直升机飞行原理

直升机飞行原理
直升机飞行原理

直升机飞行原理
直升机主要由机体和升力（含旋翼和尾桨）、动力、传动三大系统以及机载飞行设备等组成.旋翼一般由涡轮轴发动机或活塞式发动机通过由传动轴及减速器等组成的机械传动系统来驱动,也可由桨尖喷气产生的反作用力来驱动.目前实际应用的是机械驱动式的单旋翼直升机及双旋翼直升机,其中又以单旋翼直升机数量最多.
　　直升机的最大速度可达300km/h以上,俯冲极限速度近400km/h,使用升限可达6000m（世界纪录为12450m）,一般航程可达600～800km左右.携带机内、外副油箱转场航程可达2000km以上.根据不同的需要直升机有不同的起飞重量.当前世界上投入使用的重型直升机最大的是俄罗斯的米-26（最大起飞重量达56t,有效载荷20t）.
　　直升机的突出特点是可以做低空（离地面数米）、低速（从悬停开始）和机头方向不变的机动飞行,特别是可在小面积场地垂直起降.由于这些特点使其具有广阔的用途及发展前景.在军用方面已广泛应用于对地攻击、机降登陆、武器运送、后勤支援、战场救护、侦察巡逻、指挥控制、通信联络、反潜扫雷、电子对抗等.在民用方面应用于短途运输、医疗救护、救灾救生、紧急营救、吊装设备、地质勘探、护林灭火、空中摄影等.海上油井与基地间的人员及物资运输是民用的一个重要方面.
　　目前直升机相对飞机而言,振动和噪声水平较高、维护检修工作量较大、使用成本较高,速度较低,航程较短.直升机今后的发展方向就是在这些方面加以改进.
　　直升机的发展简史
　　中国的竹蜻蜓
　　中国的竹蜻蜓和意大利人达芬奇的直升机草图,为现代直升机的发明提供了启示,指出了正确的思维方向,它们被公认是直升机发展史的起点.
　　竹蜻蜓又叫飞螺旋和“中国陀螺”,这是我们祖先的奇特发明.有人认为,中国在公元前400年就有了竹蜻蜓,另一种比较保守的估计是在明代(公元1400年左右).这种叫竹蜻蜓的民间玩具,一直流传到现在.
　　现代直升机尽管比竹蜻蜓复杂千万倍,但其飞行原理却与竹蜻蜓有相似之处.现代直升机的旋翼就好像竹蜻蜓的叶片,旋翼轴就像竹蜻蜓的那根细竹棍儿,带动旋翼的发动机就好像我们用力搓竹棍儿的双手.竹蜻蜓的叶片前面圆钝,后面尖锐,上表面比较圆拱,下表面比较平直.当气流经过圆拱的上表面时,其流速快而压力小；当气流经过平直的下表面时,其流速慢而压力大.于是上下表面之间形成了一个压力差,便产生了向上的升力.当升力大于它本身的重量时,竹蜻蜓就会腾空而起.直升机旋翼产生升力的道理与竹蜻蜓是相同的.
　　《大英百科全书》记载道：这种称为“中国陀螺”的“直升机玩具”在15世纪中叶,也就是在达芬奇绘制带螺丝旋翼的直升机设计图之前,就已经传入了欧洲.
　　《简明不列颠百科全书》第9卷写道：“直升机是人类最早的飞行设想之一,多年来人们一直相信最早提出这一想法的是达?芬奇,但现在都知道,中国人比中世纪的欧洲人更早做出了直升机玩具.”
　　意大利达芬奇的画
　　意大利人达芬奇在1483年提出了直升机的设想并绘制了草图.
　　19世纪末,在意大利的米兰图书馆发现了达芬奇在1475年画的一张关于直升机的想象图.这是一个用上浆亚麻布制成的巨大螺旋体,看上去好像一个巨大的螺丝钉.它以弹簧为动力旋转,当达到一定转速时,就会把机体带到空中.驾驶员站在底盘上,拉动钢丝绳,以改变飞行方向.西方人都说,这是最早的直升机设计蓝图.
