直升机旋翼技术

2.5 直升机与旋翼机的飞行原理
2.5.1 直升机的飞行原理
1. 概况 与普通飞机相比，直升机不仅在外形上，而且在飞行原理上都有所不同。一般来讲它 没有固定的机翼和尾翼， 主要靠旋翼来产生气动力。 这里所说的气动力既包括使机体悬停和 举升的升力， 也包括使机体向前后左右各个方向运动的驱动力。 直升机旋翼的桨叶剖面由翼 型构成，叶片平面形状细长，相当于一个大展弦比的梯形机翼，当它以一定迎角和速度相对 于空气运动时，就产生了气动力。桨叶片的数量随着直升机的起飞重量而有所不同。重型直 升机的起飞重量在 20t 以上，桨叶的数目通常为六片左右；而轻、小型直升机，起飞重量在 1.5t 以下，一般只有两片桨叶。 直升机飞行的特点是： (1) 它能垂直起降，对起降场地要求较低； (2) 能够在空中悬停。即使直升机的发动机空中停车时，驾驶员可通过操纵旋翼使其自 转，仍可产生一定升力，减缓下降趋势； (3) 可以沿任意方向飞行，但飞行速度较低，航程相对来说也较短。 2. 直升机旋翼的工作原理 直升机旋翼绕旋翼转轴旋转时，每个叶片的工作类同于一个机翼。旋翼的截面形状是 一个翼型，如图 2.5.1 所示。翼型弦线与垂直于桨毂旋转轴平面(称为桨毂 旋转平面)之间的 夹角称为桨叶的安装角，以表示，有时简称安装角或桨距。各片桨叶的桨距的平均值称为 旋翼的总距。 驾驶员通过直升机的操纵系统可以改变旋翼的总距和各片桨叶的桨距， 根据不 同的飞行状态，总距的变化范围约为 2º~14º。
前缘 b

V 桨毂旋转面 后缘 桨毂旋转轴线
(a) 图 2.5.1 直升机的旋翼
(b)
气流 V 与翼弦之间的夹角即为该剖面的迎角。显然，沿半径方向每段叶片上产生的空 气动力在桨轴方向上的分量将提供悬停时需要的升力； 在旋转平面上的分量产生的阻力将由 发动机所提供的功率来克服。 旋翼旋转时将产生一个反作用力矩， 使直升机机身向旋翼旋转的反方向旋转。 前面提到 过，为了克服飞行力矩，产生了多种不同的结构形式，如单桨式、共轴式、横列式、纵列式、 多桨式等。对于最常见的单桨式，需要靠尾桨旋转产生的拉力来平衡反作用力矩，维持机头 的方向。使用脚蹬来调节尾桨的桨距，使尾桨拉力变大或变小，从而改变平衡力矩的大小， 实现直升机机头转向(转弯)操纵。
2.5.3 旋翼机的飞行原理
从外形看，旋翼机和直升机几乎一模一样：机身上方安装有大直径的旋翼，在飞行中靠 旋翼的旋转产生升力。 但是除去这些表面上的一致性， 旋翼机和直升机却是两种完全不同的 飞行器。 旋翼机实际上是一种介于直升机和飞机之间的飞行器， 它除去旋翼外， 还带有推进螺旋 桨以提供前进的动力， 有时也装有较小的机翼在飞行中提供部分升力。 旋翼机的旋翼不与发 动机传动系统相连，在旋翼机飞行的过程中，由前方气流吹动旋翼旋转产生升力，是被动旋 转；而直升机的旋翼与发动机传动系统相连，既能产生升力，又能提供飞行的动力，是主动 旋转。在飞行中，旋翼机同直升机最明显的分别为：直升机的旋翼面向前倾斜，而旋翼机的 旋翼则是向后倾斜的。 由于旋翼机的旋翼为自转式， 传递到机身上的扭矩很小， 因此旋翼机无需单旋翼直升机 那样的尾桨，但是一般装有尾翼，以控制飞行。 有的旋翼机在起飞时，旋翼也可通过“离合器”同发动机连接，靠发动机带动旋转而产 生升力，这样可以缩短起飞滑跑距离。等升空后再松开离合器随旋翼在空中自由旋转。 旋 翼机飞行时，升力主要由旋翼产生，固定机翼仅提供部分升力。有的旋翼机甚至没有固定机 翼，全部升力都靠旋翼产生。 