直升機(jī)的飛行原理與空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)

直升機(jī)的飛行原理與空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)

直升機(jī)的飛行原理一般認(rèn)為，直升機(jī)技術(shù)要比固定翼飛機(jī)復(fù)雜，其發(fā)展也比固定翼飛機(jī)慢。但隨著對(duì)直升機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)、直升機(jī)動(dòng)力學(xué)等學(xué)科認(rèn)識(shí)的不斷深化和先進(jìn)航空電子技術(shù)、新工藝等的應(yīng)用，直升機(jī)在近年來也有了很大的發(fā)展，直升機(jī)的直線飛行最大速度的世界紀(jì)錄為400．87km／h，是英國“山貓”直升機(jī)于1986年8月11日創(chuàng)造的。除了創(chuàng)紀(jì)錄飛行，直升機(jī)的一般巡航速度在250～350km／h之間，實(shí)用升限達(dá)4000～6000m，航程達(dá)400～800km。與固定翼飛機(jī)相比，直升機(jī)存在速度小、航程短、飛行高度低、振動(dòng)和噪聲較大，以及由此引起的可靠性較差等問題。直升機(jī)飛行的特點(diǎn)是：它能垂直起降，對(duì)起降場(chǎng)地沒有太多的特殊要求；它能在空中懸停；能沿任意方向飛行；但飛行速度比較低，航程相對(duì)來說也比較短。當(dāng)前，直升機(jī)在民用和軍用的各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。特別是在軍用方面，武裝直升機(jī)在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中發(fā)揮的作用越來越大。此外，吊運(yùn)大型裝備的起重直升機(jī)以及偵察、救護(hù)、森林防火、空中攝影、地質(zhì)勘探等多用途直升機(jī)應(yīng)用也非常廣泛。2．6．1直升機(jī)旋翼的工作原理旋翼是直升機(jī)的關(guān)鍵部件。它由數(shù)片(至少兩片)槳葉和槳轂構(gòu)成，形狀像細(xì)長機(jī)翼的槳葉連接在槳轂上。槳轂安裝在旋翼軸上，旋翼軸方向接近于鉛垂方向，一般由發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)時(shí)，槳葉與周圍空氣相互作用，產(chǎn)生氣動(dòng)力。直升機(jī)旋翼繞旋翼轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，每個(gè)葉片的工作都與一個(gè)機(jī)翼類似。沿旋翼旋轉(zhuǎn)方向在半徑r處切一刀，其剖面形狀是一個(gè)翼型，如圖2—67(a)所示。翼型弦線與垂直于槳轂旋轉(zhuǎn)軸的槳轂旋轉(zhuǎn)平面之間的夾角稱為槳葉的安裝角(或槳距)，以表示，如圖2—67(b)所示。相對(duì)氣流與翼弦之間的夾角為該剖面的迎角。因此，沿半徑方向每段葉片上產(chǎn)生的空氣動(dòng)力R可分解為沿槳軸方向上的分量F和在旋轉(zhuǎn)平面上的分量D。F將提供懸停時(shí)需要的拉力；D產(chǎn)生的阻力力矩將由發(fā)動(dòng)機(jī)所提供的功率來克服。圖2-67直升機(jī)旋翼的工作原理旋翼旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的拉力和阻力的大小，不僅取決于旋翼的轉(zhuǎn)速，而且取決于槳葉的槳距。調(diào)節(jié)旋翼的轉(zhuǎn)速和槳距都可以達(dá)到調(diào)節(jié)拉力大小的目的。但是旋翼轉(zhuǎn)速取決于發(fā)動(dòng)機(jī)的主軸轉(zhuǎn)速，而發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速有一個(gè)最佳的工作范圍，因此，拉力的改變主要靠調(diào)節(jié)槳葉槳距來實(shí)現(xiàn)。但是，槳距變化將引起阻力力矩變化，所以，在調(diào)節(jié)槳距的同時(shí)還要調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)油門，保持轉(zhuǎn)速盡量靠近最有利的工作轉(zhuǎn)速。2．6．2直升機(jī)的布局特點(diǎn)旋翼在空氣中旋轉(zhuǎn)，對(duì)周圍空氣產(chǎn)生一個(gè)作用力矩，根據(jù)牛頓第三定律，空氣必定以大小相等、方向相反的力矩作用于旋翼，然后傳到機(jī)體上。此時(shí)如果不采取平衡措施，這個(gè)反作用力矩會(huì)使機(jī)體向旋翼旋轉(zhuǎn)的相反方向旋轉(zhuǎn)。為了平衡這個(gè)反作用力矩，需要采用不同的直升機(jī)布局形式。直升機(jī)的布局形式按旋翼數(shù)量和布局方式的不同可分為單旋翼直升機(jī)、共軸式雙旋翼直升機(jī)、縱列式雙旋翼直升機(jī)、橫列式雙旋翼直升機(jī)和帶翼式直升機(jī)等幾種類型。1．單旋翼直升機(jī)如圖2—68(a)所示，它是由一副旋翼產(chǎn)生升力，用尾槳來平衡反作用力矩的直升機(jī)。為了實(shí)現(xiàn)方向操縱及改善穩(wěn)定性，在機(jī)身尾部還安裝了水平尾翼和垂直尾翼。這種直升機(jī)構(gòu)造簡單，應(yīng)用最為廣泛，但尾槳要消耗7％～10％的功率。圖2-68直升機(jī)的布局2．共軸式雙旋翼直升機(jī)如圖2—68(b)所示，它是由兩副旋翼沿機(jī)體同一立軸上下排列并繞其反向旋轉(zhuǎn)，使兩副旋翼反作用力矩相互抵消的直升機(jī)，簡稱共軸式直升機(jī)。共軸式直升機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、外廓尺寸小，但升力系統(tǒng)較重，操縱機(jī)構(gòu)較復(fù)雜。共軸式雙旋翼已成功地用于中、小型直升機(jī)上。3．縱列式雙旋翼直升機(jī)如圖2—68(c)所示，它是由兩副旋翼沿機(jī)體縱軸方向前后排列，反向旋轉(zhuǎn)，使兩副旋翼的反作用力矩相互抵消的直升機(jī)，簡稱縱列式直升機(jī)。為了減少兩旋翼間相互干擾，后旋翼安裝位置較前旋翼稍高?？v列式直升機(jī)機(jī)身較長，使用重心變化范圍較大，但其傳動(dòng)系統(tǒng)和操縱系統(tǒng)復(fù)雜，前飛時(shí)后旋翼氣動(dòng)效率較低。4．