FAA旋翼机飞行手册缺20章

FAA 旋翼机飞行手册
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（）
第15章自旋翼机介绍
＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊
目录
自旋翼机的类型..............................15-1
构成要素....................................15-2
机身........................................15-2
动力装置....................................15-2
旋翼系统....................................15-2
尾翼面......................................15-2
起落架......................................15-3
机翼........................................15-3
＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊1923年1月9号，历史第一次有正式记载的自旋翼机飞行。

这架由Juan de la Cierva设计的飞行器中引入了旋翼技术从而使得旋翼飞行器向前飞行成为可能。

在那之前的旋翼飞行器设计者都被飞行器开始向前飞行时的滚转力矩问题困扰。

滚转力矩问题是流过桨盘的气流造成的，使得前
行桨叶升力增加，后行桨叶升力减小。

Cierva的成功设计C.4中引入了铰接旋翼，通过铰链连接旋翼并允许桨叶上下挥舞。

这个解决方法允许前行桨叶向上运动，减小攻角和升力，同时后行桨叶向下摆动，增加攻角和升力。

从而通过桨盘产生无关气流的平衡升力。

这一突破为15年后开发的现代直升机的成功提供了帮助(更多信息详见《第三章》) 1931年4月2日，Pitcairn PCA-2型自旋翼机获得了第410号飞机型号合格证(TC, Type Certificate)成为美国第一获得执照的旋翼飞行器。

单词“Autogyro”就是用来描述这种类型的飞行器的，直到FAA后来指定了另外一个单词“Gyroplanes”（自转旋翼飞行器）来描述这类飞行器。

根据定义，自旋翼机是通过自由旋转的旋翼获得升力的飞行器。

还有几种飞行器使用了自由旋转的旋翼来获得纯粹形式的直升机所无法达到的性能。

“gyrodyne”是一种能够进行悬停和自旋巡航的混合型的旋翼飞行器。

这种类型飞行器的第一个成功的实例是British Fairy Rotodyne, 在1958年获得运输类(Transport Category)的执照。

在十九世纪六七十年代，自旋翼机的数量随着McCulloch J-2和Umbaugh 获得执照而增加了。

Umbaugh后来发展成为Air & Space 18A。

有一些正在开发中的飞行器使用了自由旋转的旋翼以获得旋翼起飞性能和固定翼的巡航速度。

自旋翼机操作简单，具有内在的安全性和突出的点到点短距(Short field)起飞降落能力。

[自旋翼机的类型]
由于自由旋转的旋翼不需要反扭矩设备，所以单旋翼是自旋翼机的主流配置。

反向旋转(Counter-rotating)的旋翼并不能提供任何特殊的优点。

自旋翼机旋翼系统的桨叶数量可以是任意的，但是最常用的是配置两片和三片桨叶的系统。

自旋翼机的推进系统既可以是拉式的也可以是推式（tractor）的也可以是拉式的（pusher），即发动机可以安装在飞机前端拉动整个飞行器飞行，也可以安装在后端推动飞行器在空气中前进。

动力装置可以是活塞的(reciprocating)也可以是涡轮的（turbine）.
早期的自旋翼机常常是从拉式配置中衍生出来，旋翼用来替代固定翼或者和固定翼同时存在，协同工作。

推式配置由于尾舵放置在螺旋桨滑流中，通常操作更为灵活，飞行员也具有更好的视野。

图15-1 自旋翼机可以具有机翼，可以是推式或者拉式结构，可以是涡轮动力也可以是螺旋桨动力的。

左图为Pitcairn PCA-2,右图为Air & Space 18A
当旋翼头的直接控制（direct control）技术完善以后，就开发出了跳跃起飞（跳飞，jump takeoff）的自旋翼机。

