直升机飞行

第五节　直升机飞行

直升机是一种悬翼航空器，在20世纪30年代后正式投入使用，其升力和前进的拉力是靠发动机带动旋翼旋转而产生的。由于直升机使用场地灵活，可以空中悬停和垂直起降。20世纪50年代后，直升机在通用航空各个领域得到广泛应用。其中民用直升机可用于短途运输人员货物，开展航空旅游、地质勘探、抢险救灾、医疗救护、海洋监测、公安巡逻、城市交通指挥、消防救护、播种灭虫、设备吊装、广告摄影、科学试验等多项任务。

一、直升机基本结构

直升机按其构造可分为单旋翼带尾桨式和双旋翼式两大类。以单旋翼直升机为例，如图4-50所示，其结构分为机身、动力装置、旋翼、尾梁、尾桨、起落装置和传动操作系统7个部分。

图4-50　直升机基本结构

1—旋翼；2—起落装置；3—动力装置；4—机身；5—水平安定面；6—尾梁；7—垂直安定面；8—尾桨

1．机体结构

1）机身

机身包括驾驶舱和机舱，机舱用来装载人员货物及设备和为动力装置、旋翼系统、尾梁、传动系统和起落引擎装置提供安装支点。直升机的最大受力部位在机身顶部旋翼的桨毂和机身结合部。目前，直升机机身多为薄壁式机身和玻璃纤维复合材料机身，都具有较高的精度和强度。

2）尾梁

尾梁固定连接于机身后部，是由隔框、桁条和加强条及蒙皮构成的传统结构。尾梁上安装的部件包括：尾桨减速器、传动轴、垂直安定面和水平安定面等。

2．旋翼与尾桨

1）旋翼

旋翼由桨叶、桨毂和连接桨叶、桨毂的机构组成。桨叶是直接产生升力的装置，桨叶的叶片数取决于直升机载重量的大小和设计要求，其载重量越大桨叶数越多。从最少两叶到大型直升机的6叶或8叶，桨叶经受很大交变弯曲应力和振动，因而要求极好的弹性和抗疲劳寿命。过去桨叶用木质和金属材料制成，20世纪70年代之后使用碳纤复合材料制造桨叶。桨叶与螺旋桨不同，不仅要提供拉力还要提供升力，为了获得足够的升力，桨叶长度要做得比较长。大型直升机桨叶最长达32米，桨叶连接在桨毂上，构成整副旋翼。

2）旋翼桨毂

旋翼是直升机产生升力的关键部件，同时还可通过操纵旋翼来控制直升机的升降、悬停、前进或后退，以及左右横侧飞行。尾桨用来平衡旋翼的扭转力矩，并可通过尾桨变距实现方向操纵。来自发动机的动力经主减速器减速后，一方面驱动旋翼转动，另一方面再通过尾桨传动系统驱动尾梁运动。

旋翼桨毂是旋翼桨叶与桨轴的连接部件，如图4-51所示。由于旋翼产生升力的过程与固定翼飞机有很大不同，所以桨毂的构造比较复杂。目前直升机旋翼桨毂通常采用两种基本类型，即半刚性和全铰接式。

图4-51　旋翼桨毂

半刚性桨毂通常为双桨式，两个旋翼由桨毂连接在一起。

当直升机前飞时，因前进桨叶升力大，而向上扬起，同时后退桨叶向下垂，为克服前行与后行桨叶升力的不对称。这种桨毂还装有可活动的桨叶夹头构成的变距轴。

全铰式桨毂对每个桨叶都独立设置挥舞铰、摆振铰和变距铰。挥舞铰又称水平铰，它使得每个旋翼能自由地绕水平轴上下运动，形成桨叶挥舞，从而克服前行与后行桨叶升力不对称及桨叶根部弯曲载荷较大的问题。摆振铰又称垂直铰或阻力铰，它用来克服桨叶挥舞时因其旋转半径变化而在旋转平面内引起的摆动，消除桨叶根部的弯曲力矩。摆振铰一般与一个减摆器共同工作。变距铰又称轴向铰，它使得飞行员可通过总距杆操纵旋翼，改变桨叶迎角，从而控制升力的大小。

