遥控直升机控制原理

一、话说旋翼头

旋翼头是直升机中最神奇，也是最关键的部件。直升机的绝大多数性质，比如稳定性、灵活性，包括所谓操纵感觉，都是由旋翼头决定的。遥控直升机的旋翼头采用贝尔-希拉操纵方式，也就是一对主旋翼，产生升力，同时靠一对小翼控制升力的方向，从而达到控制直升机的目的。我们下面就来细说一下贝尔-希拉方式是如何达到操纵直升机的目的的。

I、陀螺效应

所谓陀螺效应，就是旋转着的物体具有像陀螺一样的效应。陀螺有两个特点：进动性和定轴性。当高速旋转的陀螺遇到外力时，它的轴的方向是不会随着外力的方向发生改变的，而是轴围绕着一个定点进动。大家如果玩过陀螺就会知道，陀螺在地上旋转时轴会不断地扭动，这就是进动(不考虑章动)。以下是陀螺效应的示意图：

图一、陀螺效应示意图

在上图中，圆盘是陀螺。L是圆盘的角动量，其大小是R×Mv或者Iω。

由于在力学中，有，所以和方向相同。这直接导致了（如图）高

速转动的陀螺在受到F后，整个陀螺以X轴为转轴转动而不是以Y轴为转轴。这就是神奇的陀螺效应。这种效应一直伴随着直升机的飞行。例如：要使直升机仰俯，就必须要使直升机左右的升力不平衡而不是使其前后不平衡。基于这种原理我们下面就来解释遥控直升机的所谓贝尔-希拉操纵方式。

II、贝尔-希拉操纵方式的初步分析

说起贝尔-希拉，同好们映像最深的一定是那对“希拉”小翼。这是遥控直升机唯一区别于真飞机的地方。那么这对小翼的作用究竟是什么呢？她所带来的好处是什么？下面就听我细细说来。

在I中，我们已经看到陀螺效应的基本原理。在遥控直升机中，主旋翼就是一个大陀螺，它本身具有陀螺效应。当我们改变主旋翼倾角时，直升机的运动状态就会发生改变。但同时，如果用舵机直接改变主旋翼的倾角来控制飞机，问题是很多的。首先，主旋翼倾角的改变需要较大的力矩。如果用十字盘直接控制的话，强大的、交变的力矩将会直接作用到舵机上。这样舵机将会受到很大负荷，操纵精度会严重下降。第二，当直升机受到轻微扰动后，由于陀螺的进动性，直升机将不会恢复原来状态，而是绕着垂线方向进动（如图）。

图如图，由于重力不通过旋翼头中心，所以造成力矩的产生，从而导致主旋翼发生进动。这个问题是严重的，会直接导致遥控直升机悬停及飞行时无法稳定。基于以上问题，贝尔-希拉操纵方式产生了。

操纵过程是这样的：

一、初始状态

希拉小翼由于空气和离心力作用，和主旋翼平面平行。此时两片主旋翼升力相等，飞行状态不发生变化

二、操纵时

上图为同一个视角，主旋翼转动到不同角度时的状态。在图I中，操纵者将十字盘倾斜。希拉小翼就与空气呈10°倾角。由于空气的作用，希拉小翼在图I位置受力。由于陀螺效应，希拉小翼不会在图I位置立即上抬，而是在转过90°后在上图II位置上抬。

于是希拉小翼旋转平面与主旋翼平面呈10°夹角并稳定于此。

在图II中，我们清晰地看见，由于希拉小翼通过连杆控制着主旋翼的倾角，所以希拉小翼旋转平面的改变导致了主旋翼与空气产生夹角。从而使主旋翼在图II位置受力。由于陀螺效应，主旋翼不会在图II位置立即上抬，而是在转过90°后在图I位置上抬。从而使得主旋翼平面趋于平行于希拉小翼。

至此，遥控直升机主旋翼平面的倾转过程已经分析完毕。我们看到，遥控直升机的倾转总是希拉小翼旋转平面先倾转，主旋翼平面跟上趋于平行的过程。有意思的是，在这一过程中主旋翼操纵的负荷被希拉小翼完全承担。舵机只需承担操纵希拉小翼的负荷。这就有效地化解了一般操纵方式舵机负荷过重的问题。

下面再来初步分析希拉小翼对遥控直升飞机稳定性带来的好处。为此，我们来看贝尔-希拉操纵系统的干扰-稳定过程：

一、初始状态

希拉小翼由于空气和离心力作用，和主旋翼平面平行。此时两片主旋翼升力相等，飞行状态不发生变化

二、外界气流对飞机进行干扰。

当遇到气流时，由于主旋翼的旋转，会导致左、右主旋翼相对于空气的速度不同，从而产生力矩，使飞机偏离平衡位置。如图：

在上图中，飞机机身及主旋翼平面由于干扰而失去平衡位置。但由于希拉小翼采用对称翼型，不会受到外界干扰。由于陀螺效应的定轴性，希拉小翼平面保持不变。所以此时主旋翼平面由于与希拉小翼平面有夹角而产生恢复力矩，抵抗外界干扰。这就是贝尔-希拉控制方式的自稳定过程。也正是这个过程，使得遥控直升飞机避免了被干扰后就陷于进动的问题。同时，当直升飞机高速前进时，由于左、右主旋翼相对空气的速度不同，会导致力矩的产生，使飞机抬头的现象也被这种贝尔-希拉控制方式有效抑制，从而有效地提高了遥控直升飞机的可操纵性。值得注意的是，贝尔-希拉自稳定过程不能抑制过强的干扰。原因是希拉小翼旋转平面保持原来运动状态的同时，由于机身的倾斜，小翼与空气平面会产生夹角，从而破坏小翼原来的运动状态。如图：

由于β角的存在，希拉小翼旋转平面会向主旋翼旋转平面方向旋转，最后趋于平行。所以贝尔-希拉的自稳定过程是有限的。还需要其他手段（比如使希拉小翼不太灵敏）来增加稳定性。

通过以上的初步分析，大家应该已经对遥控直升飞机的控制原理有了一个大概的了解，对直升机旋翼头有了一定的认识。对于一般以及能力有限的同好，了解这些已经足够。但对于另一些喜欢刨根问底的或者是希望参加比赛的发烧级同好，改装、调整飞机成了必要的工作。所以应该深入、定量地分析贝尔-希拉的操纵过程。我下面就做一些这方面的工作。希望能给大家一点启发。

III、贝尔-希拉操纵方式的定量分析

（看不懂这一章的可以直接看最下方的总结）

（1）微扰动过程。

在进行定量分析之前，我将贝尔-希拉控制过程分为两类-——微扰动过程和一般过程，目的是从易到难，逐个分析，从而简化难度。从II中，我们已经知道直升飞机的操纵主要过程是：小翼与空气产生夹角→小翼旋转平面倾斜→主旋翼与空气产生夹角→主旋翼旋转平面倾斜。在某些情况下，比如阵风对飞机干扰时，小翼旋转平面的倾斜大大大于主旋翼平面的倾斜，所以我们就将主旋翼平面的倾斜忽略不计。这样，只要研究小翼的运动而不必考虑主旋翼平面的转动对小翼造成的影响。这样分析是有益的，能让我们方便地看清飞机在悬停时有风的情况下的运动方式，以及诸如转速、希拉小翼的质量分布对飞机稳定性的影响。