直升机的飞行原理与空气动力学基础

直升机的飞行原理与空气动力学基础

直升机的飞行原理与空气动力学基础

直升机的飞行原理

一般认为，直升机技术要比固定翼飞机复杂，其发展也比固定翼飞机慢。但随着对直升机空气动力学、直升机动力学等学科认识的不断深化和先进航空电子技术、新工艺等的应用，直升机在近年来也有了很大的发展，直升机的直线飞行最大速度的世界纪录为400．87km／h，是英国“山猫”直升机于1986年8月11日创造的。除了创纪录飞行，直升机的一般巡航速度在250～350km／h之间，实用升限达4000～6000m，航程达400～800km。与固定翼飞机相比，直升机存在速度小、航程短、飞行高度低、振动和噪声较大，以及由此引起的可靠性较差等问题。

直升机飞行的特点是：它能垂直起降，对起降场地没有太多的特殊要求；它能在空中悬停；能沿任意方向飞行；但飞行速度比较低，航程相对来说也比较短。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。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应用也非常广泛。

2．6．1直升机旋翼的工作原理

旋翼是直升机的关键部件。它由数片(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。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。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2—67(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

该剖面的迎角表示，如图2—67(b)所示。相对气流

与翼弦之间的夹角为。因此，沿半径方向每段叶片上产生的空气动力R可分解为

和在旋转平面上的分量D。F将提供悬停时需沿桨轴方向上的分量F

要的拉力；D产生的阻力力矩将由发动机所提供的功率来克服。

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图2-67直升机旋翼的工作原理

旋翼旋转所产生的拉力和阻力的大小，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。但是，桨距变化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。

2．6．2直升机的布局特点

旋翼在空气中旋转，对周围空气产生一个作用力矩，根据牛顿第三定律，空气必定以大小相等、方向相反的力矩作用于旋翼，然后传到机体上。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。为了平衡这个反作用力矩，需要采用不同的直升机布局形式。

直升机的布局形式按旋翼数量和布局方式的不同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

如图2—68(a)所示，它是由一副旋翼产生升力，用尾桨来平衡反作用力矩的直升机。为了实现方向操纵及改善稳定性，在机身尾部还安装了水平尾翼和垂直尾翼。这种直升机构造简单，应用最为广泛，但尾桨要消耗7％～10％的功率。

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图2-68直升机的布局

2．共轴式双旋翼直升机

如图2—68(b)所示，它是由两副旋翼沿机体同一立轴上下排列并绕其反向旋转，使两副旋翼反作用力矩相互抵消的直升机，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。共轴式双旋翼已成功地用于中、小型直升机上。

3．纵列式双旋翼直升机

如图2—68(c)所示，它是由两副旋翼沿机体纵轴方向前后排列，反向旋转，使两副旋翼的反作用力矩相互抵消的直升机，简称纵列式直升机。为了减少两旋翼间相互干扰，后旋翼安装位置较前旋翼稍高。纵列式直升机机身较长，使用重心变化范围较大，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。

4．横列式双旋翼直升机

如图2—68(d)所示，它是由两副旋翼沿机体横轴方向左右排列，反向旋转，使两副旋翼的反作用力矩相互抵消的直升机，简称横列式直升机。一般横列

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式直升机带机翼，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，但其构造复杂，结构尺寸大，重量效率低。

5．带翼式直升机

如图2—68(e)所示，这种直升机安装有辅助翼，前飞时辅助翼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。前苏联重型直升机米-6即为这种直升机，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。

2．6．3直升机飞行性能

直升机飞行性能分为垂直飞行性能和前飞性能两类。

1．垂直飞行性能

垂直飞行性能包括：在定常状态(作用在直升机上的力和力矩都处于平衡的、无加速度运动的状态)时，不同高度的垂直上升速度，垂直上升速度为零所对应的极限高度，为理论静升限，也叫悬停高度。这个高度是个理论值，是达不到的。因此，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，或叫实用悬停高度。

2．直升机前飞性能

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、有利速度和最大速度；②爬升性能，指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，指在不同高度的最小下滑率和最小下滑角。

2．6．4直升机的操纵性和稳定性

1．直升机的操纵系统

直升机的操纵系统是指传递操纵指令、进行总距操纵、变距操纵和脚操纵(或航向操纵)的操纵机构和操纵线路。通过总距操纵来实现直升机的升降运动；通过变距操纵来实现直升机的前后左右运动；通过航向操纵来改变直升机的飞行方向。如图2—69和2—70所示为直升机的旋翼操纵机构和尾桨操纵机构。

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1-桨叶摇臂；

图2-69

旋翼操纵机构

图2-70尾桨操纵机构

（1）总矩操纵

总距操纵是用来操纵旋翼的总桨距，使各片桨叶的安装角同时增大或减小，从而改变旋翼拉力的大小。当拉力大于直升机重力时，直升机就上升，反之，直升机则下降，如图2—71(a)所示。旋翼总桨距改变时，旋翼的需用功率也随着改变。因此，必须相应地改变发动机的油门，使发动机的输出功率与旋翼的需用功率相匹配以保持旋翼速度不变。为减轻驾驶员负担发动机油门操纵和总距操纵通常是交联的。改变总距时，油门开度也相应地改变。因此，总距操纵一般又称

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为总桨距——

油门操纵。

图2-71。直升机的操纵

（2）变矩操纵

变距操纵即为周期变距操纵，它是通过自动倾斜器使桨叶的安装角周期改变，从而使桨叶升力周期改变，并由此引起桨叶周期挥舞，最终导致旋翼锥体相对于机体向着驾驶杆运动的方向 …… 此处隐藏：2680字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……