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  1、关于直升机

  提到垂直起降飞行器,很多人第一个想到的就是直升机(当然还有热气球,飞艇之类的)。现代生活中,我们能见到直升机的情况越来越多,应急救援,线路巡查,森林勘测等特殊状况下,也只有直升机能顺利的达到人们的预期。

  

  北京市红十字会直升机转场加油

  截至2017年末中国民用直升机数量为999架,大概相当于美国民用直升机数量的7%,分别占俄罗斯和加拿大民用直升机数量的35.61%和37.98%。(数据来源:2017年中国民航业发展统计公报)

  

  由于直升机在国内的稀缺性,就导致了大多数人对它的还仅仅停留在一个“大号竹蜻蜓”的印象中,它是怎么飞行的,为何能做到悬停?发展进程又是如何?本文带你一一解答。

  2、发展简史

  众所周知,每一架直升机都至少有一个大大的“螺旋桨”,这个螺旋桨准确的说叫旋翼,它是由中国传统的竹蜻蜓启示而来的,二者异曲同工。

  

  达芬奇设计的直升机

  15世纪,文艺巨匠达芬奇设计过一种像螺杆一样的直升飞行装置,但这种飞行器仅仅停留在图纸阶段。

  1796 年,英国人 George Cayley 设计了第一架用发条作动力、能够飞起来的直升机。

  50 年后的 1842 年,英国人 W.H. Philips 用蒸气机作动力,设计了一架只有 9 公斤重的模型直升机。

  1878 年,意大利人 Enrico Forlanini 用蒸气机制作了一架只有 3.5 公斤重的模型直升机。

  1880 年,美国发明家托马斯·爱迪生着手研制用电动机驱动的直升机,但最后放弃了。

  法国人 Paul Cornu 在 1907 年制成第一架载人的直升机,旋翼转速每分钟 90 转,发动机是一台 24 马力的汽油机。Cornu 用旋翼下的“舵面”控制飞行方向和产生前进的推力,但 Cornu 的直升机的速度和飞行控制能力很可怜。

  但是意大利人 Juan de la Cierva 在 1923 年设计旋翼机时,无意中解决了直升机的一个重大问题,他发明的挥舞铰解决了困扰直升机旋翼设计的一个重大问题。

  1930 年 10 月,意大利人 Corradino DAscanio 的直升机是公认的第一架现代意义上的直升机,在 18 米高度上前飞了 800 多米的距离,DAscanio 的直升机用共轴反转双桨。

  

  DAscanio 的直升机

  30年代德国设计制造的FL282型直升机是第一款量产型直升机,大约生产了1000架,FL-282是一款海军舰载直升机,其可在狂风大浪的恶劣海况下完成升空和降落。

  然而,随着纳粹德国在战场上的连连失利,德国海军逐渐被盟军强大海空力量逐个消灭,大量的FL-282也跟随德国海军葬入大海......

  

  德国FL-282直升机

  后来,美国西科斯基VS300型直升机奠定了现代直升机最常用的旋翼尾桨布局,1945年贝尔 47 是第一种量产的实用型直升机,在朝鲜战场就广泛用于伤员救护、侦察、炮兵指引等。

  UH-1 使越南战争成为第一场直升机战争,直升机成为美军士兵进入和撤离战斗最常见的运输工具 。

  UH-60黑鹰直升机是现在美军的主力战术运输直升机,中国在 89 年前进口过一小批,目前还在服役,2008年汶川地震救灾发挥了重要作用。

  目前,世界上现役最重最大的直升机是由前苏联米尔莫斯科直升机工厂(原米里实验设计局)主持设计、研制,1977年12月14日首飞的米-26型重型直升机。

  米-26的最大起飞重量达到了惊人的56000kg,最近一次的公开使用是4月2日上午的木里县火灾扑救工作。

  米26直升机与波音737对比

  3、飞行原理简介

  这里我们仅着重说常见的旋翼尾桨布局的直升机。

  直升机能够垂直起飞的道理非常简单,之前关于升力的文章讲过,升力是由存在翼型和迎角的机翼与空气发生相对运动而产生,对于飞机来说,发动机产生的推力使得机身发生相对位移,因而产生运动。

  相应的,直升机的旋翼可等效的视为几片存在翼型和迎角的机翼的旋转运动。由于圆周运动中线速度的大小沿半径方向的不同,直升机所形成的旋翼锥体角的形式大致如下图。

  

