直升機(jī)飛行原理

1、直升機(jī)與旋翼機(jī)的飛行原理直升機(jī)的飛行原理1. 概況與普通飛機(jī)相比，直升機(jī)不僅在外形上，而且在飛行原理上都有所不同。一般來(lái)講它沒(méi)有固定的機(jī)翼和尾翼，主要靠旋翼來(lái)產(chǎn)生氣動(dòng)力。這里所說(shuō)的氣動(dòng)力既包括使機(jī)體懸停和舉升的升力，也包括使機(jī)體向前后左右各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力。直升機(jī)旋翼的槳葉剖面由翼型構(gòu)成，葉片平面形狀細(xì)長(zhǎng)，相當(dāng)于一個(gè)大展弦比的梯形機(jī)翼，當(dāng)它以一定迎角和速度相對(duì)于空氣運(yùn)動(dòng)時(shí)，就產(chǎn)生了氣動(dòng)力。槳葉片的數(shù)量隨著直升機(jī)的起飛重量而有所不同。重型直升機(jī)的起飛重量在20t以上，槳葉的數(shù)目通常為六片左右；而輕、小型直升機(jī)，起飛重量在1.5t以下，一般只有兩片槳葉。直升機(jī)飛行的特點(diǎn)是：(1) 它能垂直起降，

2、對(duì)起降場(chǎng)地要求較低；(2) 能夠在空中懸停。即使直升機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)空中停車時(shí)，駕駛員可通過(guò)操縱旋翼使其自轉(zhuǎn)，仍可產(chǎn)生一定升力，減緩下降趨勢(shì)；(3) 可以沿任意方向飛行，但飛行速度較低，航程相對(duì)來(lái)說(shuō)也較短。2. 直升機(jī)旋翼的工作原理直升機(jī)旋翼繞旋翼轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，每個(gè)葉片的工作類同于一個(gè)機(jī)翼。旋翼的截面形狀是一個(gè)翼型，如圖2.5.1所示。翼型弦線與垂直于槳轂旋轉(zhuǎn)軸平面(稱為槳轂 旋轉(zhuǎn)平面)之間的夾角稱為槳葉的安裝角，以j表示，有時(shí)簡(jiǎn)稱安裝角或槳距。各片槳葉的槳距的平均值稱為旋翼的總距。駕駛員通過(guò)直升機(jī)的操縱系統(tǒng)可以改變旋翼的總距和各片槳葉的槳距，根據(jù)不同的飛行狀態(tài)，總距的變化范圍約為2º14&

3、#186;。圖2.5.1 直升機(jī)的旋翼(a)(b)氣流V與翼弦之間的夾角即為該剖面的迎角a。顯然，沿半徑方向每段葉片上產(chǎn)生的空氣動(dòng)力在槳軸方向上的分量將提供懸停時(shí)需要的升力；在旋轉(zhuǎn)平面上的分量產(chǎn)生的阻力將由發(fā)動(dòng)機(jī)所提供的功率來(lái)克服。 旋翼旋轉(zhuǎn)時(shí)將產(chǎn)生一個(gè)反作用力矩，使直升機(jī)機(jī)身向旋翼旋轉(zhuǎn)的反方向旋轉(zhuǎn)。前面提到過(guò)，為了克服飛行力矩，產(chǎn)生了多種不同的結(jié)構(gòu)形式，如單槳式、共軸式、橫列式、縱列式、多槳式等。對(duì)于最常見(jiàn)的單槳式，需要靠尾槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的拉力來(lái)平衡反作用力矩，維持機(jī)頭的方向。使用腳蹬來(lái)調(diào)節(jié)尾槳的槳距，使尾槳拉力變大或變小，從而改變平衡力矩的大小，實(shí)現(xiàn)直升機(jī)機(jī)頭轉(zhuǎn)向(轉(zhuǎn)彎)操縱。3. 直升機(jī)旋翼

4、的操縱直升機(jī)的飛行控制與飛機(jī)的飛行控制不同，直升機(jī)的飛行控制是通過(guò)直升機(jī)旋翼的傾斜實(shí)現(xiàn)的。直升機(jī)的控制可分為垂直控制、方向控制、橫向控制和縱向控制等，而控制的方式都是通過(guò)旋翼實(shí)現(xiàn)的，具體來(lái)說(shuō)就是通過(guò)旋翼槳轂朝相應(yīng)的方向傾斜，從而產(chǎn)生該方向上的升力的水平分量達(dá)到控制飛行方向的目的。直升機(jī)體放在地面時(shí)，旋翼受其本身重力作用而下垂。發(fā)動(dòng)機(jī)開車后，旋翼開始旋轉(zhuǎn)，槳葉向上抬，直觀地看，形成一個(gè)倒立的錐體，稱為旋翼錐體，同時(shí)在槳葉上產(chǎn)生向上的升力。隨著旋翼轉(zhuǎn)速的增加，升力逐漸增大。當(dāng)升力超過(guò)重力時(shí)，直升機(jī)即鉛垂上升(圖2.5.2)；若升力與重力平衡，則懸停于空中；若升力小于重力，則向下降落。旋轉(zhuǎn)旋翼槳葉所