3）旋翼拉力的产生与方向

由于旋翼的桨叶切面形状与机翼形状相似，桨叶转动时也有一定的迎角，所以旋翼产生拉力与机翼产生升力的道理大致相同，如图4-52所示。当空气流过桨叶上表面时，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，流速减慢，压力增大。这样，在桨叶上、下表面形成了压力差，桨叶上就产生了一个向上的拉力，各桨叶拉力之和就是旋翼的拉力。实际上旋翼旋转时，不断地拨动空气，使空气向下加速流动，给空气一个向下的作用力。根据作用力等与反作用力的原理，空气就会给旋翼一个大小相等、方向相反的反作用力，这个反作用力就是旋翼产生的拉力。由于桨叶拉力约为桨叶本身重量的十几倍，使旋翼形成一个倒立的锥体，桨叶从桨毂旋转平面扬起的角度叫锥角。但由于桨叶的惯性离心力通常为桨叶拉力的十几倍，所以锥角实际较小。由于旋翼的桨叶无论转到哪个位置，都是向上倾斜的，所以各桨叶拉力方向都向内倾斜。因此，可将拉力分为与桨尖旋转平面（即桨盘）平行和垂直的两个分力。平行与桨盘的分力相互抵消，垂直于桨盘的分力即为旋翼的拉力。所以旋翼拉力方向必垂直于桨盘平面，即与旋翼锥体线轴方向一致。也就是说，桨盘平面向哪一侧倾斜，其拉力也必然向同一方向倾斜，以改变飞机的拉力方向。

图4-52　升力产生原理与拉力方向

二、动力装置

直升机的动力装置要提供旋转扭矩使旋翼和尾桨旋转，早期的直升机和现在的小型直升机都使用活塞式发动机。喷气发动机出现后，直升机使用涡轮轴发动机，涡轮的转速在6 000转/分钟以上，而旋翼的转速只有每分钟几百转，因此发动机之后装有主减速器，通过减速器把动力传输给旋翼和尾桨，所以直升机的发动机除要求重量轻和耗油率低之外，由于其经常要用于短途飞行和野外作业，且需着陆场地简单，因而要求发动机部件有良好的耐疲劳性和抗腐蚀性能。

三、着陆装置

直升机的着陆装置有滑橇式和机轮式两种，在水上着陆的直升机装备专用的浮筒式起落架装置。中型和重型直升机采用机轮式起落架，分前三点式和后三点式布局，并有减震装置。主要用于着陆时停放时支撑飞机，用于着陆缓冲和地面滑行。由于直升机飞行速度小，一般不收起落架。

四、直升机的飞行操纵

1．总距杆操纵

直升机的垂直升降是主要通过操纵总距杆来实现的，总距杆安装在驾驶舱驾驶员座位左侧，其后端装在枢轴上可作上下转动，以同时改变各片桨叶的桨距（即桨叶半径等于70%R处切面的翼弦与桨毂旋转平面之间的夹角）。

当操纵总距杆向上移动时，旋翼所有桨叶的桨距同时增大，使旋翼拉力增大，从而使直升机的飞行高度增加。当操纵总距杆向下移动时，旋翼所有桨叶的桨距同时减小，使旋翼拉力减小，从而使直升机的飞行高度降低。

当操纵总距杆改变旋翼桨叶的桨距时，旋翼所需功率也要发生变化以保持旋翼转速不变。因此多数直升机在总桨距杆上安装了与发动机功率相连接的联动装置，以便在改变桨叶的桨距时，可自动地改变油门。

另外，在总距杆上还安装了油门环。飞行员可左右转动油门环，以单独调节发动机的功率与旋翼的转速。

2．脚蹬操纵

飞行员操纵脚蹬后，通过操纵系统的拉杆、摇臂、钢索等中间构件，可使尾桨各片桨叶的安装角度同时改变，以改变尾桨拉力的大小。若桨叶安装角增大，尾桨拉力则增大；若桨叶安装角减小，尾桨拉力则减小。通过改变尾桨拉力大小，来保持或改变直升机的方向。

直升机旋翼桨叶的转向为反时针方向，当尾桨拉力绕重心形成的力矩与旋翼反作用力相等时，直升机机头方向保持不变。这时，如果飞行员蹬左舵，尾桨桨距增大，拉力增大尾桨拉力绕重心形成的偏转力矩大于旋翼的反作用力矩，机头向左偏转。反之，如果飞行员蹬右舵，尾桨桨距减小，拉力减小，尾桨拉力绕重心形成的偏转力矩小于旋翼的反作用力矩，机头向右偏转。

习题：

1．名词解释

低速气流　空气动力　迎角　升阻比　诱导阻力　飞机动力装置飞机的焦点　高速气流　马赫数　激波　波阻

2．简述气流连续性原理和伯努利定律的内容。

3．分析空气动力产生的步骤。

4．升力是怎样产生的？写出升力公式，并分析影响升力大小的因素。

5．简述飞机极线上的三个特殊迎角及其意义。

6．什么是飞机的平衡安定性？飞机重心前后变化，对飞行有何影响？

7．升力与阻力在小迎角情况下，随迎角变化有何不同？

8．超音速飞行时，空气动力是如何变化的？

9．增升装置的功用是什么？常用的增升装置有哪些？

10．直升机的机体结构包括哪几部分？各有何功用？