在一定的条件下，这些自旋翼机具备垂直起飞并转为前飞的能力。

自旋翼机后来的发展包括保持直接控制的旋翼头和利用固定翼来减轻旋翼载荷，以提高飞行速度。

[构成要素]
虽然自旋翼机的设计各种各样，但是大多数的基本构成要素是相同的。

一架具备基本功能的自旋翼机包括：机身，动力装置。

旋翼系统，尾平面和起落架。

如图15-2所示。

还有
一些可选的配件，如机翼，在一些设计中用以达到特殊的性能目标。

图15-2 典型的自旋翼机包含5个主要部分，有些设计含有第六部分：机翼
[机身]
机身提供为其他部件的安装结构。

可以是焊接的管材，钣金，复合材料，甚至只是将管材简单的用螺栓连接在一起。

也可以使用一些构成方法的搭配组合来实现。

已经应用了很
多年，具有最高的强度/重量比（strength-to-weight ratios，比强度）机身是由碳纤维（carbon fiber）材料结构或者焊接管材结构。

[动力装置]
动力装置提供向前飞行的推力，在飞行时和旋翼系统独立无关。

然而在地面上时发动机可以被用来作为旋翼系统预旋（prerotate）的动力。

经过很多年的发展，有很多种的发动机型号被应用到自旋翼机上。

汽车发动机，船用发动机，ATV(All Terrain Vehicle,沙滩车)发动机，经过认证的航空发动机等被不同的自旋翼机设计采用过。

获得认证的自旋翼机必须使用FAA认证的发动机。

一台新的经过认证的飞机发动机比任何的其他发动机都要贵。

这些额外增加的价格是自制自旋翼机选择其他发动机的主要原因。

[旋翼系统]
旋翼系统提供自旋翼机必须的升力和控制能力。

全铰接(fully articulated)和半刚体跷跷板式(semi-rigid teetering)旋翼系统是最常见的系统。

《第5章—主旋翼系统》详细解释了这些旋翼系统。

带桨毂倾斜控制的跷跷板桨叶是自制旋翼机的主要选择。

这个系统还可以加入总距控制以改变旋翼桨叶的桨距。

只要桨叶具备足够的惯量和总距
(collective pitch)控制，就可以实现自旋翼机的跳跃起飞（jump takeoffs, 跳飞）。

[尾翼面]
尾翼面提供稳定性和俯仰，偏航控制。

这些尾翼面和飞机的尾翼面（empennage）类似，可以由安定翼（fin），尾舵（rudder）, 稳定面(stabilizer)和升降舵(elevator)组成。

