直升机的飞行原理与空气动力学基础(2)

平飞时，飞行速度垂直分量Vv=0，旋翼在重力方向和Z方向均无位移，在这两个方向的分力不做功，此时旋翼的需用功率由三部分组成：型阻功率——P型；诱导功率——P诱；废阻功率——P废。其中第三项是旋翼拉力克服机身阻力所消耗的功率。

从上图可以看出，旋翼拉力的第二分力T2可平衡机身阻力X身。对旋翼而言，其分力T2在X轴方向以速度V作位移。显然旋翼必须做功，P=T2V或P废=X身V，而机身废阻X身在机身相对水平面姿态变化不大的情况下，其值近似与V

的平方成正比，这样废阻功

平飞需用功率随速度的变化

率P废就可以近似认为与平飞速度的三次方成正比，如上图中的点划线③所示。

平飞时，诱导功率为P诱=TV，其中T为旋翼拉力，vl为诱导速度。当飞行重量不变时，近似认为旋翼拉力不变，诱导速度271随平飞速度V的增大而减小，因此平飞诱导功率P诱随平飞速度V的变化如上图中细实线②所示。

平飞型阻功率尸型则与桨叶平均迎角有关。随平飞速度的增加其平均迎角变化不大。所以P型随乎飞速度V的变化不大，如图中虚线①所示。

直升机的飞行原理与空气动力学基础

图中的实线④为上述三项之和，即总的平飞需用功率P平需随平飞速度的变化而变化。它是一条马鞍形的曲线：小速度平飞时，废阻功率很小，但这时诱导功率很大，所以总的乎飞需用功率仍然很大。但比悬停时要小些。在一定速度范围内，随着平飞速度的增加，由于诱导功率急剧下降，而废阻功率的增量不大，因此总的平飞需用功率随乎飞速度的增加呈下降趋势，但这种下降趋势随V的增加逐渐减缓。速度继续增加则由于废阻功率随平飞速度增加急剧增加。平飞需用功率随V的增加在达到平飞需用功率的最低点后增加；总的平飞需用功率随V的变化则呈上升趋势，而且变得愈来愈明显。

直升机的后飞

直升机的飞行原理与空气动力学基础

相对气流不对称，引起挥舞及桨叶迎角的变化

直升机的侧飞

侧飞是直升机特有的又一种飞行状态，它与悬停、小速度垂直飞行及后飞一起是实施某些特殊作业不可缺少的飞行性能。一般侧飞是在悬停基础上实施的飞行状态。其特点是要多注意侧向力的变化和平衡。由于直升机机体的侧向投影面积很大，机体在侧飞时其空气动力阻力特别大，因此直升机侧飞速度通常很小。由于单旋翼带尾桨直升机的侧向受力是不对称的，因此左侧飞和右侧飞受力各不相同。向后行桨叶一侧侧飞，旋翼拉力向后行桨叶一例的水平分量大于向前行桨叶一侧的尾桨推力，直升机向后方向运动，会产生与水平分量反向的空气动力阻力Z。当侧力平衡时，水平分量等于尾桨推力与空气动力阻力之和，能保持等速向后行桨叶一侧侧飞。向前行桨叶一例侧飞时，旋翼拉力的水平分量小于尾桨推力，在剩余尾桨推力作用下，直升机向民桨推力方向一例运动，空气动力阻力与尾桨推力反向，当侧力平衡时，保持等速向前行桨叶一侧飞行。

直升机旋翼的空气动力特点

旋翼的空气动力特点

(1)产生向上的升力用来克服直升机的重力。即使直升机的发动机空中停车时，驾驶员可通过操纵旋翼使其自转，仍可产生一定升力，减缓直升机下降趋势。

(2)产生向前的水平分力克服空气阻力使直升机前进，类似于飞机上推进器的作用(例如螺旋桨或喷气发动机)。

(3)产生其他分力及力矩对直升机；进行控制或机动飞行，类似于飞机上各操纵面的作用。旋翼由数片桨叶及一个桨毂组成。工作时，桨叶与空气作相对运动，产生空气动力；桨毂则是用来连接桨叶和旋翼轴，以转动旋翼。桨叶一般通过铰接方式与桨毂连接(如下图所示)。

