2.5 直升機(jī)與旋翼機(jī)的飛行原理

2.5.1 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,。一般來講它沒有固定的機(jī)翼和尾翼,，主要靠旋翼來產(chǎn)生氣動力。這里所說的氣動力既包括使機(jī)體懸停和舉升的升力,，也包括使機(jī)體向前后左右各個方向運(yùn)動的驅(qū)動力,。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，相當(dāng)于一個大展弦比的梯形機(jī)翼,，當(dāng)它以一定迎角和速度相對于空氣運(yùn)動時，就產(chǎn)生了氣動力,。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，對起降場地要求較低,；

(2) 能夠在空中懸停。即使直升機(jī)的發(fā)動機(jī)空中停車時,，駕駛員可通過操縱旋翼使其自轉(zhuǎn)，仍可產(chǎn)生一定升力,，減緩下降趨勢；

(3) 可以沿任意方向飛行,，但飛行速度較低，航程相對來說也較短,。

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,，每個葉片的工作類同于一個機(jī)翼,。旋翼的截面形狀是一個翼型，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,，有時簡稱安裝角或槳距,。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2o~14o。

    旋翼旋轉(zhuǎn)時將產(chǎn)生一個反作用力矩,，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,，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,。對于最常見的單槳式，需要靠尾槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的拉力來平衡反作用力矩,，維持機(jī)頭的方向,。使用腳蹬來調(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旋翼實(shí)現(xiàn)的,，具體來說就是通過旋翼槳轂朝相應(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,，旋翼受其本身重力作用而下垂。發(fā)動機(jī)開車后，旋翼開始旋轉(zhuǎn),，槳葉向上抬,，直觀地看,，形成一個倒立的錐體,，稱為旋翼錐體,，同時在槳葉上產(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)升力超過重力時,，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)動機(jī)(通常用的是渦輪軸發(fā)動機(jī)或活塞式發(fā)動機(jī))主軸轉(zhuǎn)速,；而發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速有一個最有利的值,，在這個轉(zhuǎn)速附近工作時，發(fā)動機(jī)效率高,，壽命長,。因此，拉力的改變主要靠調(diào)節(jié)槳葉槳距來實(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)槳距的同時還要調(diào)節(jié)發(fā)動機(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)生的水平分量來實(shí)現(xiàn),。例如,，欲向前飛，需將駕駛桿向前推,，經(jīng)過操縱系統(tǒng),，自動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),。

通過與操縱系統(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增大或減小槳距(簡稱總距操縱,，駕駛員通過總距操縱桿來操縱控制),，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)各個葉片的槳距(簡稱周期性槳距操縱),。比如打算前飛，就將駕駛桿向前推,，推動旋轉(zhuǎn)斜盤(也稱自動斜傾器)傾斜,，使各個葉片的槳距作周期變化,。每個葉片轉(zhuǎn)到前進(jìn)方向時,，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小,；反之,，當(dāng)葉片轉(zhuǎn)到后方時,，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,，各個葉片梢(葉端)運(yùn)動軌跡構(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2.5.5 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，空氣對旋翼的反作用也形成了一個與旋翼旋轉(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)力矩及力矩平衡問題。

較早致力于力矩和力矩平衡方面研究的是德國人貝納恩(B．R．Beenal)和阿赫班奇(Achenbach),。他們兩人分別于1897年和1874年提出安裝一個尾槳來平衡直升機(jī)旋翼產(chǎn)生的反向力矩的方案,。通過安裝尾槳，可產(chǎn)生一個平衡力矩，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題,，運(yùn)用兩個或更多的旋翼來克服飛行力矩,，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：單槳式,、共軸式,、橫列式,、縱列式,、多槳式等的問世。

    單槳式成為后來實(shí)用直升機(jī)的主要形式,。這種形式最早出現(xiàn)于1874年，是阿赫班奇設(shè)計(jì)的,。這架水蒸氣機(jī)驅(qū)動的直升機(jī)包含一個舉力旋翼和一個推進(jìn)式螺旋槳,，一個方向舵和一個尾槳,。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)是在同一個軸上安裝兩個旋轉(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,。由于動力的緣故,，這架直升機(jī)沒有進(jìn)行過試驗(yàn),。早期取得一定成功的共軸式直升機(jī)是美國人埃米爾·貝林納(E．Beliner)于1909年設(shè)計(jì)的。他的直升機(jī)安裝了兩臺發(fā)動機(jī)，與共軸的旋翼相連,。旋翼采用堅(jiān)硬的木質(zhì)槳葉,，通過傾斜整個族翼及部分機(jī)身來達(dá)到控制,。這架直升機(jī)成功地飛行了三次。