也有的设计采用在后装式的涵道安装螺旋桨和尾舵的。

很多的自旋翼机没有水平尾翼。

而另外一些自旋翼机，尤其是有封闭式座舱的机型，由于在重心前面具有较大的机身侧面，从而使得偏航稳定显得不太有效。

这时就需要额外的垂尾面来补偿这种不稳定，又受到旋翼偏转范围和降落时的高俯仰角度的约束而无法获得足够的面积。

一些自旋翼机通过装备多垂直稳定面和尾舵来实现额外的偏航稳定性。

[起落架]
起落架提供在地面上的移动能力。

结构形式可以是前三点式（tricycle）的或者是后三点式（conventional）的。

后三点式起落架由两个主轮和一个尾部下方的轮子组成。

前三点式也采用两个主轮，但是第三个轮安装在机头下方。

早期的自旋翼机和部分的现代自旋翼机采用后三点式起落架。

后来的设计大多采用前三点式起落架。

类似于固定翼飞机的起落架，自旋翼机的起落架提供大多数直升飞机所不具备的地面移动能力。

[机翼]
机翼可以是也可以不是自旋翼机的组成部分。

使用机翼的时候，可以提供额外的性能，增强的存储能力和增强的稳定性。

一些在开发中的带有机翼的自旋翼机基本上能够替代旋翼系统的载荷，并承载飞机的全部重量。

可以实现旋翼机的起降性能和固定翼飞机的巡航速度。

[图15-3]
第16章旋翼机的空气动力学
********************************************************* **********目录
自旋..........................................16-1
垂直自旋......................................16-1
桨盘分区......................................16-2
向前飞行时的自旋 .............................16-2
反向气流......................................16-3
逆行旋翼失速 .................................16-3
旋翼受力......................................16-3
旋翼升力 .....................................16-4
旋翼阻力 .....................................16-4
推力..........................................16-4
稳定性 .......................................16-5
水平稳定面 ...................................16-5
机身阻力(压力中心)...........................16-5
桨距惯性......................................16-5
螺旋桨推力线..................................16-5
旋翼受力...................... ..............16-6
平衡条件.............................. .......16-6
向气流........................................16-3
逆行旋翼失速 ...................... ..........16-3
旋翼受力.....................................16-3
旋翼升力 ..................... ..............16-4
旋翼阻力 .......................... .........16-4
推力.........................................16-4
稳定性 ......................................16-5
水平稳定面 ..................................16-5
机身阻力(压力中心)..........................16-5
桨距惯性.....................................16-5
螺旋桨推力线.................................16-5
旋翼受力.....................................16-6
平衡条件.....................................16-6
********************************************************* **********
直升机和旋翼机都是通过旋翼来产生升力的，因此解释升力产生的许多基本空气动力学原理对两种飞行器而言是相同的。

这些基本原理在《第2章：一般的空气动力学》
里有详细的解释，这些原理也同样构成了旋翼机空气动力学讨论的基础。

[自旋]
直升机和旋翼机之间一个根本的不同在于：在依靠动力维持飞行的过程中，旋翼机旋翼系统工作在自旋状态下。

这意味着旋翼依靠向上流过翼面的气流维持自身的自由旋转，而不是通过发动机的动力旋转翼面，从上方吸收气流。

[图16-1]在自旋过程中产生的力一方面维持旋翼的旋转，另一方面产生将飞行器维持在空中的升力。

从空气动力学的角度而言，在正常飞行时旋翼机旋翼系统的运转和直升机的旋翼系统在发动机失效时，向前自旋下降时的运转方式一样。

图16-1. 在旋翼机上气流通过旋翼系统的方向和动力飞行状态下的直升机相反。

这些气流是把动力从旋翼机发动机传送到旋翼系统并保持旋翼自转的媒介。

[垂直自旋]
在垂直自旋过程中，旋翼桨片遇到的相对风由两个基本的组成部分。

如图16-2所示，一个是向上的通过旋翼系统的空气流，在一个给定的飞行条件下该气流保持相对不变。

另一个分量是桨叶旋转造成的周向气流（旋转方向的相对气流，译者注）。

这个分量的大小和离开旋翼叶毂的距离关系很大。

举例来说，考虑一个转速300转/分钟(r.p.m)的直径25英尺的桨盘，在离开旋翼叶毂1英尺的位置上的一点，桨叶沿着一个周长6.3英尺的圆运动，这时的线速度大约为31.4英尺/秒(f.p.s) 或者21英里/小时(m.p.h)。

