺效應(yīng)。這種效應(yīng)一直伴隨著直升機的飛行。例如：要使直升機仰俯，就必須要使直升機左右的升力不平衡而不是使其前后不平衡?；谶@種原理我們下面就來解釋遙控直升機的所謂貝爾-希拉操縱方式。 二、貝爾-希拉操縱方式的初步分析    說起貝爾-希拉，同好們映像最深的一定是那對“希拉”小翼。這是遙

3、控直升機唯一區(qū)別于真飛機的地方。那么這對小翼的作用究竟是什么呢？她所帶來的好處是什么？下面就聽我細細說來。    在第一節(jié)中，我們已經(jīng)看到陀螺效應(yīng)的基本原理。在遙控直升機中，主旋翼就是一個大陀螺，它本身具有陀螺效應(yīng)。當(dāng)我們改變主旋翼傾角時，直升機的運動狀態(tài)就會發(fā)生改變。但同時，如果用舵機直接改變主旋翼的傾角來控制飛機，問題是很多的。首先，主旋翼傾角的改變需要較大的力矩。如果用十字盤直接控制的話，強大的、交變的力矩將會直接作用到舵機上。這樣舵機將會受到很大負荷，操縱精度會嚴重下降。第二，當(dāng)直升機受到輕微擾動后，由于陀螺的進動性，直升機將不會恢復(fù)原來狀態(tài)，而是繞著垂線

4、方向進動（如圖）。如圖，由于重力不通過旋翼頭中心，所以造成力矩的產(chǎn)生，從而導(dǎo)致主旋翼發(fā)生進動。這個問題是嚴重的，會直接導(dǎo)致遙控直升機懸停及飛行時無法穩(wěn)定?；谝陨蠁栴}，貝爾-希拉操縱方式產(chǎn)生了。操縱過程是這樣的：1、初始狀態(tài)    希拉小翼由于空氣和離心力作用，和主旋翼平面平行。此時兩片主旋翼升力相等，飛行狀態(tài)不發(fā)生變化2、操縱時    上圖為同一個視角，主旋翼轉(zhuǎn)動到不同角度時的狀態(tài)。在圖I中，操縱者將十字盤傾斜。希拉小翼就與空氣呈10°傾角。由于空氣的作用，希拉小翼在圖I位置受力。由于陀螺效應(yīng)，希拉小翼不會在圖I位置立即上

5、抬，而是在轉(zhuǎn)過90°后在上圖II位置上抬。于是希拉小翼旋轉(zhuǎn)平面與主旋翼平面呈10°夾角并穩(wěn)定于此。    在圖II中，我們清晰地看見，由于希拉小翼通過連桿控制著主旋翼的傾角，所以希拉小翼旋轉(zhuǎn)平面的改變導(dǎo)致了主旋翼與空氣產(chǎn)生夾角。從而使主旋翼在圖II位置受力。由于陀螺效應(yīng)，主旋翼不會在圖II位置立即上抬，而是在轉(zhuǎn)過90°后在圖I位置上抬。從而使得主旋翼平面趨于平行于希拉小翼。    至此，遙控直升機主旋翼平面的傾轉(zhuǎn)過程已經(jīng)分析完畢。我們看到，遙控直升機的傾轉(zhuǎn)總是希拉小翼旋轉(zhuǎn)平面先傾轉(zhuǎn)，主旋翼平面跟上趨于平行

6、的過程。有意思的是，在這一過程中主旋翼操縱的負荷被希拉小翼完全承擔(dān)。舵機只需承擔(dān)操縱希拉小翼的負荷。這就有效地化解了一般操縱方式舵機負荷過重的問題。    下面再來初步分析希拉小翼對遙控直升飛機穩(wěn)定性帶來的好處。為此，我們來看貝爾-希拉操縱系統(tǒng)的干擾-穩(wěn)定過程：1、初始狀態(tài)希拉小翼由于空氣和離心力作用，和主旋翼平面平行。此時兩片主旋翼升力相等，飛行狀態(tài)不發(fā)生變化2、外界氣流對飛機進行干擾。    當(dāng)遇到氣流時，由于主旋翼的旋轉(zhuǎn)，會導(dǎo)致左、右主旋翼相對于空氣的速度不同，從而產(chǎn)生力矩，使飛機偏離平衡位置。如圖：在上圖中，飛機機身及主旋翼平

