旋转的奥秘

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇旋转的奥秘范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

自古以来，人类一直都有着在天空中自由飞翔的梦想。而为了达成飞翔的梦想，经过千百年来的无数构思，提炼出两个主要的探索方向。第一个探索方向，是仿效鸟儿，在翅膀上下功夫，通过模拟飞鸟的翅膀来实现飞行，中外历史上都有过用羽毛粘成翅膀意图飞翔的传说和记载，这个方向又经过无数摸索和挫折之后，最终发展成为了现代的飞机。另一个探索方向则是利用人工机械产生直接向上的力量，使得人脱离地面的束缚，中国早在晋朝就出现了文字记录的竹蜻蜓，就是这样一种人工机械，其工作原理与现代直升机并无二致，但由于缺乏适当的驱动装置，竹蜻蜓一直都只是停留在玩具阶段，没有进一步的发展。欧洲文艺复兴时期，著名的天才达·芬奇曾经设计过一种直升机，用一个布料做成、类似于螺丝钉一样的螺旋面来“锥进”空气中，从而将人带到天上，同样的，由于不存在可用的动力装置，达·芬奇的直升机始终都没有走下过绘图板。

欧洲工业革命之后，特别是在19世纪末发明了质量轻、功率大的汽油机之后，人类飞天的梦想才得到了坚实的支持。但由于直升机技术的复杂性，在1903年莱特兄弟实现飞机的首次飞行之后，直到1937年，德国著名的福克教授才成功试飞了完全可以操纵的福克直升机，这也是第一种公认的直升机。而直升机技术的复杂性，主要来源于其升力的源头——旋翼系统。

现代直升机都是用直径巨大的旋翼来实现飞行的，旋翼是为直升机飞行产生升力和操纵力的核心部件。传统的直升机旋翼由连接到桨毂上的两片或多片桨叶组成。桨叶通常靠来自发动机的扭矩保持旋转运动。

桨叶和桨毂

由于旋翼系统产生直升机飞行所必需的升力、拉力和操纵力，集多项功能于一身。与普通螺旋桨式飞机的螺旋桨相比，直升机的旋翼系统要复杂得多。从结构上分，旋翼系统由桨叶和桨毂两部分组成，其中桨叶翼型有传统的对称翼型和桨尖弯曲翼型两种；桨叶材料有金属和复合材料两种。桨毂主要有铰接式桨毂，半无铰式桨毂，无铰式桨毂，无轴承桨毂等。

先看桨毂，铰接式桨毂是最早实用的直升机旋翼系统桨毂类型，其上设置有挥舞铰、摆振铰和变距铰来实现桨叶的挥舞、摆振和变距运动。

挥舞铰的作用是使得桨叶可以在垂直方向上挥舞，从而改变桨叶的升力，保持直升机的平衡。因为直升机在前飞时，旋翼向前转动方向上的半周，桨叶相对于气流的实际速度，等于桨叶旋转线速度与直升机前飞速度之和（此时称为前行桨叶），而在向后转动方向上的半周，桨叶相对于气流的速度，等于桨叶旋转线速度与直升机前飞速度之差（此时称为后行桨叶），由于桨叶线形是固定不变的，显然前行桨叶上产生的升力将会远远大于后行桨叶，这就造成了直升机两侧升力的不平衡，这也是绝大部分早期实验直升机因而铩羽的主要原因。在使用了挥舞铰之后，前行桨叶在较大的升力作用下会向上挥舞，此时在相对气流的作用下，其实际仰角会减小，从而降低升力，而后行桨叶在相对气流的作用下刚好相反，其实际仰角会增加，升力也随之提高，由于挥舞铰的作用，使得左右两侧前行桨叶和后行桨叶的升力得以平衡，直升机才不会发生翻滚。

但是，桨叶在旋转过程中，因为挥舞而不断升高、降低，桨叶尖端离圆心的距离不断改变，引起科里奥利效应，所以桨叶在水平方向也要前后摇摆，以补偿桨叶上下挥舞所造成的科里奥利效应。摆振铰利用前行时阻力增加，使桨叶自然增加后掠角（即所谓“滞后”， 因为桨叶在旋转方向上的角速度低于圆心的旋转速度），这也变相增加桨叶在气流方向上剖面的长度，加强了减小迎角的作用；在后行时，阻力减小，阻尼器（相当于弹簧）使桨叶恢复的正常位置（即所谓“领先”，因为桨叶在旋转方向上的角速度高于圆心的旋转速度），当然也加强了增加迎角的作用，所以摆振铰也称领先-滞后铰。