在翼尖上的一点，旋转周长大约是78.5英尺，在同样的转速下，速度大约为393英尺/秒，或者267英里每小时。

这样情况下造成的结果是翼尖的相对风速更大，而相对于旋翼的攻角更小（如图16-3）。

图16-2. 在垂直自旋中，桨叶旋转造成的相对气流和向上的气流合成了最终流经翼型表面的气流。

图16-3. 沿着旋翼向外移动，旋转速度的增加超过了气流的向上的速度分量，造成更快的相对气流和更低的攻角。

[桨盘分区]
无论选用什么样的翼型，旋翼产生的升力总是垂直于相对气流的方向。

处于自旋中的旋翼相对气流的攻角在内侧较大而在外侧较小，因此靠近桨毂的内侧旋翼产生的升力具有较大的向前分量，而靠近翼尖的旋翼产生较大的垂直分量。

这种现象造成了桨盘的不同功能分区，从而产生自旋状态下飞行所必需的力。

如图16-4所示，自旋区域，又称驱动区域，产生的总气动力(TAF)的前向分量超过所有的后向空气阻力的总和，从而保持了桨叶的旋转。

螺旋桨区，又称被驱动区，产生的总气动力具有较大的垂直分量，从而保证旋翼机能够在空中飞行。

靠近桨盘中心是失速区。

在失速区里桨叶周向运动的相对气流太小，以至于合成气流的角度超过了翼型的失速极限。

失速区对桨叶旋转产生空气阻力，必须依靠驱动区域产生的前向力来克服。

图16-4 总气动力在被驱动区落后于旋转轴，在驱动区领先于旋转轴。

空气阻力是失速区的主要气动力。

垂直自旋的全面力学分析参见《第三章直升机飞行空气动力学》，图3-22。

[向前飞行时的自旋]
截至目前我们讨论的都只是旋翼机垂直下降时自旋的空气动力学。

通常情况下旋翼机都是向前飞行的，因此由于向前的飞行速度引起的相对气流与旋翼的相互作用也必须
考虑在内。

这个气流分量不影响造成桨叶自旋的空气动力学原理，但是会造成桨盘不同区域的形状变化。

当旋翼机在空气中向前运动时，向前的运动速度对于前行桨叶而言将造成相对气流的速度加快，对后行桨叶而言则减小相对气流的速度。

为了应对桨盘两侧升力的不平衡，前行桨叶在跷跷板的作用下翘起以减小攻角和升力，与此同时后行桨叶向下以增加攻角和升力。

（关于升力不平衡的详细讨论参见《第三章-直升机飞行空气动力学》）前行桨叶的攻角减小导致驱动区域变大，同样,后行桨叶的攻角增加导致更大的失速区域。

向前飞行导致原有的桨盘分区向后行桨叶方向移动，其大小和程度和飞行器的飞行速度大小有关。

参见图16-5。

图16-5：向前自旋飞行的桨盘分区
[逆向气流]
对于向前飞行的旋翼系统而言，逆向气流（译者：简称反流或者逆流）发生在桨盘后行侧靠近桨毂的部分。

这主要是由于飞行速度大于桨叶的旋转速度造成的。

举例来说，桨毂以外2英尺的位置，桨叶旋转一周的周长是12.6英尺。

当转速为300r.p.m时，该点的速度是42 m.p.h。

如果这时飞行速度为42 m.p.h，在该点上的运动速度刚好互相抵消。

从这一点向里桨叶的旋转速度会小于飞行速度，这会造成气流冲击桨叶后缘，相对速度随着向桨毂内部移动而增加。

如图16-6所示，逆流区域主要由飞行速度决定，速度增加时逆流区域变大。

在一定程度上旋翼系统的旋转速度也会影响这个区域的大小，转低转速更易受逆流的影响，逆流的区域也更大。

图16-6. 向前飞行时由于飞行速度超过桨叶转速从而在旋翼后行侧形成逆流区域。

[逆行桨叶失速]
在直升机中逆行桨叶失速通常发生在翼尖上，而旋翼机则通常发生在桨毂向外20% ~ 40%位置的区域而不是翼尖上。

主要原因在于旋翼机工作在自旋状态下，向前飞行的时候存在后行桨叶靠近桨毂的位置存在固有的失速区域（参见图16-5）。

随着飞行速度的增加，后行桨叶的攻角增加以应对升力不对称，这时后行桨叶上的失速区域会向外扩张。

由于失速区位于桨盘的内部而不是像直升机一样位于翼尖的位置，所产生的力关于飞行器重心的影响较小。

造成的影响是飞行时会感觉到增加了轻微的震动，而不是很大的前后倾或者是横摆趋势。

至此，经过两天的努力，关于自旋部分的翻译已经完成。

由于时间仓促没能认真的校对和检查。

疏漏和错误之处在所难免，各位看官请不吝赐教！
看到论坛里有很多关于自旋的分析，读罢总觉得在分析方法上有些不足，也觉得大家没有必要在成熟的理论问题上浪费很多时间，毕竟我们的目的是飞行不是学术。