　　人类第一架直升机
　　1907年8月,法国人保罗?科尔尼研制出一架全尺寸载人直升机,并在同年11月13日试飞成功.这架直升机被称为“人类第一架直升机”.这架名为“飞行自行车”的直升机不仅靠自身动力离开地面0.3米,完成了垂直升空,而且还连续飞行了20秒钟,实现了自由飞行.
　　保罗科尔尼研制的直升机带两副旋翼,主结构为一根V形钢管,机身由V形钢管和6个钢管构成的星形件组成,并采用钢索加强,以增加框架结构的刚度.V形框架中部安装一台24马力的 Antainette 发动机和操作员座椅.机身总长6.20米,重260千克.V形框架两端各装一副直径为6米的旋翼,每副旋翼有2片桨叶.
　　世界上第一种试飞成功的直升机
　　1938年,年轻的德国姑娘汉纳赖奇驾驶一架双旋翼直升机在柏林体育场进行了一次完美的飞行表演.这架直升机被直升机界认为是世界上第一种试飞成功的直升机.
　　1936年,德国福克公司在对早期直升机进行多方面改进之后,公开展示了自己制造的FW-61直升机,1年后该机创造了多项世界纪录.这是一架机身类似固定翼飞机,但没有固定机翼的大型双旋翼横列式直升机,它的两副旋翼用两组粗大的金属架分别向右上方和左上方支起,两副旋翼水平安装在支架顶部.桨叶平面形状是尖削的,用挥舞铰和摆振铰连接到桨毂上.用自动倾斜器使旋翼旋转平面倾斜进行纵向操纵,通过两副旋翼朝不同方向倾斜实现偏航操纵.旋翼桨叶总距是固定不变的,通过改变旋翼转速来改变旋翼拉力.利用方向舵和水平尾翼来增加稳定性.FW61旋翼毂上装有周期变距装置,在旋翼旋转过程中可改变桨叶桨距.还有一根可变动桨距的操纵杆来改变旋翼面的倾斜度,以实现飞行方向控制.FW61就是靠这套周期变距装置和操纵杆保证了它的机动飞行.该机旋翼直径7米.动力装置是一台功率140马力的活塞发动机.这是世界上第一架具有正常操纵性的直升机.该机时速100~120公里,航程200公里,起飞重量953千克.
　　第一架实用直升机
　　1939年春,美国的伊戈尔?西科斯基完成了VS-300直升机的全部设计工作,同年夏天制造出一架原型机.这是一架单旋翼带尾桨式直升机,装有三片桨叶的旋翼,旋翼直径8.5米,尾部装有两片桨叶的尾桨.其机身为钢管焊接结构,由V型皮带和齿轮组成传动装置.起落架为后三点式,驾驶员座舱为全开放式.动力装置是一台四气缸、75马力的气冷式发动机.这种单旋翼带尾桨直升机构型成为现在最常见的直升机构型.
　　自首次系留飞行以来,西科斯基不断对VS-300进行改进,逐步加大发动机的功率.1940年5月13日,VS-300进行了首次自由飞行,当时安装了90马力的富兰克林发动机.
　　世界上第一种投入批生产的直升机
　　R-4是美国沃特-西科斯基公司20世纪40年代研制的一种2座轻型直升机,是世界上第1种投入批量生产的直升机,也是美国陆军航空兵、海军、海岸警卫队和英国空军、海军使用的第一种军用直升机.该机的公司编号为VS-316,VS-316A.美国陆军航空兵的编号为R-4,美国海军和海岸警卫队的编号为HNS-1,英国空军将其命名为“食蚜虻”1(Hoverfly1),英国海军将其命名为“牛虻”(Gadfly).早期的活塞式发动机和木质桨叶直升机
　　在20世纪40年代至50年代中期是实用型直升机发展的第一阶段,这一时期的典型机种有：美国的S-51、S-55/H-19、贝尔47；苏联的米-4、卡-18；英国的布里斯托尔-171；捷克的HC-2等.这一时期的直升机可称为第一代直升机.
