直升机的飞行以及控制原理

升力产生原因

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。这些优点都是固定翼飞机无法比拟的,因此在军用和民用方面直升飞机都得到了广泛应用。那么直升机没有固定的机翼,又是如何实现飞行的呢?直升机为了飞行,需要克服下面几个问题。

1克服重力


在前文说鸟飞翔的时候(传送门:鸟是如何飞上天空的),为了飞上蓝天,需要克服重力和前进的阻力。这对于所有要飞上天空的物体都是类似的,直升机也不例外。先说克服重力,直升机是靠机翼旋转克服重力的,这点大家基本都知道。可是直升机的旋翼和我们平时家里夏天吹的风扇除了尺寸大小差异外还有什么不同吗?

其实两者差异还是非常大的,风扇的叶片大家都看到就是薄薄的一层塑料或铁片,他的主要作用是能够吹出尽可能多的风,起到更好的冷却效果。而直升飞机的旋翼则要复杂一些。旋翼的剖面和固定翼飞机的有点类似,而且在不同的部位还有变化。这就相当于把固定翼飞机机翼的直线运动转化为了圆周运动,从而利用旋翼上下的压力差产生了足够克服飞机重力的升力,使飞机可以离开地面。。

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历史上真正具有实用意义的、带尾桨的第一架直升机是1939年由 Igor Sikorsky 设计的VS-300。只不过当时的飞机以现在的眼光看还是非常简陋的,但是其最大速度却能达到300公里/小时。

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时至今日,大多数直升机仍然同1939年的设计一样配有尾桨。那么尾桨又有什么用呢?

2克服旋转力矩,保持稳定用过电钻的人都知道,钻东西的时候手必须要握紧把手,不然钻体可能要沿与钻头相反的方向旋转。这也是作用力(力矩)与反作用力(力矩)的体现。直升飞机与此类似,必须要克服旋翼的反作用力矩。下图中箭头1为旋翼旋转方向,在反作用力矩的作用下机身有沿箭头2方向旋转的趋势。而尾桨的目的就是产生一个沿箭头3方向的力,不让机身旋转。

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目前的大多数直升机都是采用尾桨的设计来平衡力矩,但也有一些比较特殊的设计,也可以达到此目的。一个取代尾桨的方案是麦道公司的 NOTAR,NOTAR 是 No Tail Rotor(意为无尾桨)的简称,用喷气引射和主旋翼下洗气流的有利交互作用形成反扭力。还有一种设计是通过采用两个旋转方向相反的旋翼,从而使两者的反作用力矩抵消,实现机身稳定的目的。

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3克服前进阻力解决了上升和机身旋转的问题,接下里就是如何产生前进的动力。再装一个螺旋桨?似乎可行,但是系统太复杂了,而且成本也会大幅上升。把发动机和旋翼向前倾斜,同时提供升力和前进的动力?似乎是个不错的选择。这时候就轮到也给关键人物出场了-旋转斜板(swash plate)。通过旋转斜盘的倾斜,旋翼将产生一个红色箭头方向的扭矩。

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在此扭矩的作用下,飞机将会沿与力矩垂直的方向产生倾斜,而不是沿着力矩的方向。这种效果称之为陀螺进动(gyroscopic precession)。但不管怎样,通过调整旋转斜盘的方向,飞机可以克服阻力向前飞行了。

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具备了以上三个能力,直升机就可以自由飞行了。

再补充一下,由于直升机是靠旋转产生升力的,当飞行高度增加的时候,由于空气稀薄,为了产生足够的升力就要提高转速。但是当转速超过500转/分种的时候,旋翼的翼尖速度就接近或着超过音速了,这时候空气特性会发生很大变化,阻力也变得非常大,很容易发生事故。多以大部分直升机都无法飞到固定翼飞机的巡航高度。

 

 

拉力的产生

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直升机在地面停放时旋翼的桨叶会因为自身重量的作用呈自然下垂状态。直升机飞行时,旋翼不断旋转,空气流过桨叶上表面,流管变细,流速加快,压力减小;空气流过桨叶下表面时,流管变粗,流速变慢,压力增大。这样以来桨叶的上下表面就形成了压力差,桨叶上产生一个向上的拉力。拉力大小受到很多方面影响,比如桨叶与气流向遇时的角度、空气密度、机翼的大小和形状,还有和气流的相对速度等。各桨叶拉力之和就是旋翼的拉力。