“勿在浮沙筑高台。

”翻译此文的目的在于希望帮助大家避免走长路。

[旋翼受力分析]
同任何重于空气的飞行器一样，旋翼机飞行时也受到升力，重力，推力和阻力这四种力的作用。

旋翼机的升力来自于旋翼系统，推力直接来自螺旋桨。

如图16-7所示，旋翼产生的力可以分为两个分量：旋翼升力和旋翼空气阻力。

垂直于飞行路径的是旋翼升力，平行于飞行路径的是空气阻力。

为了推出整体的飞行器空气阻力反应，必须把机身空气阻力计算在内。

图16-7.在向前飞行时，旋翼机的旋翼系统所受的气动合力方向与直升机相反
[旋翼升力]
旋翼升力可以简单的想象成为支撑飞行器重量的升力。

当翼面产生升力的同时，空气阻力也就伴随着产生了。

对一个给定的翼型，最有效的攻角是产生最大升力和最小阻力的角度。

然而旋翼桨叶并不是工作在这种有效的角度，在每一圈的旋转过程中攻角都在发生变化。

而且，旋翼系统必须保持一定的自旋桨距以持续地产生升力。

有一些旋翼机安装了小的附加机翼以便在较高巡航速度飞行时产生升力。

这些附加的机翼产生的升力可以作为旋翼升力的补充，甚至可以完全取代旋翼升力。

[旋翼空气阻力]
合成的旋翼空气阻力是作用在桨叶的每个桨叶位置上的旋翼空气阻力的总合。

每一个桨叶位置的贡献根据速度和角度的不同而不同。

当旋翼桨叶旋转的时候，根据不同的位置，旋翼速度，飞行速度等的不同空气阻力也在不断的快速变化。

桨盘攻角的变化可以快速有效地影响空气阻力的变化。

旋翼阻力可以分为诱导阻力(induced drag)和翼型阻力(profile drag)。

诱导阻力是升力的结果，而翼型阻力是旋翼转速的函数。

由于诱导阻力旋翼产生升力的结果，翼型阻力可以被看作是不产生升力时的旋翼阻力。

这个阻力可以被理解成在不产生升力的情况下，预旋时为了达到给定的飞行转
速所要克服的空气阻力。

在具备对称翼型和可变桨距的旋翼机上，这种工作状态可以通过设置旋翼攻角为0度实现。

对于安装非对称翼型和固定桨距角的旋翼系统，必须在预旋时克服诱导阻力。

而大多数的业余制作的安装跷跷板的旋翼系统正是属于这一类。

[推力]
自旋翼机的推力定义为螺旋桨产生的气动力中平行于相对来流的分量。

和其他的作用于飞行器的力一样，推力作用在重心(译者：center of gravity,简称CG，是自旋翼机的重要常用缩写之一)附近。

根据推力作用的位置与重心的关系，螺旋桨的气动力会有一个较小的垂直于相对来流的分量，并且根据位置关系可以表现为额外的升力或者重量。

飞行的时候，机身本质上相当于一个悬挂在旋翼系统下面的重锤，因此容易产生类似于直升机的钟摆运动(pendular action)。

和直升机不同的是，自旋翼机的推力直接作用于机身之上而不是通过旋翼系统获得。

由此，在飞行的时候作用在自旋翼机和直升机上的力也不尽相同。

例如：发动机力矩会使得机身向与螺旋桨转向相反的方向偏转几度，从而使得机身偏离垂直平面。

如图16-8所示,通常在大多数的飞行条件下，这种轻微的偏斜是可以忽略的，也不会产生重要影响。

钟摆运动—由于悬挂在旋翼系统下方造成的机身的横向或者纵向摆动,类似于钟摆的运动。

进一步的讨论参见《第三章-直升机飞行空气动力学》
图16-8: 作用在螺旋桨上的发动机力矩有一个大小相同，方向相反的力矩作用在机身上，使得机身在飞行时偏离垂直方向一些。

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[稳定性]
飞行器的稳定性有助于减轻飞行员的负担增加安全性。

类似于典型的通用飞行教练机一样，一架稳定的飞行器，需要飞行员较少的精力去维持期望的飞行的姿态，在遇到阵风(Gust of wind)或者其他外力的影响的时候会自动修正姿态。

相反的，一架不稳定的飞机需要飞行员持续不断的保持注意力以维持飞机的控制。

有很多因素影响自旋翼机的稳定性。

其中一个是水平安定面的位置。

另一个是机身阻力与重心的关系。

第三个是绕俯仰轴的惯性距，第四个是螺旋桨推力线与重心的垂直位置的关系。

然而最重要的因素是旋翼力的作用线和重心水平位置的关系。

[水平安定面]
水平安定面有助于增加纵向的稳定性，离开重心越远越是有效。

因为升力正比于速度的平方，所以飞行速度越高水平安定面也就越有效，由于自旋翼机的速度不是很高，制造者可以通过改变水平安定面的大小，调整到重心的距离，或者放置在螺旋桨滑流(slipstream)中来获得期望的稳定性。