　　贝尔47是美国贝尔直升机公司研制的单发轻型直升机,研制工作开始于1941年,试验机贝尔30于1943年开始飞行,1945年改名为贝尔47,1946年3月8日获得美国民用航空署(CAA)的适航证,这是世界上第一架取得适航证的民用直升机.该机是单旋翼带尾桨式布局、两叶桨叶的跷跷板式旋翼.旋翼下面有稳定杆,与桨叶呈直角.普通的自动倾斜器可进行总距和周期变距操纵.尾梁后部有两个桨叶的全金属尾桨.
　　卡-18是苏联卡莫夫设计局设计的单发双旋翼共轴式轻型多用途直升机,于1957年年中首次飞行,此后不久投入批生产.采用两副旋转方向相反的3桨叶共轴式旋翼,桨叶为木质结构.装1台275马力的九缸星形活塞式发动机.机身为钢管焊接结构,具有轻金属蒙皮和硬壳式尾梁.座舱内可容纳1名驾驶员和3名旅客.采用四轮式起落架,前起落架机轮可以自由转向.
　　这个阶段的直升机具有以下特点：动力源采用活塞式发动机,这种发动机功率小,比功率低(约为1.3千瓦/千克),比容积低(约247.5千克/米3).采用木质或钢木混合结构的旋翼桨叶,寿命短,约为600飞行小时.桨叶翼型为对称翼型,桨尖为矩形,气动效率低,旋翼升阻比为6.8左右,旋翼效率通常为0.6.机体结构采用全金属构架式,空重与总重之比较大,约为0.65.没有必要的导航设备,只有功能单一的目视飞行仪表,通信设备为电子管设备.动力学性能不佳,最大飞行速度低(约为200千米/小时),振动水平在0.25g左右,噪声水平约为110分贝,乘坐舒适性差.涡轴发动机和金属桨叶直升机
　　20世纪50年代中期至60年代末是实用型直升机发展的第二阶段.这个阶段的典型机种有：美国的S-61、贝尔209/AH-1、贝尔204/UH-1,苏联的米-6、米-8、米-24,法国的SA321“超黄蜂”等.这个时期开始出现专用武装直升机,如AH-1和米-24.这些直升机称为称为第二代直升机.
　　这个阶段的直升机具有以下特点：动力源开始采用第一代涡轮轴发动机.涡轮轴发动机产生的功率比活塞式发动机大得多,使直升机性能得到很大提高.第一代涡轮轴发动机的比功率约为3.62千瓦/千克,比容积为294.9千瓦/米3左右.直升机旋翼桨叶由木质和钢木混合结构发展成全金属桨叶,寿命达到1200飞行小时.桨叶翼型为非对称的,桨尖简单尖削与后掠,气动效率有所提高,旋翼升阻比达到7.3,旋翼效率提高到0.6.机体结构为全金属薄壁结构,空重与总重之比降低到0.5附近.已采用减振的吸能起落架和座椅.机体外形开始考虑流线化,以减小气动阻力.直升机座舱开始采用纵列式布置,使机身变窄.性能明显改善,最大飞行速度达到200~250千米/小时,振动水平降低到0.15g左右,噪声水平为100分贝,乘坐舒适性有所改善.
　　第三代直升机
　　20世纪70年代至80年代是直升机发展的第三阶段,典型机种有：美国的S-70/UH-60“黑鹰”、S-76、AH-64“阿帕奇”,苏联的卡-50、米-28,法国的SA365“海豚”,意大利的A129“猫鼬”等.
　　在这一阶段,出现了专门的民用直升机.为了深入研究直升机的气动力学和其它问题,这时也设计制造了专用的直升机研究机(如S-72和贝尔533).各国竞相研制专用武装直升机,促进了直升机技术的发展.