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直升机飞行时,旋翼的桨叶会形成一个带有一定锥度的底面朝上的大锥体,将其称为旋翼椎体。旋翼的拉力垂直于旋翼椎体的底面,当向上的拉力大于直升机自重,直升机就上升,小于直升机自重,直升机就下降,刚好相等,直升机就悬停。

通过控制旋翼椎体向前后左右各方向的倾斜,就可以改变旋翼拉力的方向,从而实现直升机向不同方向的飞行。

“恼人”的反作用力

牛顿第三定律告诉我们“相互作用的两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等,方向相反,作用在同一条直线上”。所以当直升机驱动旋翼旋转时,旋翼也必然会对直升机产生一个反作用力矩,如果只有一个旋翼,没有其他措施,直升机机体会进入“不由自主”的旋转。

 

为此设计者想了很多控制反作用力矩的方法,比如按照左右并排,前后纵列,上下共轴,交叉互切等布局给直升机装上两个大小相等,旋转方向相反的旋翼来抵消相互的反作用力矩,再比如用喷气引射和主旋翼下洗气流的有利交互作用抵消反作用力矩,但是最简单的还是在机尾装一个垂直旋转的小旋翼,称之为尾桨,通过或“拉”或“推”的方式抵消反作用力矩,这也是现代大多数直升机普遍采取的方式。本文在探讨有关问题时,除特殊说明外,均是指这种单旋翼带尾桨的直升机。

通过控制尾桨“拉力”或“推力”的大小,可以达到使直升机偏转的目的,从而实现直升机的转向。

尾翼

在直升机上,一般这两个翼面被称为安定面,即垂直安定面和水平安定面,因为大部分直升机的尾翼是固定在尾巴上的,并不具有操控功能。

平尾由水平安定面和升降舵两部分组成,其中前面面积较大的翼面叫做水平安定面,后面面积稍小的翼面叫做升降舵。主要功能是控制飞机的俯仰角度,确保飞机处于最佳飞行姿态。

平尾就是增强一下稳定性,其他作用比较小。可动的还能起到升降舵的作用,但仅仅是辅助,没有固定翼飞机那么强的作用。

 

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尾旋翼

牛顿第三定律告诉我们“相互作用的两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等,方向相反,作用在同一条直线上”。所以当直升机驱动旋翼旋转时,旋翼也必然会对直升机产生一个反作用力矩,如果只有一个旋翼,没有其他措施,直升机机体会进入“不由自主”的旋转。

尾旋翼是指单旋翼直升机为平衡旋翼扭矩产生的反作用力矩而在机身尾部所装置的小型旋翼。其构造与旋翼基本相同,其旋转平面平行于直升机的对称面。

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尾旋翼的作用

提供反力矩,保持飞机的平衡,同时,利用尾桨的变矩作用控制直升机的航向。

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直升机飞行时,旋翼旋转的反作用扭矩会使直升机向与旋翼旋转的相反方向转动,尾桨产生的拉力可抵消这种转动而实现航向稳定。

垂直安定面是垂直尾翼中的固定翼面部分。当飞机沿直线作近似匀速直线运动飞行时,垂直安定面不会对飞机产生额外的力矩。但当飞机受到气流的扰动机头偏向左或右时,此时作用在垂直安定面上的气动力就会产生一个与偏转方向相反的力矩,可以使飞机保持航向。而且一般来说,飞机偏航得越厉害,垂直安定面所产生的恢复力矩就越大。所以垂直安定面的作用是提供飞机横向静稳定性的功能。如果飞机在飞行时突然失去了垂尾,飞机不但无法控制方向,还会受气流横向摆动变得难以控制。

方向舵顾名思义就是用来控制飞机转向的,它是垂直尾翼中可偏转的翼面部分。方向舵偏转后会对飞机在机尾产生一个横向力矩。

直升机各种力和力矩的来源:

前飞动力:由旋翼桨盘前倾产生。

升  力:由旋翼产生。

俯仰力矩:由旋翼桨盘前后倾斜产生。

滚转力矩:由旋翼桨盘左右倾斜产生。

偏转力矩:由尾桨拉力大小变化产生。

结论:两者的动力和操纵力矩产生方式完全不同。

固定翼飞机操纵力矩来自于各个可动舵面。

直升机除了偏转力矩之外,其余动力和操纵力矩全部来自旋翼。

 

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参考资料

10分钟看懂直升机飞行原理!然后你就明白为什么会坠落了

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