5、產(chǎn)生的拉力和需要克服阻力產(chǎn)生的阻力力矩的大小，不僅取決于旋翼的轉(zhuǎn)速，而且取決于槳葉的槳距。從原理上講，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和槳距都可以調(diào)節(jié)拉力的大小。但是旋翼轉(zhuǎn)速取決于發(fā)動(dòng)機(jī)(通常用的是渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)或活塞式發(fā)動(dòng)機(jī))主軸轉(zhuǎn)速；而發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速有一個(gè)最有利的值，在這個(gè)轉(zhuǎn)速附近工作時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)效率高，壽命長(zhǎng)。因此，拉力的改變主要靠調(diào)節(jié)槳葉槳距來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是，槳距變化將引起阻力力矩變化，所以，在調(diào)節(jié)槳距的同時(shí)還要調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)油門，保持轉(zhuǎn)速盡量靠近最有利轉(zhuǎn)速工作。直升機(jī)的平飛依靠升力傾斜所產(chǎn)生的水平分量來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，欲向前飛，需將駕駛桿向前推，經(jīng)過(guò)操縱系統(tǒng)，自動(dòng)傾斜器使旋翼各槳葉的槳距作周期性變化，從而改變旋翼的拉力方向，使

6、旋翼錐體前傾，產(chǎn)生向前的拉力(圖)，將直升機(jī)拉向前進(jìn)。圖2.5.2 直升機(jī)的飛行直升機(jī)的方向是靠尾槳控制的。欲使直升機(jī)改變方向，則需踩腳蹬，改變尾槳的槳距，使尾槳拉力變大或變小，從而改變平衡力矩的大小，實(shí)現(xiàn)機(jī)頭指向的操縱。通過(guò)與操縱系統(tǒng)的連接，旋翼葉片的槳距調(diào)節(jié)變化可以按兩種方式進(jìn)行。第一種方式是各葉片同時(shí)增大或減小槳距(簡(jiǎn)稱總距操縱，駕駛員通過(guò)總距操縱桿來(lái)操縱控制)，從而產(chǎn)生直升機(jī)起飛、懸停、垂直上升或下降飛行所需要的拉力。第二種方式是周期性調(diào)節(jié)各個(gè)葉片的槳距(簡(jiǎn)稱周期性槳距操縱)。比如打算前飛，就將駕駛桿向前推，推動(dòng)旋轉(zhuǎn)斜盤(也稱自動(dòng)斜傾器)傾斜，使各個(gè)葉片的槳距作周期變化。每個(gè)葉片轉(zhuǎn)到前

7、進(jìn)方向時(shí)，它的槳距減小，產(chǎn)生的拉力也跟著下降，該槳葉向上揮舞的高度也減?。环粗?，當(dāng)葉片轉(zhuǎn)到后方時(shí)，它的槳距增大，產(chǎn)生的拉力也跟著增加，該槳葉向上揮舞的高度也增大。結(jié)果，各個(gè)葉片梢(葉端)運(yùn)動(dòng)軌跡構(gòu)成的葉端軌跡平面或旋翼錐體，將向飛行前進(jìn)方向傾斜，旋翼產(chǎn)生的總拉力也跟著向前傾斜，旋翼總拉力的一個(gè)分量就成為向前飛行的拉力，從而實(shí)現(xiàn)了向前飛行。圖2.5.4 周期變距圖解圖2.5.3 旋翼操縱機(jī)構(gòu)2.5.2 直升機(jī)的構(gòu)型變化直升機(jī)旋翼的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生了升力的同時(shí)，空氣對(duì)旋翼的反作用也形成了一個(gè)與旋翼旋轉(zhuǎn)方向相反的作用力矩，驅(qū)使直升機(jī)的機(jī)體反向旋轉(zhuǎn)，這就是所謂的直升機(jī)力矩及力矩平衡問(wèn)題。較早致力于力矩和力矩平