縱列式結(jié)構(gòu)是通過沿身體前后排列的兩個旋向相反的旋翼,，來克服直升機(jī)的力矩的,。1907年,，法國人泡特·科努(P．Comu)制造了一個外形結(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，重心變化范圍大,，穩(wěn)定性差。

橫列式結(jié)構(gòu)是通過沿機(jī)體橫向左右排列的兩個旋轉(zhuǎn)方向相反的旋翼來克服直升機(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，是由美國人貝林納設(shè)計(jì)制造的,。它將兩個旋翼并排安裝在機(jī)翼兩端,，通過傾斜整個旋翼及部分機(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)用三個或更多的旋翼,。在早期的研究中,，這種型式運(yùn)用較多,。法國的孔薩斯于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)為動力,，有一個主旋翼和兩個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,，所以后來沒有得到采用,。

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)螺旋槳以提供前進(jìn)的動力,，有時也裝有較小的機(jī)翼在飛行中提供部分升力,。旋翼機(jī)的旋翼不與發(fā)動機(jī)傳動系統(tǒng)相連,，在旋翼機(jī)飛行的過程中，由前方氣流吹動旋翼旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生升力,，是被動旋轉(zhuǎn),；而直升機(jī)的旋翼與發(fā)動機(jī)傳動系統(tǒng)相連，既能產(chǎn)生升力,，又能提供飛行的動力，是主動旋轉(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，旋翼也可通過“離合器”同發(fā)動機(jī)連接,，靠發(fā)動機(jī)帶動旋轉(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器隨旋翼在空中自由旋轉(zhuǎn),。 旋翼機(jī)飛行時,，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)動性能較差,，但它也有著一些優(yōu)點(diǎn)：(1)安全性較好；(2)振動和噪音??；(3)抗風(fēng)能力較強(qiáng),。

由于旋翼機(jī)的旋翼旋轉(zhuǎn)的動力是由飛行器前進(jìn)而獲得，如果發(fā)動機(jī)在空中停車,，旋翼機(jī)仍會靠慣性繼續(xù)維持前飛,，并逐漸減低速度和高度，高度下降的同時,，自下而上的相對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力狀態(tài)過渡到自轉(zhuǎn)狀態(tài),，這個過渡要損失一定高度。如果飛行高度不夠,，那么直升機(jī)就可能來不及過渡而觸地,。旋翼機(jī)本身就是在自轉(zhuǎn)狀態(tài)下飛行的,，不需要進(jìn)行過渡,，所以也就沒有這種安全轉(zhuǎn)換所需的高度約束。 

由于旋翼機(jī)的旋翼是沒有動力的,，因此它沒有由于動力驅(qū)動旋翼系統(tǒng)帶來的較大的振動和噪音,，也就不會因這種振動和噪音而使旋翼、機(jī)體等的使用壽命縮短或增加乘員的疲勞,。旋翼機(jī)動力驅(qū)動螺旋槳對結(jié)構(gòu)和乘員所造成的影響顯然比直升機(jī)動力驅(qū)動旋翼要小得多,。另外,，旋翼機(jī)還有一個很可貴的特點(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,，風(fēng)有利于旋翼的起動和加速旋轉(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,，一般的旋翼機(jī)也可以垂直起飛,。一般來說，旋翼機(jī)的抗風(fēng)能力強(qiáng)于同量級的固定翼飛機(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)的使用極限”。 

旋翼機(jī)可分為兩類,，一類是需要滑跑起飛的，這種比較簡單,，大多數(shù)旋翼機(jī)屬于這一類。另一類是可垂直起飛的,，其起飛方法有三種：一種是帶動力驅(qū)動它的旋翼；第二種是用預(yù)轉(zhuǎn)旋翼并使其達(dá)到正常飛行轉(zhuǎn)速的一定倍數(shù),，然后突然脫開離合器,，同時使旋翼獎葉變距而得到較大的升力跳躍起飛,；第三種則是由旋翼翼尖小火箭驅(qū)動旋翼旋轉(zhuǎn)而提供升力來實(shí)現(xiàn)垂直起飛，這種垂直起飛的過程,，一般是由自動程序控制來完成的。