目前，大载重单旋翼无人直升机的桨叶系统市场选择的空间较小，大部分桨叶均是某个型号专用的桨叶，互换性较低，桨叶产品独立性较低。因此，根据某型单旋翼无人直升机升机动力系统的更换，需要重新定义设计与发动机相匹配的旋翼桨叶，才能使得整机性能最大化，复合材料桨叶的设计参考原有桨叶进行，其组成主要有大梁、蒙皮、后缘条、桨叶内腔泡沫填充、配重等结构组成[2]。其中，大梁是主要承力件。蒙皮是次要承力件。根据原有的旋翼桨叶成型工艺与配置方式，通过优化迭代桨叶结构、气动效率、旋翼动特性等重要参数进行优化设计。
2.1总体参数
跷跷板式旋翼桨毂，两片桨叶共用一个水平铰，没有垂直铰，仍然有轴向铰[3]。两片桨叶的离心力在中心水平铰处平衡，水平铰不承受离心力，其轴承载荷大大减轻。为降低一阶挥舞运动导致的摆振面一阶谐波哥氏力，采用悬挂式结构，即共用的水平铰比两片桨叶轴线的交点高出一个距离；为充分利用离心力的卸载作用，桨毂设有结构预锥角，即两片桨叶不在同一条直线上，而是上跷一个角度[4]。
2.2结构设计
桨叶采用金属桨叶，其组成形式以及接口尺寸如图 1 所示。其组成由典型的铝合金蒙皮和 C 形的铝合金梁组成。在桨叶根部桨柄处，采用 C 形梁和铜合金桨根加强件对桨柄和桨根进行加强，在桨叶桨填充特定泡沫。在桨尖和桨根均用铝合金封块与蒙皮机械连接。为使得配对的两副旋翼具有较好的动平衡，在桨尖 C 形梁槽内，固定铜合金配重块进行调节。
旋翼系统的旋翼半径R 为 2.8m。桨叶翼型布置为7.5%R（220mm）~1R，桨叶厚度为 0.71%R 的翼型，采用等弦长设计其弦长为 176mm 且无扭转角，桨尖形式为矩形桨尖，翼型截面如图 3。桨叶结构参数采用专用设计软件 Bladesign 进行计算，需要选取桨叶 4 处剖面分别进行计算。其中桨叶中段典型剖面计算结果见表2。桨叶的结构刚度为动力学校核计算提供了设计输入，桨叶动力学计算软件采用直升机专用设计软件CAMRAD II 计算。
5.1旋翼动特性
旋翼动特性计算状态为额定转速，中立总距 5°，不考虑操纵线系刚度，结果见表 4。
从表 4 结果可看出，除挥舞三阶（周期型）固有频率对应的值为4.933不符合设计要求，但已接近50Hz 的高频，一般振动要求范围在 45Hz 以上可不做要求；为考虑操纵线系刚度对旋翼扭转一阶固有频率的影响，进行灵敏度分析计算，结果见表 5。
从桨叶操作线系刚度表可以看出，由于桨叶的扭转刚度较大，扭转一阶固有频率很高，即使在很低的操纵线系刚度 500000N/m，扭转一阶固有频率对应值也是6.5 以上；在操纵线系刚度的估算值2600000N/m，扭转一阶固有频率对应值约为 7.64，也较好避开了气动力 8Ω 谐波,不会引起操纵系统大的振动。
由于桨叶的摆振刚度较大，摆着二阶固有频率很高 [8]。在操纵线系刚度的估算值 40095Nm/rad，摆振二阶固有频率从 9.955 下降为 6.824，说明旋翼轴的刚度较小，对摆振二阶频率影响较大，但有效避开了旋翼通过频率 6Ω，不会引起扭振系统大的强迫振动。
综上所述，本文基于某型号无人直升机平台的旋翼系统，对直升机旋翼桨叶进行了气动仿真计算并结合发动机分析其悬停效率，通过动特性试验，验证了仿真计算的正确性，为桨叶动力学计算提供了正确的依据，通过动力学计算，验证了该旋翼桨叶的设计合理性。
参考文献
[1] 金鑫 . 倾转三旋翼飞行器动态特性分析与非线性控制研究[D].天津 : 天津大学 ,2017
[2] 崔攀奎 . 基于模糊系统的桨叶结构故障诊断研究 [D].南京 :南京航空航天大学 ,2013
[3] 朱清华 . 自转旋翼飞行器总体设计关键技术研究 [D].南京 :南京航空航天大学 ,2007
[4] 唐晓波 . 小型无人直升机桨叶接头强度及模态分析 [J].机械工程师 ,2013(7)105-107.[5] 何雨薇，李亚林，郑隆乾.小型无人直升机桨叶接头强度及模态分析 [J].中国科技博览 ,2015(8)100-102.
[6] 刘湘一，李文辉，胡国才.复合材料桨叶固有特性计算与试验研究 [J].海军航空工程学院学报 ,2009(3)245-247,254.
[7] 黄珺，刘伟光，沈亚娟.考虑旋翼轴刚度的孤立旋翼固有特性计算 [J].直升机技术 ,2007(3)58-60.
[8] 周景良.无减摆器旋翼桨叶的气弹耦合设计 [D].南京 : 南京航空航天大学 ,2010.