[机身阻力(压力中心)]
如果机身阻力或者压力中心位于重心的后面，自旋翼机被认为是更稳定的设计。

对于绕垂直轴的偏航运动尤其是这样。

为了达到这个条件就必须有足够大的垂直尾翼面。

另外，自旋翼机需要一个平衡的纵轴压力重心以获得足够的周期运动（cyclic movement）防止机头压低或者抬升, 当速度增加时前面的区域聚集了很多的压力。

[俯仰惯量]
不用改变整体重量和重心位置，把重量配置得离重心越远，自旋翼机就越稳定。

例如，将飞行员的座位从重心向前移，将发动机从重心向后移，保持重心不变的情况下，自旋翼机会变得更加稳定。

这和走钢丝者(tightrope walker)用一根长棍来增加自身的平衡是相同的原理。

[螺旋桨推力线]
仅针对螺旋桨推力线本身而言，如果高于重心，当增加推力的时候，自旋翼机会有头部向下的趋势，而推力减小是会有抬头的趋势。

螺旋桨推力线低于重心时，相反的情况会发生。

如果推力线恰好通过重心或者在附近通过时，自旋翼机就不会有头部俯仰的动作发生。

如图16-9所示。

图16-9.螺旋桨推力线高于重心的自旋翼机通常称为低姿(Low Profile)自旋翼机。

螺旋桨推力线低于重心的被认为是高姿(High Profile)自旋翼机.
[旋翼力]
由于一些自旋翼机根本没有水平稳定面，而且螺旋桨推力线也是各不相同，自旋翼机的制造者可以通过把重心调整到旋翼力线的前面或者后面来获得期望的稳定性。

如图
16-10，假设向前飞行时CG位于旋翼力线的后方。

如果阵风增加了攻角，旋翼力增大了。

这同时导致了先后行桨叶的升力差，从而增加了桨叶挥舞角，导致旋翼的抬起。

这个俯仰动作增加了相对于重心的力矩，导致攻角的进一步增加。

这样的结果是一种不稳定的状态。

如果CG位于旋翼力线的前方，阵风增加了攻角，导致桨盘产生同样的反应，但是这时旋翼力的增大和桨叶挥舞将减小力矩，从而减小攻角，这种情况就是一种稳定状态。

[配平条件(TRIMMED CONDITION)]
如前所述，制造者通过组合不同的稳定性因素来获得一架配平的自旋翼机（trimmed gyroplane）.
例如，如果你有一架重心低于螺旋桨推力线的自旋翼机，在加力的时候螺旋桨推力会造成头部向下的俯仰力矩。

在这种类型的自旋翼机上, 为了补偿这种俯仰力矩，重心通常位于旋翼力线的后方。

这个位置会产生一个抬头的俯仰力矩。

相反的，如果重心高于螺旋桨推力线，重心通常那个位于旋翼力线的前方。

当然，机身阻力的位置，俯仰惯量和附加的水平稳定面都可以影响重心的位置。

图16-10.重心位于旋翼力线前方的旋翼机比重心位于旋翼力线后方更稳定.
至此，本章全部完成。

这本飞行手册本来就是本科普读物，其中的空气动力学部分浅显易懂，又显得十分重要。

希望本文能够为各位飞友提供一些基本的空气动力学常识。

基础知
识并不是DIY所必需的，照瓢画葫芦也是可行之路。

但是打好基础可以让你事半功倍，快速准确的达成目的。

第18章自旋翼机系统组成
本章描述了自旋翼机结构上的很多特点尤其是旋翼头的部分，对了解旋翼头结构和工作方式很有帮助。

本章描述了自旋翼机结构上的很多特点尤其是旋翼头的部分，对了解旋翼头结构和工作方式很有帮助。

目录
推进系统 .......................................18-1
旋翼系统 .......................................18-1
半刚体旋翼系统..................................18-1
全铰接旋翼系统............ .......... ..........18-1
预旋器..........................................18-2
机械预旋............................ ...........18-2
液压预旋.......................... .............18-2
电预旋.............................. ...........18-3
翼尖喷气（Jets） ...............................18-3
仪表............................................18-3
发动机仪表......................................18-3
旋翼速度表 .....................................18-3
转弯侧滑仪......................................18-4。