万博士的航空讲堂(9)

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二十一、直升机工作原理、布局与分类

前面主要介绍了固定翼航空器的一些最基础的知识，现在谈谈直升机和其它旋翼机相关的航空器的一些基础知识。

直升机是一种重要的旋翼航空器，它通过航空发动机驱动旋翼旋转作为升力和推进力来源，可以在大气中垂直起降、悬停并能进行前飞、后飞、侧飞、悬停回转等飞行科目。相比于固定翼飞机，直升机能够依靠旋翼垂直起降，对起降场地的依赖性很小，可以沿任意方向飞行和在空中悬停；而通常意义上的固定翼飞机则只能水平起降，对起降场地的依赖性很大。不过相对于固定翼飞机，直升机飞行速度慢、航程短、飞行高度低、振动和噪声较大，可靠性也逊于前者。

当前，直升机在民用和军用的各个领域都得到了广泛的应用，与固定翼飞机相互补充，成为一种不可缺少的航空器。特别是在军用方面，武装直升机在现代战争中发挥的作用越来越大。此外，吊运大型装备的起重直升机以及侦察、救护、森林防火、空中摄影、地质勘探等多用途直升机的应用也非常广泛。

1.直升机旋翼的工作原理

旋翼是直升机的关键部件，在介绍直升机和其它旋翼机之前，有必要先简要介绍一下旋翼的工作原理，以便读者更好地理解直升机和其它旋翼机的相关知识。

旋翼由数片（至少两片）桨叶和桨毂构成，形状像细长机翼的桨叶连接在桨毂上（图1）。桨毂安装在旋翼轴上，旋翼轴方向接近于铅垂方向，一般由发动机带动旋转。旋翼旋转时，桨叶与周围空气相互作用，产生气动力。

直升机旋翼绕旋翼转轴旋转时，每个叶片的工作都与一个机翼类似。如果沿旋翼旋转方向在半径r处切一刀，其剖面形状是一个翼型，如图1（a）所示。翼型弦线与垂直于桨毂旋转轴的桨毂旋转平面之间的夹角称为桨叶的安装角（或桨距），以表示，见图1（b）。相对气流V与翼弦之间的夹角为该剖面的迎角α。因此，沿半径方向每段叶片上产生的空气动力R可分解为沿桨轴方向上的分量F1和在旋转平面上的分量D1。F1提供直升机悬停时需要的拉力；D1产生的阻力力矩（绕旋转轴）由发动机所提供的扭距来克服。

旋翼旋转所产生的拉力和阻力力矩的大小，不仅取决于旋翼的转速，而且取决于桨叶的桨距。调节旋翼的转速和桨距都可以达到调节拉力大小的目的。但是旋翼转速取决于发动机的主轴转速，而发动机转速有一个最佳的工作范围，因此，拉力的改变主要靠调节桨叶桨距来实现。因为桨距变化也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的工作转速。当然，有些简易的电动模型直升机为了简化机构并没有安装桨距调节装置，其改变旋翼的拉力是通过改变旋翼的转速实现的。

2. 直升机的布局

旋翼在空气中旋转，会对周围空气产生一个作用力矩。根据牛顿第三定律，空气必定以一个大小相等、方向相反的力矩作用于旋翼，然后传到直升机机体上（图2）。此时如果不采取平衡措施，这个反作用力矩会使机体向旋翼旋转的相反方向旋转。为此，需要采用一定的方式来平衡，这也使得直升机具有不同的布局形式。

按旋翼数量和布局方式的不同，直升机可分为单旋翼直升机、共轴式双旋翼直升机、纵列式双旋翼直升机、横列式双旋翼直升机和带翼式直升机等几种类型。

（1）单旋翼直升机

单旋翼直升机（图3）由一副旋翼产生升力，用尾桨平衡反作用力矩。这种直升机构造简单，应用最为广泛，90%以上的直升机都采用这种布局型式。不过这种布局的直升机也有缺点，就是尾桨要消耗7%～10%的功率。图4～图7是几种常见的单旋翼直升机。单旋翼布局在模型直升机上使用也非常广泛（图8、图9）。

（2）共轴式双旋翼直升机

共轴式双旋翼直升机（图10）的两副旋翼沿机体同一立轴上下排列并绕其反向旋转，可使两者的反作用力矩相互抵消，简称共轴式直升机。共轴式直升机结构紧凑、外廓尺寸小，但升力系统较重，操纵机构较复杂。共轴式双旋翼已被成功地用于中、小型直升机上（图11、图12）。近年来由于模型电动机的飞速发展，这种布局在模型直升机上也得到了广泛的应用（图13、图14）。