  由于主桨叶是一个巨大的旋转质量体,在实际飞行中,其转速基本是没有多大变化的。

  因此,在实际飞行中,直升机升力的改变主要是靠等量的改变所有桨叶的桨叶角也就是迎角来实现的,这种情况叫做变总距。飞行员改变总距是通过总距拉杆实现的。

  如图所示,空客某型直升机驾驶舱总距拉杆的位置。

  总距拉杆的控制遵循自然习惯,向上拉直升机升力增大;向下放,直升机升力减小。伴随着拉杆的提升和下放,与之联动的油门会自动控制,以保证旋翼转速的恒定。

  

  对于直升机前后左右运动的控制,是如何实现的?下面看图:

  

  除垂直飞行状态以外的其他飞行状态叫做转换飞行状态,要进入转换飞行状态,要将旋翼的旋转平面向着所需要的飞行方向倾斜,其有效力的水平分力会使直升机朝着所需的方向运动。

  在旋翼上,这种变化由倾斜盘实现。

  在驾驶舱中,实现该控制的叫做周期变距杆,也就是操纵杆,位于飞行员正前方,其操纵方式同样符合人的习惯,前推向前,后拉向后,以此类推。

  至此,我们已经了解了直升机是如何起飞和机动的。然而直升机还有一个尾部的螺旋桨,这个的作用是什么呢?

  由于旋翼相对机身在不停的高速旋转,因此其对机身就会有一个反扭力,此时若没有相应措施抵消这个反扭力,那机身就会随着旋翼原地打转。

  

  直升机抵消反扭力的方案有很多,最常规的是采用尾桨。主旋翼顺时针转,对机身就产生逆时针方向的反扭力,尾桨就必须或推或拉,产生顺时针方向的推力,以抵消主旋翼的反扭力。

  尾桨给直升机的设计带来了很多麻烦。尾桨要是太大了,会打到地上,所以尾桨尺寸受到限制,要提供足够的反扭力,就需要提高转速,这样,尾桨翼尖速度就大,尾桨的噪声就很大。

  尾桨是直升机飞行安全的最大挑战,主旋翼失去动力,直升机还可以自旋着陆;但尾桨一旦失去动力,那直升机就要打转转,失去控制。在战斗中,直升机因为尾桨受损而坠毁的概率远远高于因为其他部位被击中的情况。

  目前直升机尾桨主要采取的形式有普通尾桨和涵道尾桨,普通尾桨即是我们常见到的螺旋桨形式,涵道尾桨简单的说就是在普通尾桨外加了一圈,使尾桨被包起来。

  

  普通尾桨形式

  二者的控制大同小异,都是通过控制桨叶迎角的大小来控制尾桨拉力或推力。在驾驶舱中,尾桨反扭力大小是通过飞行员脚蹬控制的,其操纵原理与固定翼飞机的方向舵类似。

  

  涵道尾桨形式

  脚蹬的操纵同样符合自然习惯,即左脚向前直升机左转,反之亦然。苏式直升机一般与之相反。

  目前,还存在另外一种无尾桨的布局模式,称作NOTAR,即No Tail Rotor的简称。用喷气引射和主旋翼下洗气流的有利交互作用形成反扭力。

  主旋翼产生的下洗气流从尾撑两侧流经尾撑,发动机产生的压缩空气通过尾撑一侧的向下开槽喷出,促使这一侧的下洗气流向尾撑表面吸附并加速(即所谓射流效应或 Coanda 效应),形成尾撑两侧气流的速度差,产生向一侧的侧推力,实现没有尾桨的反扭力。

  

  无尾桨形式

  4、总结

  以上是对最常见的一种旋翼尾桨布局的直升机的飞行控制的基本介绍。

  其主旋翼产生升力和机动力,尾桨的存在是为了克服旋翼产生的反扭力。对于其他形式的直升机,如同轴双旋翼直升机(卡-32),前后双旋翼直升机(CH-47支奴干直升机)其布局多是一种取代尾桨的方式,原理都是大同小异的。

  

  

  直升机是现代社会不可缺少的一种多用途工具,其飞行特性决定了它的使用范围,相信随着技术的发展,会有越来越多的先进直升机走进我们的生活。

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