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直升机的飞行原理

直升机作为一种特殊的飞行器,其升力和推力都是通过螺旋桨(主旋翼)的旋转获得的,这一推一拉的劲儿,既是直升机完成起降、平飞等动作的力量来源和有效保证,也是它区别各类固定翼飞机的明显标志。

从根本上说,固定翼飞机的飞行,完全是通过对各部位机翼状态的调节,使机身周围出现一定的气压差来完成各类飞行动作,并且其发动机只能提供向前的推力;而从直升机的动力和操作系统看,其根本不需要普通飞机那样的巨大机翼,相反只要有了主副螺旋桨(主旋翼与尾旋翼),其飞行便有了基本保障。

如此比较,直升机的飞行特点可谓一目了然:

①可垂直起降,对着陆场的要求较低;②可在空中悬停,即使直升机的发动机在空中停车时,驾驶员通过操纵旋翼使其自转,仍可产生一定升力,减缓下降趋势;③能沿任意方向飞行;④飞行速度低,航程较短。

1.直升机飞行操作原理

(1)如何起飞?

一般而言,直升机在地面停放的时候,其旋翼的桨叶往往会由于自身的重量呈自然下垂状态,一旦直升机开始飞行,其旋翼就会不停地旋转。此时空气流过桨叶上表面,流速加快,流管变细,压力减小。当空气流过桨叶下表面时,流速变慢,流管变粗,压力增大。这样一来桨叶的上下表面就形成了空气压力差,从而在桨叶上产生一个向上的拉力。当然,这个拉力的大小很容易受到外部因素的影响,比如空气密度、机翼的大小和形状、桨叶与气流相遇时的角度,还有和气流的相对速度等。所以,可以说各桨叶的总拉力等于旋翼的拉力。

直升机飞行控制原理

另外,直升机飞行时,旋翼的桨叶会形成一个带有一定锥度的底面朝上的大锥体,这便是人们所说的旋翼锥体。旋翼的拉力垂直于旋翼锥体的底面,当向上的拉力大于直升机自重,直升机就上升;小于直升机自重,直升机就下降;刚好相等,直升机就悬停。

因此,可以说只要控制了旋翼锥体向前后左右几个方向的倾斜,就可以改变旋翼拉力的方向,从而实现直升机向不同方向的飞行。

(2)如何转向?

当直升机驱动旋翼旋转时,旋翼必然对直升机产生一个反作用力矩,如果只有一个旋翼,没有其他措施,直升机机体就会与旋翼一起“共舞”。在舞场上这是必须的,但在直升机上出现这种状况就是机毁人亡。

怎么办呢?为此设计者想了很多控制反作用力矩的方法。比如按照左右并排、前后纵列、上下共轴、交叉互切等布局给直升机装上两个大小相等、旋转方向相反的旋翼来抵消相互的反作用力矩;再比如用喷气引射和主旋翼下洗气流的有利交互作用来抵消反作用力矩,但是最简单的还是在机尾装一个垂直旋转的小旋翼,称之为尾桨,通过或“拉”或“推”的方式抵消反作用力矩,这也是现代大多数直升机普遍采取的方式(注:本文在探讨有关问题时,除特殊说明外,均是指这种单旋翼带尾桨的直升机)。通过控制尾桨“拉力”或“推力”的大小,可以达到使直升机偏转的目的,从而实现直升机的转向。

(3)如何上升?

旋翼旋转时做圆周运动,由于半径关系,桨叶尖处线速度很大,而桨叶靠近圆心处的根部线速度很小,几乎为零,所以单片桨叶上各处产生的升力并不相同,靠近桨叶尖的地方产生最大的升力,而靠近根部的地方只产生很小的升力。

(4)如何平飞?

当直升机前进时,旋翼中的前行桨叶(向机头方向转动的桨叶)的相对气流速度高于后行桨叶(向机尾方向转动的桨叶)的相对气流速度,其产生的升力也大于后行桨叶,这就造成两侧升力的不均,从而可以向前平飞。

复杂的直升机主悬翼绞盘

(5)靠什么保持平衡?

如果桨叶和桨毂刚性连接,一方面桨叶上不均的升力会使桨叶产生强烈的扭曲,既会加速桨叶材料的疲劳,又容易引起振动;另一方面旋翼两侧升力的不均衡会使机体失去平衡,向一侧翻滚。为了解决这些问题,设计者设计了一个铰接装置来连接桨叶和桨毂,即“挥舞铰”。

“挥舞铰”也叫“水平铰”,就是在桨叶的根部设置一个水平的轴孔,通过插销与桨毂相连,这种连接方式允许桨叶在一定幅度范围内挥舞。这样一来桨叶在前行时,由于升力增加,自然向上挥舞,其运动的实际方向不再是水平,而是斜线向上的,桨叶实际的迎角也由于这种运动而减小,升力降低。桨叶在后行时,升力不足,自然下降,这种边旋转边下降的运动,使桨叶的实际迎角增大,升力增加。

同时由于离心力的存在,桨叶会有自然拉直的趋势,因此不会在升力作用下无限升高或降低,也就是说桨叶的挥舞幅度不是无限的。同时设计者在机械构造上也采取了相应的措施,保证桨叶不至于因无限挥舞而碰撞到机身。

2.直升机的几种飞行形态

归纳起来,直升机的飞行形态基本如下。

(1)升降

一般通过总距杆操作完成,当总距杆向上提时,主螺旋桨的桨叶倾角增大,直升机上升;反之,直升机下降。而将总距杆置于中间位置则可保持当前高度。

直升机飞行姿态图

(2)平移

作为直升机的一项独门绝技,平移是在不改变机身方向的状态下,向各个方向平移的一种动作。既能展现直升机性能,也是适应战场环境,完成对敌狙击任务的有效保证。该动作主要通过改变主螺旋桨的旋转倾角完成。

(3)旋转

该动作主要通过直升机的尾螺旋桨实现。现在直升机设计师都在机尾安装有尾螺旋桨,当直升机处于直线飞行时,尾桨的推力力矩与主桨的反作用力矩刚好构成一对平衡力矩,而只改变尾桨的输出功率机身就可以在水平面上进行旋转。大多数直升机都是通过驾驶席前方的一对脚踏板来调整机头方向。 Eoux27bkfPKCB0nquke6Iep0JOmRrTswnTc5u0ImcCTfEutfJBvULESF3b8MXYMK

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