直升机技术

直升机技术的特点及发展趋势

直升机技术特点

直升机是一种以动力装置驱动的旋翼作为主要升力和推进力来源，能垂直起落及前后、左右飞行的旋翼航空器。直升机发动机驱动旋翼提供升力，把直升机举托在空中，主发动机同时也输出动力至尾部的小螺旋桨，机载陀螺仪能侦测直升机回转角度并反馈至尾桨，通过调整小螺旋桨的螺距可以抵消大螺旋桨产生的不同转速下的反作用力。通过称为“倾斜盘”的机构可以改变直升飞机的旋翼的桨叶角，从而实现旋翼周期变距，以此改变旋翼旋转平面不同位置的升力来实现改变直升机的飞行姿态，再以升力方向变化改变飞行方向。同时，直升机升空后发动机是保持在一个相对稳定的转速下，控制直升机的上升和下降是通过调整旋翼的总距来得到不同的总升力的，因此直升机实现了垂直起飞及降落。

直升机最大的技术特点是将旋翼作为升力主要来源。一般来说直升机结构主要包括：旋翼，尾桨，机身，起落架，发动机和操纵机构。直升机上飞和前飞的动力皆由旋翼提供，是直升机上最重要的空气动力部件。旋翼由桨叶、桨毂、铰链、桨轴等部件构成，按其结构形式，一般可分为跷跷板式，铰接式，无铰式，轴承式等。旋翼的作用主要有，产生向上的力以克服机重，产生向前的水平分力使直升机向前，产生其它分力及力矩保持直升机平衡或进行机动飞行，若发动机空中停车，能自转产生升力，确保安全着落。

直升机旋翼产生升力的原理为：旋翼向下排压空气，形成旋翼尾流，同时从上方吸入空气。气流受到旋翼作用力，被加速、增压；同时对旋翼施加反作用力，即是旋翼拉力。为研究旋翼空气动力，在直升机空气动力学中一般会做出滑流假定，即假定空气无粘性，不可压缩；将旋翼作为作用盘，认为其产生稳定均布的诱导速度；而受旋翼作用的气流被简化为一流管，气流无扭转诱导速度。在这种假定下，可由动量定理和动能定理计算出旋翼拉力，桨盘载荷，功率载荷等参数。

然而，滑流理论难以对建立桨叶气动外形、运动特性和空气动力特性之间的关系，为解决这一问题，需要引入叶素理论。叶素理论认为桨叶由连续布置的无

限多个桨叶微段（即叶素）组成，着重分析叶素的运动、受力情况，建立叶素的几何特性、运动特性和空气动力特性之间的关系。

直升机空气动力学中一个重要的问题是前飞时桨叶的挥舞运动和摆振运动。由于在前飞过程中，前行桨叶的相对气流速度大于后行桨叶的相对气流速度，这种气流不对称造成了桨叶升力不对称，从而形成了侧翻力矩及根部大弯矩。为了解决这一问题，在桨叶根部设置挥舞铰，使得桨叶随升力增减而上下挥舞，从而使桨叶迎角随之发生变化，使得桨叶升力趋于均衡。通过这种方式，消除了侧翻力矩，使得挥舞铰处弯矩为0。挥舞运动是典型的周期性振动，挥舞固有频率正是旋翼的旋转角频率，因而一阶挥舞是对于一阶空气动力谐波的共振。对于桨叶的摆振运动，是由于桨叶上下挥舞时，其质心至旋转中心的距离周期性改变，会在旋转平面内产生科氏力，在桨根引起很大的交变弯矩。在桨根设置摆振铰，容许桨叶在科氏力作用下前后摆振，消除了交变弯矩。

桨叶的变距运动是指通过自动倾斜器和变距铰，使旋翼桨叶桨距周期改变。桨叶的升力随之改变。直升机的飞行操纵主要包括，升降、前后左右飞以及航向操纵。其中升降是通过操纵旋翼总桨距来改变拉力大小。前后左右飞是通过操纵桨叶周期变距和改变旋翼锥体（拉力）倾斜方向和角度，而航向操纵则是通过操纵尾桨总距，改变尾桨拉力值。变距引起周期挥舞，使旋翼锥体倾斜。周期变距改变了桨叶原先的升力，引起新的挥舞运动。桨叶将在一个新的轨迹面上稳定旋转，相对该平面不再有周期变距，即新的桨尖轨迹平面与操纵平面平行：周期变距操纵引起同等大小的挥舞，因而变距与挥舞等效。

直升机的另一技术特点是自转下滑性能。自转下滑，主要用于发动机或传动系统故障、尾桨失效时的应急处置，是直升机必要的安全性能。在自转下滑过程中，选定着陆点。着陆前，利用前进及旋转动能转化为拉力功，减小速度及下降率。第一步，后拉驾驶杆，旋翼后仰，拉力增大，转速提高。减速、缓降；第二步，增大桨距，拉力再增大，下降率减至最小（转速下降）；第三步，前推杆纠正上仰姿态并接地，刹车停住。

直升机另一特有的飞行安全性能为垂直下降性能。由垂直飞行滑流理论，得到旋翼处气流合速度随升降速度的变化是两条双曲线。自悬停起至稳定自转前，这段垂直下降中流场紊乱，滑流理论不适用。垂直下降直升机垂直下降及陡降中，

旋翼尾流被下降相对气流吹回，在旋翼周围形成不稳定的大气泡，旋翼的作用变为搅动该气泡内的空气，即使增大桨距也不会增大升力。该气泡时破时合，直升机在颠簸中迅速下降，操纵失效。若有足够高度且处置适当：放低总距加大下降率，并坚持顶杆转为前飞，有可能改出，否则即发生坠地事故。

未来直升机技术发展展望

一、良好的乘坐舒适性

乘坐的舒适性是用户对直升机的重要使用要求之一。直升机严重的振动问题一直困扰着直升机的研制和普及。目前主动减振技术得到了广泛关注。为此，科研人员正在研究新的技术减振降噪，以提高乘客的舒适性。主要技术发展有：通过旋翼空气动力学和动力学分析与综合优化设计技术，减小旋翼振动载荷、改善桨涡干扰及噪声特性；采用先进的振动控制技术及智能结构，降低直升机机体振动水平；通过减速器噪声控制技术及舱内噪声主动控制技术降低和改善舱内噪声水平；改进舱内通风、空调及装饰，创造良好的乘坐环境。

二、驾驶智能化维护简易化

直升机的飞行驾驶复杂又困难。目前，国内外都正在致力于发展一种先进的直升机飞行操纵系统，这就是智能操纵系统。智能操纵系统的目标在于大幅度改善直升机飞行品质，降低飞机的操纵难度，使之完全适合于任何飞行任务；与此同时，依靠快速发展的航空电子设备，包括导航通信、气象监控、飞行控制系统、座舱综合显示系统等，进一步降低直升机的驾驶难度。

简化直升机的维护难度和复杂程度，采用低维护性设计，如结构模块化、附件集成化、无润滑、自检系统等，使得直升机的维护工作简单易做；包括设置必要的辅助设备，良好的防冰、防蚀、防砂能力，使得直升机的使用不受天气或地区的限制，以提高全天候的适应性。

三、高机动性与敏捷性

用于对地面、海面攻击的专用武装直升机正迅速发展，这类直升机除了机载火力和航电系统外，将重点提高机动能力和高敏捷性。这里主要指大过载及负过载飞行能力、操纵响应迅速并精确控制、全天候贴地飞行性能。为了提高直升机的机动性和敏捷性，以下几方面的技术将得到重点发展。