7、面由于干擾而失去平衡位置。但由于希拉小翼采用對稱翼型，不會受到外界干擾。由于陀螺效應(yīng)的定軸性，希拉小翼平面保持不變。所以此時主旋翼平面由于與希拉小翼平面有夾角而產(chǎn)生恢復(fù)力矩，抵抗外界干擾。這就是貝爾-希拉控制方式的自穩(wěn)定過程。也正是這個過程，使得遙控直升飛機避免了被干擾后就陷于進動的問題。同時，當(dāng)直升飛機高速前進時，由于左、右主旋翼相對空氣的速度不同，會導(dǎo)致力矩的產(chǎn)生，使飛機抬頭的現(xiàn)象也被這種貝爾-希拉控制方式有效抑制，從而有效地提高了遙控直升飛機的可操縱性。值得注意的是，貝爾-希拉自穩(wěn)定過程不能抑制過強的干擾。原因是希拉小翼旋轉(zhuǎn)平面保持原來運動狀態(tài)的同時，由于機身的傾斜，小翼與空氣平面會產(chǎn)生

8、夾角，從而破壞小翼原來的運動狀態(tài)。如圖： 由于角的存在，希拉小翼旋轉(zhuǎn)平面會向主旋翼旋轉(zhuǎn)平面方向旋轉(zhuǎn)，最后趨于平行。所以貝爾-希拉的自穩(wěn)定過程是有限的。還需要其他手段（比如使希拉小翼不太靈敏）來增加穩(wěn)定性。    通過以上的初步分析，大家應(yīng)該已經(jīng)對遙控直升飛機的控制原理有了一個大概的了解，對直升機旋翼頭有了一定的認識。對于一般以及能力有限的同好，了解這些已經(jīng)足夠。但對于另一些喜歡刨根問底的或者是希望參加比賽的發(fā)燒級同好，改裝、調(diào)整飛機成了必要的工作。所以應(yīng)該深入、定量地分析貝爾-希拉的操縱過程。我下面就做一些這方面的工作。希望能給大家一點啟發(fā)。三、貝爾-希拉操縱方式

9、的定量分析    在進行定量分析之前，我將貝爾-希拉控制過程分為兩類-微擾動過程和一般過程，目的是從易到難，逐個分析，從而簡化難度。從II中，我們已經(jīng)知道直升飛機的操縱主要過程是：小翼與空氣產(chǎn)生夾角小翼旋轉(zhuǎn)平面傾斜主旋翼與空氣產(chǎn)生夾角主旋翼旋轉(zhuǎn)平面傾斜。在某些情況下，比如陣風(fēng)對飛機干擾時，小翼旋轉(zhuǎn)平面的傾斜大大大于主旋翼平面的傾斜，所以我們就將主旋翼平面的傾斜忽略不計。這樣，只要研究小翼的運動而不必考慮主旋翼平面的轉(zhuǎn)動對小翼造成的影響。這樣分析是有益的，能讓我們方便地看清飛機在懸停時有風(fēng)的情況下的運動方式，以及諸如轉(zhuǎn)速、希拉小翼的質(zhì)量分布對飛機穩(wěn)定性的影響。首先將希拉小翼看作陀螺。如：希拉小翼：角動量為L          轉(zhuǎn)動慣量為I半徑為R    由舵機控制而轉(zhuǎn)過的角度或者機身由于擾動主旋翼平面與小翼的平面夾角（不是小翼旋轉(zhuǎn)平面）為（如圖）旋轉(zhuǎn)平面與主旋翼夾角為平面以X軸為軸的轉(zhuǎn)動角速率為主旋翼轉(zhuǎn)速為    對于同一級別的直升機，由于主旋翼轉(zhuǎn)速是固定的，希拉小翼的轉(zhuǎn)動慣