（3）纵列式双旋翼直升机

纵列式双旋翼直升机的两副旋翼沿机体前后排列、反向旋转，使两者的反作用力矩相互抵消，简称纵列式直升机（图15）。为了减少两旋翼间相互干扰，后旋翼的安装位置通常较前旋翼稍高。纵列式直升机机身较长，使用重心的允许变化范围较大，但其传动系统和操纵系统复杂，前飞时后旋翼气动效率较低。最为著名的纵列式双旋翼直升机要属美国的CH-47“支努干”（图16）。现在市面上也有仿真的“支努干”模型直升机（图17），不过这个模型前后两套旋翼系统都采用了共轴式双旋翼。

（4）横列式双旋翼直升机

横列式双旋翼直升机的两副旋翼沿机体左右排列、反向旋转，使两者的反作用力矩相互抵消，简称横列式直升机（图18）。横列式直升机一般带有机翼，左、右旋翼对称地布置在机翼构架上。横列式直升机前飞性能较好，但构造复杂、结构尺寸大、重量效率低。人类第一架试飞成功的具有正常操作性的载人直升机（图19）就采用横列式双旋翼布局。横列式双旋翼直升机中，有的左右两副旋翼的轴线呈V形交叉，称为交叉式双旋翼直升机（图20）。交叉式双旋翼直升机两副旋翼的转速必须完全一样，且两副旋翼旋转时的相位角的差值必须为一定值。

由于构造复杂，模型直升机还基本没有采用这种布局的。

（5）带翼式直升机

带翼式直升机在机体上安装有辅助翼（图21），前飞时辅助翼可提供部分升力使旋翼卸载，从而提高了飞行速度，增加了航程，飞行性能也得到了改善。苏联的重型直升机米-6（图22）即为这种布局。其巡航飞行时旋翼卸载约为总升力的20%，最大飞行速度接近300km/h。

3. 直升机的分类

直升机自诞生以来的几十年间发展了各种各样的机型。为了进行区分，通常可以按照以下几种方法进行分类。

（1）按起飞重量分：①超轻型直升机，总重在1吨以内，主要用于航空运动。②轻型直升机，总重1～6吨，如贝尔206（图23）、EC120（图4）。③中型直升机，总重6～15吨，如黑鹰（图5）、米-171（图6）。④大型直升机，总重15～20吨，如CH-47（图16）、CH-53（图24）等。⑤重型直升机，总重20～40吨，可载重8～10吨，如CH-54（图25）、米-10（图26）等。⑥超重型直升机，总重40吨以上，如米-6（图22）、米-12（图27）等。有时候也把第①、②类统称为轻型直升机，把第⑤、⑥类统称为重型直升机。需要说明的是，各类直升机的有效载重量约为其最大起飞重量的40%～50%。

（2）按发动机分：活塞式和涡轮轴式。

（3）按座位数量分：单座、双座、三座、四座、六座、八座及以上。

（4）按用途分：军用和民用。每一类里按专业用途又可分为很多小类，如军用直升机可分为武装直升机、运输直升机、战斗勤务直升机等。

（5）按设计、首飞年代及性能特征分：目前比较认同的是分为四代（关于这四代直升机的特点将在下面详细介绍）。

（6）按照旋翼布局分：单旋翼直升机、共轴式双旋翼直升机、纵列式双旋翼直升机、横列式双旋翼直升机、带翼式直升机。

二十二、直升机的飞行性能

与发展历程

1. 垂直与水平飞行性能

直升机的飞行性能通常分为垂直飞行性能和水平飞行性能，水平飞行性能又主要用前飞性能表示。

垂直飞行性能包括：①不同高度的垂直上升速度。这一速度要求在定常状态测量。所谓定常状态是指作用在直升机上的力和力矩都处于平衡的、无加速度的运动状态。②静升限。静升限是指直升机垂直上升速度为零时所对应的极限高度，也称悬停高度。静升限是个理论值，实际中并不能达到，通常把垂直上升速度为0.5m/s所对应的高度称为实用静升限，或称为实用悬停高度。

直升机前飞性能与固定翼飞机的飞行性能相似，包括：①平飞速度范围。指在不同高度的巡航速度和最大速度。②爬升性能。包括在不同高度上具有前进速度时的最大爬升率、达到不同高度所需的爬升时间，及可能爬升到的最大高度（平飞升限或动升限）。③续航性能。包括在不同高度的最大续航时间和最大航程。④自转下滑性能。指在不同高度没有发动机驱动、旋翼自转的情况下的最小下滑率和最小下滑角。

