槳葉面

直升機複合材料槳葉是一種細長的複雜結構，通常由蒙皮、 大梁、 肋、 後緣條、 配重以及填充物等多種組件構成。其中蒙皮是由多個鋪層按槳葉剖面由外到內的順序鋪疊而成， 它主要承擔並傳遞槳葉所受的扭矩以及揮舞、 擺振彎矩， 對槳葉剖面特性有重大影響， 並且能與肋構成單閉腔或多閉腔抗扭盒形結構， 提供槳葉扭轉剛度； 大梁主要承受槳葉的離心力與揮舞和擺振彎矩， 並傳遞給旋翼槳轂， 它是提供槳葉拉伸和彎曲剛度的主要構件， 併為槳葉的扭轉剛度做出一定貢獻； 配重通常是起到調整槳葉動力學特性和調整弦向重心的作用； 後緣條能夠有效地調整槳葉剖面擺振彎曲剛度； 填充物對蒙皮起支撐作用。 由此可以看出複合材料槳葉結構複雜， 各組件對槳葉特性都產生較大的影響， 因此如何精確地獲得各組件的幾何外形信息對槳葉結構分析計算十分重要 ^[3]  。

複合材料槳葉結構設計的主要內容是在空氣動力學設計確定的槳葉外形條件下，按槳葉總體設計要求及準則進行選材、 結構佈局與構型設計，確定槳葉的整體結構尺寸參數和各組件的結構參數。 槳葉結構分析包含槳葉剖面特性分析和整體結構參數分析． 通過槳葉的結構特性分析、 動力學特性及其他學科分析， 確保設計出的槳葉結構滿足剛度、 強度、 動力學和疲勞壽命等方面的要求。由槳葉面的設計流程可知， 在槳葉結構設計反覆修改完善的過程中， 包括剖面扭轉剛度在內的結構特性分析往往要重複多次進行， 而且其計算結果又是槳葉動力學分析的基礎， 因此槳葉結構分析的精度和效率對槳葉設計至關重要 ^[3]  。

高速旋轉的螺槳動態模型流場顯形實驗，國內尚未見有報導。 據參考文獻報導，Machen superstar 螺槳作流場顯形時用熒光微絲法。 熒光微絲用粘合劑粘貼在需要流場顯形的部位，它在強大紫外線光源的照射下，熒光微絲髮出熒光 , 其亮光體積比原絲體積可放大10～ 20倍 [2 ]，然後用閃光測頻儀和照相機拍攝 , 可得到清晰的流場顯形圖象。但這種方法的困難是紫外線光源的照度。 例，在風洞中的靜止模型，其光源是脈衝氦氖閃光燈，每脈衝具有 2000 J的電能，其延續時間約 5ms, 要製造這樣強的紫外線光源是比較花錢費時的。至於微絲在氣動力、 離心力的聯合作用下，能顯示旋轉槳葉葉面氣流流態的論證在文獻中已有分析論述 ^[4]  。

其次是用 “油漆流動” 技術。在螺槳葉面上以紅色油漆塗底層 , 白漆塗外層 , 然後使螺槳工作在所需要的狀態。 螺槳上游的噴霧器接通後產生油狀液態脂粒子云霧 [dioctyl-ph thalate簡稱 ( DO P) ],碰打在旋轉槳葉上。試驗約 30分鐘後引起表層油漆稀釋流動 ,剝蝕了 DO P流過的外層白漆 , 顯出底層紅漆 , 刻畫出在槳葉表面變化結果形成的氣流流態。 由於這種噴塗油漆方案要污染螺槳、 發動機及其後的機翼機身等而未予採用 ^[5]  。

一個模型螺槳的流場在軸向和徑向平面的流動模型。 當螺槳在旋轉而未飛行狀態下用激光測速儀測得的結果 ,發現在槳葉尖部有明顯的氣流分離和反向流動區域存在，其軸向速度不穩定度的大小也與分離和反流區的強弱相對應 ^[2]  。

曾設想採用日本 “ N AC E- 10高速攝影機” 進行拍攝，並作過這方面的探討。利用北京航空航天大學蜜蜂三號飛機的發動機螺槳，在槳尖區域葉面部分粘貼上反差較強的絲線，攝影機鏡頭距螺槳旋轉平面分別為 25m、35m、 11m，螺槳轉速達 2290r /min左右，螺槳直徑 DP為 1. 727m，此時 ，槳尖切線速度接近到 207m /s。 蜜蜂三號飛機的發動機運轉多次，經檢查粘貼於螺槳上的絲線牢固完好，沒有一根斷落現象，但 N AC E- 10高速攝影機在強烈陽光下所拍攝的膠片模糊不清。 估計是相機曝光時間和光源弱的問題。 因若每秒攝幅少，則每幅膠

