最优转速旋翼测试

 

变转速是个好技术，IBC同样也是个好技术，这些技术都是基于过去长期旋翼机项目而积累的。如果eVTOL未来要做大，除了变转速外，IBC会是一个更加关键的细节技术。

创新是什么，单纯宣传的技术概念肯定不能叫创新，大量的测试也仅仅只是必要的过程。

 

首发，《VTOL技术和商业变革基础课程》；

 

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OSTR技术描述

 

自1978年以来，随着XV-15项目的发展，倾转旋翼机解决了速度限制问题，为同时需要速度和垂直起降功能提供了解决方案。Karem的最优速度倾转旋翼机的动机是解决包括XV-15和鱼鹰剩余的缺点，为快速垂直起降提升效率、简单性、噪音和安全性。

 

 

最优速度倾转旋翼机（OSTR）既是一种构型配置，也是一系列技术的集成，下表列出了OSTR标志性的创新，使OSTR具有最明显的功能是能够在大范围的旋翼转速下运行。

 

OSTR关键技术创新

 

 

除了OSTR的核心特定创新之外，还有几个额外的设计元素有助于整个飞机及其与未来垂直飞行应用的相关性，下图显示了与完成任务的传统旋翼机相比有哪些新功能。

 

 

OSTR创新技术的采纳和分布

 

旋翼效率，OSTR的旋翼速度变化解决了传统倾转旋翼在悬停和巡航性能之间面临的旋翼设计冲突。OSTR提供了针对所有条件同时优化的单旋翼设计，具有在不同飞行条件下改变旋翼速度的能力。由此产生的旋翼重量轻、强度高，机械部件比传统直升机或倾转旋翼更简化。

 

性能，OSTR增强的旋翼效率和其他集成技术提供了超越传统旋翼机的性能。OSTR飞机比传统系统飞得更高、更快、更远，具有更高的有效载荷比，在高温条件下也能更好地悬停。由于OSTR飞机像低阻力涡轮螺旋桨飞机一样巡航，因此与标准倾转旋翼或单旋翼直升机相比，需要更少的功率（更小的发动机，更低的燃料消耗）。OSTR飞机实现了显著的声学特征降低，因为旋翼叶尖速度更慢。


 

OSTR生存能力和耐撞性，OSTR的高空高速巡航使任务巡航段超出了大多数地面威胁的范围，也远离了多变的天气。防撞功能包括一个加压舱，为乘客提供坚固的保护；客舱顶部没有重型机械；机翼设计在根部剪切，使短舱和旋翼能够在不通过机舱结构传递载荷的情况下撞击地面；用于快速出口的大型后舱门（与CH-47相同）。


 

可维护性，旋翼桨毂和驱动部件是所有旋翼飞机中最具机械挑战性的部件。OSTR整机通过革命性的集成桨毂/驱动线可更换单元（LRU）简化了维护和备件支持，允许在现场快速拆卸/更换操作，只需最少的拆卸，并且不会破坏任何润滑或冷却系统密封。与其他旋翼机相比，发动机在机翼状态工作的时间更长，减少了高功率下的工作时间。

 

 

 

 

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OSTR旋翼描述

 

OSTR旋翼系统解决了倾转旋翼设计中的一个基本挑战，即直升机模式下旋翼和飞机模式下旋翼的竞争设计驱动因素。通过推力/功率测量的悬停效率与桨盘载荷的平方根成反比；作为响应，理想情况下，旋翼具有较低的桨盘载荷和几乎均匀的流入分布，这两者都受到叶片扭曲、锥度、翼型形状、直径和旋翼速度选择的影响。相比之下，飞机模式下的高效飞行将以高的飞机升阻比为标志，对于典型的OSTR飞机，可能高达18:1，表明飞机模式运行所需的推力减少了18倍。由于这个原因，设计用于直升机运行的叶片具有扭曲、翼型、锥度和转速的旋翼系统将和螺旋桨的效率不匹配，因此燃料消耗也不匹配，并且设计为巡航飞行的旋翼将与传统直升机旋翼的效率不相匹配。