　　这个阶段的直升机具有以下特点：涡轮轴发动机发展到第二代,改用了自由涡轴结构,因此具有较好的转速控制特征,改善了起动性能,但加速性能没有定轴结构的好.发动机的重量和体积有所减小,寿命和可靠性均有提高.典型的发动机耗油率为0.36千克/千瓦小时,与活塞式发动机差不多.旋翼桨叶采用复合材料,其寿命比金属桨叶有大幅度提高,达到3600小时左右.翼型不再借用固定翼飞机的翼型,而是为直升机专门研制的翼型,即二维曲线变化翼型.桨尖呈抛物线后掠.桨毂广泛使用弹性轴承,有的成无铰式.尾桨已开始采用效率高又安全的涵道尾桨.旋翼升阻比达8.5左右,旋翼效率提高到0.7左右.机体次结构也采用复合材料制造,复合材料占机体总重的比例通常为10%左右,直升机的空重/总重比一般为0.5.对于军用直升机,特别是武装直升机来说,提出了抗弹击和耐坠毁要求.美军方提出了军用直升机耐毁标准MIL-STD-1290,已成为军用直升机的设计标准.为满足这些标准,军用直升机采用了乘员装甲保护,专门设计了耐坠毁起落架、座椅和燃油系统.电子系统已发展到半集成型.直升机采用大规模集成电路通讯设备、集成的自主导航设备、集成仪表、电子式与机械式混合操纵机构等.机上的电子设备之间靠一条双向数字数据总线交连,通过这条总线可进行信息发射和接收.直升机采用混合布置的局部集成驾驶舱.第一代夜视系统的使用使直升机具备了夜间飞行能力.这种较为先进的半集成电子设备使直升机通讯距离显著增大,导航距离与精度明显提高,仪表数量有所减少,飞行员工作负荷得到减轻,也使直升机具备了机动/贴地飞行以及在不利气象/夜间条件下的飞行能力,从而提高了直升机的整体性能.动力学性能明显提高.直升机的升阻比达到5.4,全机振动水平约为0.1g,噪声水平低于95分贝,最大飞行速度达到300千米/小时.
　　现代直升机
　　20世纪90年代是直升机发展的第四阶段,出现了目视、声学、红外及雷达综合隐身设计的武装侦察直升机.典型机种有：美国的RAH-66和S-92,国际合作的“虎”、NH90和EH101等,称为第四代直升机.
　　这个阶段的直升机具有以下特点：采用第3代涡轴发动机,这种发动机虽然仍采用自由涡轴结构,但采用了先进的发动机全权数字控制系统及自动监控系统,并与机载计算机管理系统集成在一起,有了显著的技术进步和综合特性.第3代涡轴发动机的耗油率仅为0.28千克/千瓦小时,低于活塞式发动机的耗油率.其代表性的发动机有T800、RTM322和RTM390.桨叶采用碳纤维、凯芙拉等高级复合材料制成,桨叶寿命达到无限.新型桨尖形状繁多,较突出的有抛物线后掠形和先前掠再后掠的BERP桨尖.这些新桨尖的共同特点是可以减弱桨尖的压缩性效应,改善桨叶的气动载荷分布,降低旋翼的振动和噪声,提高旋翼的气动效率.球柔性和无轴承桨毂获得了广泛应用,桨毂壳体及桨叶的连接件采用复合材料,使结构更为紧凑,重量大为降低,阻力大大减小.旋翼升阻比达到10.5,旋翼效率为0.8.这个阶段应用了无尾桨反扭矩系统,其优点是具有良好的操纵响应特性、振动小、噪声低,不需要尾传动轴和尾减速,使零部件数量大大减小,因而提高了可维护性.复合材料在直升机上获得了前所未有的广泛应用.直升机开始采用复合材料主结构,复合材料的应用比例大幅度上升,通常占机体结构重量的30~50%.这一时期的民用型直升机的空重/总重比约为0.37.高度集成化的电子设备.计算机技术、信息技术及智能技术在直升机上获得应用,直升机电子设备朝着高度集成化方向发展.这一时期的直升机,采用了先进的增稳增控装置,用电传、光传操纵取代了常规的操纵系统,采用先进的捷联惯导、卫星导航设备及组合导航技术,先进的通讯、识别及信息传输设备,先进的目标识别、瞄准、武器发射等火控设备及先进的电子对抗设备,采用了总线信息传输与数据融合技术,并正向传感器融合方向发展.机上的电子、火控及飞行控制系统等通过多余度数字数据总线交连,实现了信息共享.采用了多功能集成显示技术,用少量多功能显示器代替大量的单个仪表,通过键盘控制显示直升机的飞行信息,利用中央计算机对通讯、导航、飞行控制、敌我识别、电子对抗、系统监视、武器火控的信息进行集成处理从而进行集成控制.采用这类先进的集成电子设备,大大简化了直升机座舱布局和仪表板布置,系统部件得到简化,重量大大减轻.更主要的是极大地减轻了飞行员工作负担,改善了直升机的飞机品质和使用性能.直升机的全机升阻比达到6.6,振动水平降到0.05g,噪声水平小于90分贝,最大速度可达到350千米/小时.
