超导感应电力传动直升机是一种以超导感应电磁转矩进行传动的,安装主固定机翼和推进螺旋桨的刚性共轴反转双旋翼高速复合式直升机,其最根本、最重要的创新点在于动力装置:即用超导感应装置来代替传统复杂、笨重的齿轮式机械减速器,实现减速与功率传递的功能,具有结构简单、重量轻、无表面机械接触、传动可靠、操纵灵活、响应快、能量转化效率极高、无振动、无噪声、维护简便等等极其优异的特性,尤其适用于高速复合式直升机(单推进桨)和重型直升机(双拉进桨)。
超导感应电力传动的具体实现过程如下:首先并车减速器将涡轮轴发动机20000多转/分的转速降到2000多转/分,然后输出给仅有一对磁极转子的交流发电机发出三相交流电,紧接着再输入由多对磁极线圈组成的定子,与交流电动机的变极减速原理相同,磁极对数决定着减速比,在此一般为10对左右,定子即产生出一个200多转/分的圆形低速旋转磁场,旋转磁场内的超导体环(转子)再感应出电磁转矩,拖动安装着它的钛制轮架,继而带动与其相连的刚性旋翼低速旋转,以此来达到减速的目的,这时旋翼的转速很低,但力矩却非常大。实际上,其拖动原理与超导磁悬浮列车完全一样-----只不过磁悬浮列车是沿轨道铺设很多对磁极定子线圈,产生直线前进的行波磁场;而超导感应电力传动的大约十对磁极定子产生的则是圆形旋转磁场。至于驱动刚性共轴反转双旋翼,只不过是将三相交流电的任意两相调换,同步输入到上面另一组多对磁极线圈定子,该定子即产生反向的低速旋转磁场,感应驱动另一套超导体环/轮架,拖动下刚性旋翼反向等速旋转。
用于高速平飞的推进桨之传动原理与旋翼完全相同,只不过不需要那么大的减速比,因此其定子线圈的磁极对数就很少(2 ~ 3对),相应直径也很小。由于依靠电缆“柔性”传动,可以省略中间减速器、支撑与润滑等。
相比传统的齿轮式机械减速器,超导感应电力传动的显著优点是:a、 结构简单-----没有极端复杂的多级齿轮传动系,同时也省略了它们之间繁杂精密的配合、支撑、安装等等。b、 体积小,重量轻-----轻小的超导感应装置替代了笨重的大型主减速器。c、 传动灵活-----不象传统机械传动那样路径刻板,要求精密定位、苛刻的支撑与润滑等,可以实现灵活的“柔性”传动。d、 无表面机械接触-----没有齿轮之间的表面啮合,也就没有磨擦,即不需要相应的润滑和散热系统。e、 应力分散-----通过定子线圈与超导体环间的磁场相互作用来传递力矩,所以机械应力十分分散,没有齿轮啮合处极高的应力集中载荷!更没有发生齿轮散裂、崩落的致命危险,有效避免了机械主减速器极端恶劣的工况!f、 操纵灵活,响应快-----配合涡轮机的功率输出,仅仅调节发电机转子的励磁电流即可非常方便地实现离合、加减速等,另外电响应没有机械固有的惯性迟滞。g、 功率调配方便-----通过电功率调度单元,可以轻松实现旋翼和推进桨间功率的任意调度与分配,而纯机械的转换机构则极其复杂、笨重,任意调配更是不可能实现。h、 传动效率极高-----这也是转子采用超导体的最根本原因,因为其电磁感应效率非常高,能量转化的损耗极小;并且多对磁极定子线圈也使用很粗的电缆,长度尽可能得短,发热量可以忽略不计。i、 无振动、噪声-----没有机械主减速器很大的振动和噪声。j、 维护简便-----仅仅检查和补充超导体环浴氮舱中的液氮蒸发量。
基于电能极易控制的特性,采用先进的电功率调配单元,可根据实际任务的需要,轻松方便在旋翼和推进桨之间细腻、无级地调度与分配功率,从而获得最佳的飞行包线,这在纯机械的转换机构上几乎是不可想象的!直升机转入水平高速飞行后,主固定机翼产生的气动升力承担了大部分机体重量,三相交流电功率主要调配给推进螺旋桨,仅留一小部分维持刚性共轴反转双旋翼以最佳转速旋转,产生小部分升力。由于旋翼的转速大大降低了,所以也就大大推迟了前行桨叶激波的产生,这就意味着可以飞出更高的平飞速度!同时旋翼的空气阻力和气动噪声也都极大地减小了,如果在侦察或特种作战中,很容易达成战斗的突然性,同时大大提高了自身的生存概率。
超导感应电力传动直升机还具有机动性强、升限高、飞行包线广、留空时间长、航程远等优势,该技术将使直升机进入一个崭新的电力传动时代。
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2012.12.17
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