8、衡方面研究的是德國(guó)人貝納恩(BRBeenal)和阿赫班奇(Achenbach)。他們兩人分別于1897年和1874年提出安裝一個(gè)尾槳來(lái)平衡直升機(jī)旋翼產(chǎn)生的反向力矩的方案。通過(guò)安裝尾槳，可產(chǎn)生一個(gè)平衡力矩，以抵消旋翼力矩，保證直升機(jī)的平衡飛行。實(shí)際上這就是后期發(fā)展成熟的單槳式直升機(jī)的萌芽。此后，許多直升機(jī)事業(yè)的先驅(qū)者都試圖研究并解決飛行力矩問(wèn)題，運(yùn)用兩個(gè)或更多的旋翼來(lái)克服飛行力矩，其原理是使這些旋翼以相反的方向旋轉(zhuǎn)，使各自的飛行力矩彼此抵消保證平衡。探索的結(jié)果導(dǎo)致了直升機(jī)幾種不同的結(jié)構(gòu)形式：?jiǎn)螛?、共軸式、橫列式、縱列式、多槳式等的問(wèn)世。 單槳式成為后來(lái)實(shí)用直升機(jī)的主要形式。這種形式最早出現(xiàn)于1

9、874年，是阿赫班奇設(shè)計(jì)的。這架水蒸氣機(jī)驅(qū)動(dòng)的直升機(jī)包含一個(gè)舉力旋翼和一個(gè)推進(jìn)式螺旋槳，一個(gè)方向舵和一個(gè)尾槳。這是用尾槳平衡直升機(jī)力矩的第一架直升機(jī)。共軸式結(jié)構(gòu)是在同一個(gè)軸上安裝兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向相反的旋翼，這樣兩旋翼所產(chǎn)生的力矩就彼此抵消了。早期直升機(jī)多采用這種結(jié)構(gòu)形式，其最早的設(shè)計(jì)是布萊特于1859年作出的。由于動(dòng)力的緣故，這架直升機(jī)沒(méi)有進(jìn)行過(guò)試驗(yàn)。早期取得一定成功的共軸式直升機(jī)是美國(guó)人埃米爾·貝林納(EBeliner)于1909年設(shè)計(jì)的。他的直升機(jī)安裝了兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，與共軸的旋翼相連。旋翼采用堅(jiān)硬的木質(zhì)槳葉，通過(guò)傾斜整個(gè)族翼及部分機(jī)身來(lái)達(dá)到控制。這架直升機(jī)成功地飛行了三次。圖2.5.5

10、 直升機(jī)的構(gòu)型(a) 單旋翼直升機(jī) (b) 共軸雙旋翼直升機(jī) (c) 縱列雙旋翼直升機(jī) (d) 橫列雙旋翼直升機(jī)縱列式結(jié)構(gòu)是通過(guò)沿身體前后排列的兩個(gè)旋向相反的旋翼，來(lái)克服直升機(jī)的力矩的。1907年，法國(guó)人泡特·科努(PComu)制造了一個(gè)外形結(jié)構(gòu)與縱列式結(jié)構(gòu)非常相似的直升機(jī)，并成功地進(jìn)行了它行試驗(yàn)，但這種結(jié)構(gòu)在早期發(fā)展的直升機(jī)中較多采用，主要原因是機(jī)身長(zhǎng)，重心變化范圍大，穩(wěn)定性差。橫列式結(jié)構(gòu)是通過(guò)沿機(jī)體橫向左右排列的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向相反的旋翼來(lái)克服直升機(jī)力矩的。這種結(jié)構(gòu)的直升機(jī)最早出現(xiàn)在1908年與1909年間，是由美國(guó)人貝林納設(shè)計(jì)制造的。它將兩個(gè)旋翼并排安裝在機(jī)翼兩端，通過(guò)傾斜整個(gè)旋翼

11、及部分機(jī)身實(shí)現(xiàn)飛行控制。同樣，這種結(jié)構(gòu)形式后來(lái)也較少采用。多槳式結(jié)構(gòu)一般用于大型直升機(jī)上，它運(yùn)用三個(gè)或更多的旋翼。在早期的研究中，這種型式運(yùn)用較多。法國(guó)的孔薩斯于1845年設(shè)計(jì)的直升機(jī)就是這種直升機(jī)最早的代表。它以蒸氣機(jī)為動(dòng)力，有一個(gè)主旋翼和兩個(gè)分別用于控制和推進(jìn)的副旋翼。由于這種結(jié)構(gòu)形式比較復(fù)雜，所以后來(lái)沒(méi)有得到采用。2.5.3 旋翼機(jī)的飛行原理從外形看，旋翼機(jī)和直升機(jī)幾乎一模一樣：機(jī)身上方安裝有大直徑的旋翼，在飛行中靠旋翼的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生升力。但是除去這些表面上的一致性，旋翼機(jī)和直升機(jī)卻是兩種完全不同的飛行器。 旋翼機(jī)實(shí)際上是一種介于直升機(jī)和飛機(jī)之間的飛行器，它除去旋翼外，還帶有推進(jìn)螺

