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直升机原理


一套认为最好的飞行原理文章(图解)
2008-11-26 18:37:27 来源: 作者: 【大 中 小】 评论:3 条

直升机能够垂直飞起来的基本道理简单,但飞行控制就不简单了。旋翼可以产 生升力, 但谁来产生前进的推力呢?单独安装另外的推进发动机当然可以, 但这样增加重量 和总体复杂性,能不能使旋翼同时担当升力和推进作用呢?升力-推进问题解决后

,还有转 向、俯仰、滚转控制问题。旋翼旋转产生升力的同时,对机身产生反扭力(初中物理:有作 用力就一定有反作用力),所以直升机还有一个特有的反扭力控制问题。

直升机主旋翼反扭力的示意图

没有一定的反扭力措施,直升机就要打转转 / 尾桨是抵消反扭力的最常见的方法 直升机抵消反扭力的方案有很多,最常规的是采用尾桨。主旋翼顺时针转,对机身就产生逆 时针方向的反扭力, 尾桨就必须或推或拉, 产生顺时针方向的推力, 以抵消主旋翼的反扭力。

抵消反扭力的主旋翼-尾桨布局,也称常规布局,因为这最常见 / 典型的贝尔 407 的 尾桨 主旋翼当然也可以顺时针旋转,顺时针还是逆时针,两者之间没有优劣之分。有意 思的是,美、英、德、意、日直升机的主旋翼都是逆时针旋转,法、俄、中、印、波兰直升 机都是顺时针旋转,英、德、意、日的直升机工业都是从美国引进许可证开始的,和美国采 用相同的习惯可以理解,中、印、波兰是从前苏联和法国引进许可证开始的,和法、俄的习 惯相同也可以理解, 但美国和俄罗斯为什么从一开始选定不同的方向, 法国为什么不和选美 国一样的方向,而和俄罗斯一致,可能只是一个历史的玩笑。

各国直升机主旋翼旋转方向的比较

尾桨给直升机的设计带来了很多麻烦。尾桨要是

太大了,会打到地上,所以尾桨尺寸受到限制,要提供足够的反扭力,就需要提高转速,这 样, 尾桨翼尖速度就大, 尾桨的噪声就很大。 极端情况下, 尾桨翼尖速度甚至可以超过音速, 形成音爆。尾桨需要安装在尾撑上,尾撑越长,尾桨的力矩越大,反扭力效果越好,但尾撑 的重量也越大。为了把动力传递到尾桨,尾撑内需要安装一根长长的传动轴,这又增加了重 量和机械复杂性。尾桨是直升机飞行安全的最大挑战,主旋翼失去动力,直升机还可以自旋

着陆;但尾桨一旦失去动力,那直升机就要打转转,失去控制。在战斗中,直升机因为尾桨 受损而坠毁的概率远远高于因为其他部位被击中的情况。即使不算战损情况,平时使用中, 尾桨对地面人员的危险很大,一不小心,附近的人员和器材就会被打到。在居民区或林间空 地悬停或起落时,尾桨很容易挂上建筑物、电线、树枝、飞舞物品。 尾桨可以是推式, 也可以是拉式, 一般认为以推式的效率为高。 虽然不管推式还是拉式, 气流总是要流经尾撑,但在尾桨加速气流前,低速气流流经尾撑的动能损失较小。尾桨的旋 转方向可以顺着主旋翼,也就是说,对于逆时针旋转的主旋翼,尾桨向前转(或者说,从右 面向直升机看,尾桨顺时针旋转),这样尾桨对主旋翼的气动干扰小,主旋翼的升力可以充 分发挥。尾桨也可以逆着主旋翼的方向旋转,也就是说,对于逆时针旋转的主旋翼,尾桨向 后转(或者说,从右面向直升机看,尾桨逆时针旋转),这样尾桨和主旋翼之间形成一个互 相干扰,主旋翼的升力受到损失,但尾桨的作用加强,所以可以缩小尺寸,或降低功率。两 者没有绝对的优劣,设计得当时,一般选择顺着转,只有设计不当、尾桨控制作用不够时, 才选择逆着转,像米-24 直升机那样。 涵道尾桨(fenestron)将尾桨缩小,“隐藏”在尾撑端部的巨大开孔里,相当于给尾桨安 上一个罩子, 这样大大改善了安全性, 不易打到周围的物体。 由于涵道尾桨的周边是遮蔽的, 尾桨翼尖附近的气流情况大大简化, 翼尖速度较高也不至于大大增加噪声。 罩子的屏蔽也使 前后方向上的噪声大大减小。 涵道尾桨的缺点是风扇的包围结构带来较大的重量, 这个问题 随涵道尾桨直径增加而急剧恶化, 所以涵道尾桨难以用到大型直升机上。 涵道尾桨只有法国 直升机上采用,美国的下马了的 Comanche 是法国之外少见的采用涵道尾桨的例子。

海豚直升机上的涵道尾桨 / 经典的采用涵道尾桨的 EC-120 直升机,中国参加合作制造

已经下马的美国 RAH-66“科曼奇”直升机同样采用涵道尾桨

另一个取代尾桨的方

案是 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。 主旋翼产生的下洗气流从尾撑两侧流经尾撑, 发动机产生 的压缩空气通过尾撑一侧的向下开槽喷出,促使这一侧的下洗气流向尾撑表面吸附并加速 (即所谓射流效应或 Coanda 效应),形成尾撑两侧气流的速度差,产生向一侧的侧推力, 实现没有尾桨的反扭力。 尾撑顶端的直接喷气控制提供更精细的方向控制, 但不提供主要的

反扭力,不是不可以,而是用射流效应可以用较少的喷气就实现较大的反扭力。从这个原理 推而广之,如果把尾撑的截面做成机翼一样,下洗气流本身就可产生侧推力,甚至可以在下 侧安装类似襟翼的装置以控制侧推力, 岂不更好?不知道为什么, 没有人这样做。 NOTAR 的 噪音比涵道风扇更低,安全性更好,在演示中,只要主旋翼不打到树枝,直接把尾撑捅到树 丛里也照样安全飞行, 但 NOTAR 同样没有用到大型直升机上的例子。 NOTAR 只有麦道 (现 波音)直升机上使用,可能是专利的缘故。

NOTAR 的原理简图

采用 NOTAR 的 MD600N 直升机,不知道为什么,MD 直升机还是叫 MD,不叫波 音


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