片曝光時間長，照出的線可能是一個面，即動線成面，螺槳更會移過一個距離，當然看不到東西；若每秒攝幅多，則每幅膠片曝光時間短，光線顯得不充足，膠片感光效果不好，仍然照不出來。從理論上講，F- 10攝影機的速度應該是可以的，但要拍攝清晰度好的照片，需要解決一套從遠處照射的強大光源問題，費用較貴，所以沒有采納用方案 ^[2]  。

還有陰影攝影法也曾與 701所和華東工學院研究用小模型先試攝。 特別是華東工學院李鴻志教授等研製的高速攝影機用陰影法拍攝，速度高達每秒 180～ 200萬次 ，如用此法拍攝螺槳，則螺槳的陰影實物像可拍得很清楚，但槳葉葉面上絲線的流動方向還是拍不清 ^[2]  。

採用了在螺槳葉面上粘貼絲線，在強烈陽光照射下，用 “圖象消轉儀” 和普通相機(美能達 ) 配合的方法，拍攝氣流流過槳葉葉面的流動情況。 “圖象消轉儀” 是用特製的光學稜鏡系統，將光學稜鏡安裝在合金鋼座子裏作高速旋轉，要求其旋轉光軸與被拍攝旋轉體同心，並且旋轉方向相同。只要控制兩者旋轉角速度之比為 1：2時，就可得到清晰而穩定的旋轉體的連續凍結圖象。 從而可對旋轉體 (即螺槳 ) 進行實時動態觀察或拍攝紀錄 ^[2]  。

為了把螺槳葉面流場顯形作得真實一些 ，因此選擇某飛機原型螺槳作為實驗拍攝體，而且要求在某飛機的起飛爬升真實狀態進行空中拍攝。 但技術複雜，難度太大，涉及面廣，費用昂貴 (每架次飛機起落，經費需一萬多元 )，而且不安全。因此，為了慎重和穩定可靠起見，選擇了某飛機當飛行速度 v= 0時 (即飛機原地不動 )，起動發動機至起飛爬升工作狀態，以此時旋轉的原型螺槳作為實驗的拍攝體。 由於這架飛機槳葉本身為蘭黑色，葉尖為黃色，為了保證照相時的反差大，故貼上白絲線。但幾次拍照，槳尖照片不清晰，後把絲線貼上後，將槳尖用墨汁塗成黑色，這樣拍出來的槳尖照片就可看到絲線了。為了保證不污染飛機和螺槳，絲線是用透明膠紙粘貼於槳葉上，但經幾次運轉證明，由於旋轉時氣動力和離心力的原因，粘貼的膠紙被吹掉，絲線被氣流剪斷，特別從葉尖到葉根約 1 /4葉展長的一段上尤甚，證明此區域流場相當複雜，其它地方比較完好。 為了克服這個缺點，引用進口雙面膠紙帶和尼龍絲線，這樣就解決了剪線和掉紙帶的問題。尼龍線長度約 35～ 40mm，兩線之間間隔約 45 ～ 50mm，線的長度方向，一葉與槳葉展向平行，一葉與槳葉展向垂直。從實驗結果拍攝的照片來看，絲線長度方向與槳葉展向垂直者比較合理一些 ^[2]  。

從圖《槳葉面尖部區域流譜圖》可以看出，在槳葉根部到葉尖約4 /5長度的部分，絲線在氣動力和離心力的作用下與槳葉剖面絃線成一角度的方向傾斜向後。而在葉尖約 1 /5展長的區域內，有少量幾排的絲線傾斜向前。 絲線之所以形成這樣，估計在葉尖五分之一展長區域內，可能有氣流分離和反向環流存在，因而形成流線有反方向的流動。 在葉尖區域捲起渦旋，引起分離和流動損失，甚至產生負拉力。 若在起飛時控制欠佳，產生負拉力嚴重，就有可能使飛機下降墜毀。 上述現象可能是影響螺槳在起飛時效率降低的原因之一 ^[2]  。

在某飛機螺槳上用絲線作流場顯形的結果與文獻螺槳的熒光微絲顯形比較，在槳葉面由根到尖的五分之四部分，其流向基本上是一致的， 即由前沿向後沿與絃線方向傾斜某個角度流動 ^[2]  。

在槳葉尖部五分之一區域出現葉面氣流分離與倒流現象，雖與熒光微絲法拍攝片略有位置的差異，可能是與狀態不同有關，但均存在氣流分離現象是一致的 ^[2]  。

螺旋槳槳葉面尖部產生渦流分離，甚至出現反向環流現象，從而產生負拉力使螺槳效率明顯下降，嚴重時，會使起飛拉力不夠，導致飛機墜落 ^[2]  。