旋翼机的飞行原理和构造特点决定了它的速度慢、升限低、机动性能较差，但它也有着 一些优点：(1)安全性较好；(2)振动和噪音小；(3)抗风能力较强。 由于旋翼机的旋翼旋转的动力是由飞行器前进而获得， 如果发动机在空中停车， 旋翼机 仍会靠惯性继续维持前飞，并逐渐减低速度和高度，高度下降的同时，自下而上的相对气流 可以为维持旋翼的自转， 从而提供升力。 这样， 旋翼机便可凭飞行员的操纵安全地滑翔降落。 即使在飞行员不能操纵，旋翼机失去控制的特殊情况下，也可以较慢速度降落，因而是比较 安全性的。当然，直升机也是具备自转下降安全着陆能力的。但它的旋翼需要从有动力状态 过渡到自转状态，这个过渡要损失一定高度。如果飞行高度不够，那么直升机就可能来不及 过渡而触地。旋翼机本身就是在自转状态下飞行的，不需要进行过渡，所以也就没有这种安 全转换所需的高度约束。 由于旋翼机的旋翼是没有动力的， 因此它没有由于动力驱动旋翼系统带来的较大的振动 和噪音，也就不会因这种振动和噪音而使旋翼、机体等的使用寿命缩短或增加乘员的疲劳。 旋翼机动力驱动螺旋桨对结构和乘员所造成的影响显然比直升机动力驱动旋翼要小得多。 另 外，旋翼机还有一个很可贵的特点，就是它的着陆滑跑距离大大短于起飞滑跑距离，甚至可 以不需滑跑，就地着陆。 旋翼机的抗风能力较高，而且在起飞时，风有利于旋翼的起动和加速旋转，可以缩短起 飞滑跑的距离，当达到足够大的风速时，一般的旋翼机也可以垂直起飞。一般来说，旋翼机 的抗风能力强于同量级的固定翼飞机，而大体与直升机的抗风能力相当，甚至“在湍流和大 风中的飞行能力超出直升机的使用极限” 。 旋翼机可分为两类， 一类是需要滑跑起飞的， 这种比较简单， 大多数旋翼机属于这一类。 另一类是可垂直起飞的，其起飞方法有三种：一种是带动力驱动它的旋翼；第二种是用预转
图 2.5.3 旋翼操纵机构
图 5.4 周期变距图解
2.5.2 直升机的构型变化
直升机旋翼的旋转产生了升力的同时，空气对旋翼的反作用也形成了一个与旋翼旋转 方向相反的作用力矩， 驱使直升机的机体反向旋转， 这就是所谓的直升机力矩及力矩平衡问 题。 较早致力于力矩和力矩平衡方面研究的是德国人贝纳恩 (B ． R ． Beenal) 和阿赫班奇 (Achenbach)。他们两人分别于 1897 年和 1874 年提出安装一个尾桨来平衡直升机旋翼产生 的反向力矩的方案。通过安装尾桨，可产生一个平衡力矩，以抵消旋翼力矩，保证直升机的 平衡飞行。实际上这就是后期发展成熟的单桨式直升机的萌芽。此后，许多直升机事业的先 驱者都试图研究并解决飞行力矩问题， 运用两个或更多的旋翼来克服飞行力矩， 其原理是使 这些旋翼以相反的方向旋转， 使各自的飞行力矩彼此抵消保证平衡。 探索的结果导致了直升 机几种不同的结构形式：单桨式、共轴式、横列式、纵列式、多桨式等的问世。 单桨式成为后来实用直升机的主要形式。这种形式最早出现于 1874 年，是阿赫班奇设 计的。 这架水蒸气机驱动的直升机包含一个举力旋翼和一个推进式螺旋桨， 一个方向舵和一 个尾桨。这是用尾桨平衡直升机力矩的第一架直升机。 共轴式结构是在同一个轴上安装两个旋转方向相反的旋翼，这样两旋翼所产生的力矩 就彼此抵消了。 早期直升机多采用这种结构形式， 其最早的设计是布莱特于 1859 年作出的。 由于动力的缘故， 这架直升机没有进行过试验。 早期取得一定成功的共轴式直升机是美国人 埃米尔·贝林纳(E．Beliner)于 1909 年设计的。他的直升机安装了两台发动机，与共轴的旋 翼相连。旋翼采用坚硬的木质桨叶，通过倾斜整个族翼及部分机身来达到控制。这架直升机 成功地飞行了三次。