　　直升机的飞行原理
　　直升机的头上有个大螺旋桨,尾部也有一个小螺旋桨,小螺旋桨为了抵消大螺旋桨产生的反作用力.直升机发动机驱动旋翼提供升力,把直升机举托在空中,旋翼还能驱动直升机倾斜来改变方向.螺旋桨转速影响直升机的升力,直升机因此实现了垂直起飞及降落.
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　　水平面内的机动,如加速和减速、盘旋、转弯、水平“8”字机动、蛇形机动等；
　　铅垂平面内的机动,如急跃升和俯冲；
　　空间立体机动,如盘旋下降、战斗转弯,跃升中的回转和转弯.
　　这些动作属于简单特技. 属于复杂特技的有：筋斗、横滚、兰威斯曼特技和若干其他特技,如倒飞等.在一定条件下这些特技动作,能在某些型号直升机上完成.另外,按照直升机运动的特性,机动飞行分为稳定和不稳定两种,其加速度保持不变的称为稳定机动,如稳定盘旋；而变加速度机动,则称作不稳定机动.下面分析几种典型机动飞行.下面分析几种典型机动飞行.
　　水平直线加速机动
　　当速度加大后,机身阻力也随之加大,若要保持同样大小的加速度,则要求增大桨盘倾斜角和旋翼拉力.如果得不到满足,则直升机平飞加速度就会随之减小至零,而直升机就会在一个较大的飞行速度下平飞.
　　水平转弯
　　假设直升机以一定速度、一定高度向右转弯,即所谓等高、等速水平转弯.这种情况下,桨盘侧向倾斜17．3度,旋冀拉力增大5％.此时,旋翼拉力的铅垂分力平衡直升机的重力,法向过载等于l,以保持高度不变；旋翼拉力的水平分力指向右侧,得到0．311g的侧向过载,这就是直升机作水平转弯所需要的侧力.
　　垂直机动飞行
　　垂直机动飞行通常需要变化高度、速度、总距以及飞行姿态和曲率半径.假设某型直升机在铅垂平面内作一圆圈飞行,即所谓垂直筋斗；见下图.为了简化分析,假设直升机在筋斗过程中速度保持不变,直升机只受重力的作用(这种假设实际上不可能,因为还有其他力的影响).当半径和速度保持不变时(见下左图)表明直升机的向心力是恒定的. 在筋斗的底部重力与旋翼拉力的方向是相反的；在垂直向上、向下时,重力与拉力垂直；在筋斗顶部,重力与拉力方向相同.这就清楚表明旋翼产生的拉力要持续变化,才能保持向心力恒定并指向圆圈中心.当直升机在筋斗底部的时候,旋翼必须向上产生3倍于直升机自身重量的拉力,并且桨盘要向前倾斜28.5度或向后倾斜24.5度.这样的要求,对于大多数直升机来说是难以办到的.
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