挥舞铰和摆振铰是旋翼升力均匀、直升机平稳飞行的关键。而变距铰则是直升机改变升力大小和方向、实现自由飞行的关键。变距铰通过拉杆与下方的变距斜盘相连，使得桨叶可以绕自身轴线旋转，从而改变桨叶相对于水平面的仰角，进而改变桨叶的升力，操纵直升机飞行。变距斜盘有轴向上下移动和水平倾转两种运动，前者由总距-油门杆操纵，后者由周期变距操纵杆（即驾驶杆）操纵。当飞行员加大油门（同时提高总距）时，变距斜盘轴向移动，通过拉杆使得桨叶的仰角增大，升力也增大，反之则升力减小；当飞行员摆动驾驶杆时，变距斜盘水平倾转，此时倾转的前方仰角减小，后方仰角增大，由于后方升力高于前方，使得桨叶的合成升力指向驾驶杆摆动的方向，其水平分力即为驱动直升机前飞的动力。通过油门-总距杆和驾驶杆的综合操纵，直升机就能获得飞行员需要的任意飞行姿态。

铰接式桨毂在设计年代较早的老式直升机中广泛应用，例如苏联/俄罗斯生产的米-4直升机和米-8直升机。铰接式桨毂还有一种变型，称为跷跷板式桨毂，主要为美国贝尔公司生产的直升机所采用，其双叶桨叶刚性连接成一个整体，共用一副挥舞铰，就像跷跷板一样，其结构比普通铰接式桨毂简化很多，但只适用于中小型直升机，例如贝尔公司生产的著名的UH-1直升机。

由于铰接式桨毂结构复杂，难以维护，寿命也受到影响，为此出现了半无铰式桨毂，一般是用一个弹性元件取代了挥舞铰和摆振铰的功能，例如著名的H-60“黑鹰”直升机，采用的是一个层压弹性轴承。半无铰式桨毂结构大为简化，而且弹性元件一般进行了低需求设计，不用频繁添加、更换桨毂铰链剂，维护工作量大幅度减少。

但是，半无铰式桨毂仍然有单独的弹性元件，在此基础上，将弹性元件与桨叶一体化，进一步减少零件数量，就是无铰式桨毂。例如德国的BO-105直升机，其桨叶挥舞和摆振运动是通过玻璃钢桨叶根部的弯曲变形来实现的。英国“山猫”式直升机的无铰式桨毂稍有特别，由于舰载旋翼折叠的要求，其柔性桨根跟桨叶是铰链连接的，但本质上仍属于无铰式桨毂。

无轴承桨毂既无挥舞铰、摆振铰，也无变距铰，其工作变化完全通过桨叶自身的柔性变形来实现，由于直升机旋翼周期工作时间长、受力条件恶劣，材料极易产生疲劳损坏，目前，虽然美国西科斯基公司和波音公司都对无轴承桨毂进行了试验，但迄今为止，仍无实用机型的应用记录。

直升机的旋翼

再看旋翼，传统的直升机旋翼普遍采用对称翼型，桨叶各处翼型剖面、弦长都是一样的，这虽然有利于桨叶的设计和制造，但是桨叶的气动性能不能很好的满足周期旋转的气动要求。例如，前行桨叶速度高，当接近本地声速时，就会在线速度最高的桨尖部位出现激波，使得阻力增加、桨叶振动加剧，而后行桨叶仰角大，当仰角超过失速仰角时，就会造成桨尖失速，升力下降、阻力上升。为此，从第二代直升机开始，普遍采用不对称翼型。按照传统思维的理解，不对称的翼型件是不稳定的，但通过对旋翼后缘弯曲部分的校正，不对称翼型也能具有和对称翼型相同的稳定性，此外，不对称翼型还能在允许旋翼在较高的旋转速度下产生升力，克服了传统对称翼型的不足。

另外，旋翼的设计也不断参考机翼的设计。仍以著名的H-60“黑鹰”直升机为例，其桨叶的末端有一小段带下反角的后掠翼，可以有效地延缓桨尖气流分离、提高气动效率、改善气动载荷分布、降低振动和噪声。而从第二代“黑鹰”直升机H-60M开始，其旋翼系统进一步升级，桨叶改为内侧和外侧采用不同的翼型和弦长，同时仍然保留了后掠翼尖的设计，使得其升力加大的同时，气动性能有了进一步的改善。

传统的直升机桨叶由金属材料制成，通常以一根截面为C字型或D字型的铝合金大梁为主要承力结构，以蒙皮构成完整的流线翼型，由于桨叶工作条件恶劣，而铝合金材料存在疲劳损坏的问题，一般金属桨叶的寿命为1 000小时以上。现代直升机广泛采用复合材料桨叶，复合材料容易制造成复杂的气动外形，而且表面质量好，可以提高气动效率，通过适当的剪裁和铺设，可以获得极高的比强度，疲劳寿命大幅度提高，耐冲击，被轻型火力命中时具有破损安全能力，同时其工艺性好，容易制造，互换性好、成本低。目前，现代复合材料旋翼已经可以做到视情维护，理论上可以具有无限寿命，新型直升机无一例外，均采用复合材料桨叶的旋翼。