 

OSTR旋翼改变速度，在每种飞行条件和模式下最大限度地提高效率

 

 

 

上图截面翼型的升力/阻力比作为翼型升力系数的函数而变化，每个翼型都有一个在特定升力系数下实现的最大升阻比。OSTR使设计人员能够在倾转旋翼运行期改变旋翼的速度，以更好地选择叶片的有效升力系数和旋翼的推力系数。随着转速的不断变化，这种调整不仅可以在直升机和飞机模式之间发生，甚至可以在每种运行模式下所有飞行条件下使用。通过改变旋翼速度的能力，叶片的扭曲、锥度和翼型几何形状可以与传统倾转旋翼实现不同地设计，并且可以调整叶尖速度以改变每个飞行条件下的叶片截面升力，从而允许旋翼在直升机和飞机模式下以更有效的推力系数运行。

 

 

坚固、轻便的叶片设计解决了传统直升机无法改变旋翼速度的动力学问题。此外，还允许使用更高的展弦比机翼，从而提供更高效的飞机能力。传统的倾转旋翼飞机易受涡流颤振的影响，这是一种由机翼结构动力模式与叶片和旋翼模式耦合引起的气弹不稳定性。旋翼非常低的重量和惯性，再加上叶片模态的高固有频率，大大提高了OSTR飞机的涡颤振稳定性。再加上机翼的刚性、轻质复合材料结构，OSTR旋翼比传统的倾转旋翼具有更高的展弦比，从而实现更高的巡航升阻比。

 

刚性、无铰接的设计还允许更大的桨毂力矩，提供更大的控制权限和机动性，同时需要更小的尾翼，进一步提高空气动力学性能。此外，无铰接旋翼允许通过相反的桨毂力矩来提高效率，在倾转旋翼上有两个旋转方向相反的无铰接旋翼时，力矩会抵消，通过对前进的叶片施加更高、更有效的载荷，而不会对后退的叶片施加过大或低效的载荷，从而实现更好的升力性能和效率。

 

 

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OSTR开发和测试

 

 

Karem 36英尺直径OSTR供试品

 

在该项目中，Karem 飞机公司进行了全尺寸OSTR旋翼系统的演示。通过收集低和高输入功率水平下的旋翼系统性能和动力学数据，测试团队已经完成了许多关键测试条件，探索OSTR配置的能力。

 

具体成就包括：支持OSTR测试计划所需的所有机舱组件和子系统的成功集成。包括桨毂驱动线可更换单元（LRU）、独立桨叶控制（IBC）执行器、桨毂发电、集成润滑系统、机舱航空电子设备、刚性旋翼系统和完整的机舱结构。旋翼系统在低于飞机旋翼系统正常运行包线50%至100%的全转速范围内运行。由完全集成到机舱中的燃气轮机发动机驱动的高功率条件，以及由500马力电机试验台驱动的低功率条件，从而能够进行初始构建和系统性能验证。IBC成功应用于总距和周期变距推进旋翼叶片驱动以及旋翼系统性能、动力学和控制有效性数据的收集。包括在与飞行相关的总距和周期变距范围内，在与操作相关的旋翼速度的大范围内进行扫掠。双速变速箱在低速和高速档位配置下均能成功运行。通过实时IBC致动器偏移和旋翼旋转来演示桨距力矩偏移校正。这一过程与传统旋翼机上使用的旋翼跟踪和平衡过程相似，是提高旋翼机可靠性、可维护性和生存能力的潜在突破。通过IBC驱动实现的高阶谐波分量（2P-5P）旋翼控制。桨毂力矩控制（MMC）的探索，用于机动和阵风响应的旋翼力矩直接控制。

 

已经探索了一大组RPM、总距和周期变距条件，以验证OSTR在指定旋翼速度范围内的运行，并与预测性能相关联。下表总结了测试条件的范围。

 

SRT测试矩阵