2. 直升机之最

（1）世界上第一架试飞成功的具有正常操纵性的直升机是由德国科学家福克于1937年设计制造的FW-61横列式双旋翼直升机（图19），该直升机当时创造了多项世界纪录。此前，在1907年法国还研制了一架载人直升机，实现了离地0.3米的垂直升空，并连续飞行了20秒钟，被称为是“人类第一架直升机”（图28），但该直升机当时还不能正常操纵。1940年，由美国著名直升机设计师西科斯基设计的VS-300成功首飞，成为世界上第一架投入使用的直升机（图29）。该直升机采用单旋翼布局，此后大部分直升机都采用了这种布局形式。

（2）世界上最大的直升机是苏联米里设计局于20世纪60年代研制生产的米-12“信鸽”重型运输直升机（图27），但没有投入批量生产。该机安装有4台发动机，最大起飞重量105吨，主旋翼直径35米，机身长37米，货舱长28米，可运送中型坦克和火炮，载重40吨。当今世界上还在使用的最重的直升机，要属苏联的米-26直升机（图30）。该机最大起飞重量56.0吨，旋翼直径32.0米。

直升机也可以做得很小，最小的单人超轻型直升机自重只有100多公斤，旋翼直径仅为6米左右。

（3）直升机最高时速是由美国西科斯基公司研制的X-2直升机（图31）创造的，达到了417km/h。此前，直升机的直线飞行最大速度的世界纪录为400.87km/h，由英国“山猫”直升机（图32）于1986年创造。但大多数直升机的最大巡航速度在250～350km/h之间。

（4）飞得最高的直升机是法国的SA-3158型“美洲驼”直升机（图33）。1972年6月21日，该直升机创造了飞行高度达12442m的世界纪录。但大多数直升机的实用升限都不高，高的在4000～6000m左右。

（5）飞得最远的直升机是美国休斯公司研制的OH-6型直升机（图34）。1966年4月6～7日，该机由飞行员费瑞驾驶，创造了直线航程3561.55km的世界纪录。但大多数直升机的航程都不远，远的在400～800km左右。

3. 直升机的发展简况

通常认为直升机技术要比固定翼飞机复杂，因此其发展也比固定翼飞机缓慢。但随着理论和设计制造技术的进步，直升机在近些年来也取得了很大的发展。航空学者通常把直升机分成四代，这四代直升机都有各自的典型技术特征。

（1）第一代直升机

从VS-300在1940年成功首飞至20世纪60年代初期，被称为是第一代直升机的发展阶段。第一代直升机的主要技术特征是：安装活塞式发动机；采用金属/木质混合式旋翼桨叶；机体为由钢管焊接的构架式或铝合金半硬壳式结构；装有简易的仪表和电子设备。最大平飞速度在200km/h以内。全机振动水平（约0.20g）、噪声水平（约110dB）均较高。典型的机型有米-4（图35）、贝尔47（图36）等。

（2）第二代直升机

从20世纪60年代初期到70年代中期，发展了第二代直升机。这一代直升机的主要技术特征是：安装了第一代涡轮轴式发动机；采用全金属桨叶与金属铰接式桨毂构成的旋翼；机体主要为铝合金半硬壳结构；开始采用最初的集成微电子设备。最大平飞速度约达250km/h。振动水平（约 0.15g）、噪声水平（约100dB）有所降低。典型的机型有米-8（图37）、“超黄蜂”（图38）等。

（3）第三代直升机

从20世纪70年代中期至80年代末，属于第三代直升机发展时期。这一代直升机的主要技术特征是：安装第二代涡轴发动机；采用全复合材料桨叶及带有弹性元件的桨毂构成的旋翼；机体结构部分使用复合材料；采用大规模集成电路的电子设备和较先进的飞行控制系统。最大飞行速度约300km/h。振动水平（约0.10g）、噪声水平（约90dB）进一步得到控制。典型的机型有“海豚”（图39）、“黑鹰”（图5）、“阿帕奇”（图40）等。

（4）第四代直升机

从20世纪90年代以来，直升机技术发展进入第四代，也是当今最先进的一代。这一代直升机的主要技术特征包括：安装第三代涡轴发动机；装有进一步优化设计的翼型、桨尖和先进的复合材料旋翼桨叶，无轴承或弹性铰式等新型桨毂；机体结构大部分或全部使用复合材料；操纵系统改为电传操纵；采用先进的飞行控制、通信导航、综合显示和任务管理系统。最大平飞速度约达315km/h。振动水平（约0.05g）、噪声水平（约80dB）已得到良好控制。典型的机型有“科曼奇”（图41）、NH-90（图42）等。“科曼奇”在立项并研制定型后，由于美国军方考虑到其造价太高并认为现有的第三代武装直升机已经足够先进，因此被停止生产。（未完待续）