3. 直升机旋翼的操纵 直升机的飞行控制与飞机的飞行控制不同， 直升机的飞行控制是通过直升机旋翼的倾斜 实现的。直升机的控制可分为垂直控制、方向控制、横向控制和纵向控制等，而控制的方式 都是通过旋翼实现的， 具体来说就是通过旋翼桨毂朝相应的方向倾斜， 从而产生该方向上的 升力的水平分量达到控制飞行方向的目的。 直升机体放在地面时，旋翼受其本身重力作用而下垂。发动机开车后，旋翼开始旋转， 桨叶向上抬，直观地看，形成一个倒立的锥体，称为旋翼锥体，同时在桨叶上产生向上的升 力。 随着旋翼转速的增加， 升力逐渐增大。 当升力超过重力时， 直升机即铅垂上升(图 2.5.2)； 若升力与重力平衡，则悬停于空中；若升力小于重力，则向下降落。 旋转旋翼桨叶所产生的拉力和需要克服阻力产生的阻力力矩的大小， 不仅取决于旋翼的 转速，而且取决于桨叶的桨距。从原理上讲，调节转速和桨距都可以调节拉力的大小。但是 旋翼转速取决于发动机(通常用的是涡轮轴发动机或活塞式发动机)主轴转速；而发动机转速 有一个最有利的值，在这个转速附近工作时，发动机效率高，寿命长。因此，拉力的改变主 要靠调节桨叶桨距来实现。但是，桨距变化将引起阻力力矩变化，所以，在调节桨距的同时 还要调节发动机油门，保持转速尽量靠近最有利转速工作。 直升机的平飞依靠升力倾斜所产生的水平分量来实现。例如，欲向前飞，需将驾驶杆向 前推，经过操纵系统，自动倾斜器使旋翼各桨叶的桨距作周期性变化，从而改变旋翼的拉力 方向，使旋翼锥体前倾，产生向前的拉力(图)，将直升机拉向前进。 直升机的方向是靠尾桨控制的。欲使直升机改变方向，则需踩脚蹬，改变尾桨的桨距， 使尾桨拉力变大或变小，从而改变平衡力矩的大小，实现机头指向的操纵。
图 2.5.5 直升机的构型
(a) 单旋翼直升机 (c) 纵列双旋翼直升机 (b) 共轴双旋翼直升机 (d) 横列双旋翼直升机
纵列式结构是通过沿身体前后排列的两个旋向相反的旋翼，来克服直升机的力矩的。 1907 年， 法国人泡特· 科努(P． Comu)制造了一个外形结构与纵列式结构非常相似的直升机， 并成功地进行了—它行试验， 但这种结构在早期发展的直升机中较多采用， 主要原因是机身 长，重心变化范围大，稳定性差。 横列式结构是通过沿机体横向左右排列的两个旋转方向相反的旋翼来克服直升机力矩 的。这种结构的直升机最早出现在 1908 年与 1909 年间，是由美国人贝林纳设计制造的。 它
图 2.5.2 直升机的飞行
通过与操纵系统的连接，旋翼叶片的桨距调节变化可以按两种方式进行。第一种方式 是各叶片同时增大或减小桨距(简称总距操纵，驾驶员通过总距操纵杆来操纵控制)，从而产 生直升机起飞、悬停、垂直上升或下降飞行所需要的拉力。第二种方式是周期性调节各个叶 片的桨距(简称周期性桨距操纵)。比如打算前飞，就将驾驶杆向前推，推动旋转斜盘(也称自 动斜倾器)倾斜，使各个叶片的桨距作周期变化。每个叶片转到前进方向时，它的桨距减小， 产生的拉力也跟着下降，该桨叶向上挥舞的高度也减小；反之，当叶片转到后方时，它的桨 距增大，产生的拉力也跟着增加，该桨叶向上挥舞的高度也增大。结果，各个叶片梢(叶端) 运动轨迹构成的叶端轨迹平面或旋翼锥体， 将向飞行前进方向倾斜， 旋翼产生的总拉力也跟 着向前倾斜，旋翼总拉力的一个分量就成为向前飞行的拉力，从而实现了向前飞行。