12、旋槳以提供前進(jìn)的動(dòng)力，有時(shí)也裝有較小的機(jī)翼在飛行中提供部分升力。旋翼機(jī)的旋翼不與發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)相連，在旋翼機(jī)飛行的過(guò)程中，由前方氣流吹動(dòng)旋翼旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生升力，是被動(dòng)旋轉(zhuǎn)；而直升機(jī)的旋翼與發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)相連，既能產(chǎn)生升力，又能提供飛行的動(dòng)力，是主動(dòng)旋轉(zhuǎn)。在飛行中，旋翼機(jī)同直升機(jī)最明顯的分別為：直升機(jī)的旋翼面向前傾斜，而旋翼機(jī)的旋翼則是向后傾斜的。由于旋翼機(jī)的旋翼為自轉(zhuǎn)式，傳遞到機(jī)身上的扭矩很小，因此旋翼機(jī)無(wú)需單旋翼直升機(jī)那樣的尾槳，但是一般裝有尾翼，以控制飛行。 有的旋翼機(jī)在起飛時(shí)，旋翼也可通過(guò)“離合器”同發(fā)動(dòng)機(jī)連接，靠發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生升力，這樣可以縮短起飛滑跑距離。等升空后再松開離合

13、器隨旋翼在空中自由旋轉(zhuǎn)。 旋翼機(jī)飛行時(shí)，升力主要由旋翼產(chǎn)生，固定機(jī)翼僅提供部分升力。有的旋翼機(jī)甚至沒(méi)有固定機(jī)翼，全部升力都靠旋翼產(chǎn)生。旋翼機(jī)的飛行原理和構(gòu)造特點(diǎn)決定了它的速度慢、升限低、機(jī)動(dòng)性能較差，但它也有著一些優(yōu)點(diǎn)：(1)安全性較好；(2)振動(dòng)和噪音小；(3)抗風(fēng)能力較強(qiáng)。由于旋翼機(jī)的旋翼旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力是由飛行器前進(jìn)而獲得，如果發(fā)動(dòng)機(jī)在空中停車，旋翼機(jī)仍會(huì)靠慣性繼續(xù)維持前飛，并逐漸減低速度和高度，高度下降的同時(shí)，自下而上的相對(duì)氣流可以為維持旋翼的自轉(zhuǎn)，從而提供升力。這樣，旋翼機(jī)便可憑飛行員的操縱安全地滑翔降落。即使在飛行員不能操縱，旋翼機(jī)失去控制的特殊情況下，也可以較慢速度降落，因而

14、是比較安全性的。當(dāng)然，直升機(jī)也是具備自轉(zhuǎn)下降安全著陸能力的。但它的旋翼需要從有動(dòng)力狀態(tài)過(guò)渡到自轉(zhuǎn)狀態(tài)，這個(gè)過(guò)渡要損失一定高度。如果飛行高度不夠，那么直升機(jī)就可能來(lái)不及過(guò)渡而觸地。旋翼機(jī)本身就是在自轉(zhuǎn)狀態(tài)下飛行的，不需要進(jìn)行過(guò)渡，所以也就沒(méi)有這種安全轉(zhuǎn)換所需的高度約束。 由于旋翼機(jī)的旋翼是沒(méi)有動(dòng)力的，因此它沒(méi)有由于動(dòng)力驅(qū)動(dòng)旋翼系統(tǒng)帶來(lái)的較大的振動(dòng)和噪音，也就不會(huì)因這種振動(dòng)和噪音而使旋翼、機(jī)體等的使用壽命縮短或增加乘員的疲勞。旋翼機(jī)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)螺旋槳對(duì)結(jié)構(gòu)和乘員所造成的影響顯然比直升機(jī)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)旋翼要小得多。另外，旋翼機(jī)還有一個(gè)很可貴的特點(diǎn)，就是它的著陸滑跑距離大大短于起飛滑跑距離，甚至可以不需滑跑，就地著陸。旋翼機(jī)的抗風(fēng)能力較高，而且在起飛時(shí)，風(fēng)有利于旋翼的起動(dòng)和加速旋轉(zhuǎn)，可以縮短起飛滑跑的距離，當(dāng)達(dá)到足夠大的風(fēng)速時(shí)，一般的旋翼機(jī)也可以垂直起飛。一般來(lái)說(shuō)，旋翼機(jī)的抗風(fēng)能力強(qiáng)于同量級(jí)的固定翼飛機(jī)，而大體與直升機(jī)的抗風(fēng)能力相當(dāng)，甚至“在湍流和大風(fēng)中的飛行能力超出直升機(jī)的使用