直升机的飞行原理与空气动力学基础

旋翼的运动与固定翼飞机机翼的不，因为旋翼的桨叶除了随直升机一同作直线或曲线动外，还要绕旋翼轴旋转，因此桨叶空气动力现象要比机翼的复杂得多。

先来考察一下旋翼的轴向直线运动这就是直升机垂直飞行时旋翼工作的情况，它相当于飞机上螺旋桨的情况。由于两者技术要求不同，旋翼的直径大且转速小；螺旋桨的直径小而转速大。在分析、设计上就有所区别设一旋冀，桨叶片数为k，以恒定角速度Ω绕轴旋转，并以速度Vo沿旋转轴作直线运动。如果在想象中用一中心轴线与旋翼轴重合，而半径为r的圆柱面把桨叶裁开(参阅图2，1—3)，并将这圆柱面展开成平面，就得到桨叶剖面。既然这时桨叶包括旋转运动和直线运动，对于叶剖面来说，应有用向速度(等于Ωr)和垂直于旋转平面的速度(等于Vo)，而合速度是两者的矢量和。显然可以看出(如图2．1—3)，用不同半径的圆柱面所截出来的各个桨叶剖面，他们的合速度是不同的：大小不同，方向也不相同。如果再考虑到由于桨叶运动所激起的附加气流速度(诱导速度))，那么桨叶各个剖面与空气之间的相对速度就更加不同。与机翼相比较，这就是桨叶工作条件复杂，对它的分析比较麻烦的原因所在。

直升机的飞行原理与空气动力学基础

旋翼拉力产生的滑流理论

现以直升机处于垂直上升状态为例，应用滑流理论说明旋翼拉力产生的原因。此时，将流过旋翼的空气，或正确地说，受到旋翼作用的气流，整个地看做一根光滑流管加以单独处理。假设：

空气是理想流体，没有粘性，也不可压缩；

旋转着的旋冀是一个均匀作用于空气的无限薄的圆盘(即桨盘)，流过桨盘的气流速度在桨盘处各点为一常数；

气流流过旋翼没有扭转(即不考虑旋翼的旋转影响)，在正常飞行中，滑流没有周期性的变化。

根据以上假设可以作出描述旋翼在：垂直上升状态下滑流的物理图像，如下图所示，图中选取三个滑流截面，So、S1和S2，在So面，气流速度就是直升机垂直上升速度Vo，压强为大气压Po，在S1的上面，气流速度增加到V1=

直升机的飞行原理与空气动力学基础

Vo+v1，压强为P1上，在S1的下面，由于流动是连续的，所以速度仍是V1，但压强有了突跃Pl下＞P1上，P1下一P1上即旋翼向上的拉力。在S2面，气流速度继续增加至V2=Vo+v2，压强恢复到大气压强Po

。

这里的v1是桨盘处的诱导速度。v2是下游远处的诱导速度，也就是在均匀流场内或静止空气中所引起的速度增量。对于这种现象，可以利用牛顿第三用动定律来解释拉力产生的原因。

旋翼的锥体

在前面的分析中，我们假定桨叶位：桨毂旋转平面内旋转。实际上，目前的直升机都具水平铰。旋翼不旋转时，桨叶受垂直向下的本身重力的作用(如下图左)。旋翼旋转时，每片叶上的作用力除自身重力外，还有空气动力和惯性离心力。空气动力拉力向上的分(T)方向与重力相反，它绕水平铰构成的力矩，使桨叶上挥。惯性离心力(F离心)相对水乎铰所形成的力矩，力求使桨叶在桨毂旋转平面内旋转(如下图右)。在悬停或垂直飞行状态中，这三个力矩综合的结果，使得桨叶保持在与桨毂旋转平面成某一角度的位置上，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。桨叶产生的拉力约为桨叶本身重量的10一15倍，但桨叶的惯性和离心力更大(通常约为桨叶拉力的十几倍)，所以锥

直升机的飞行原理与空气动力学基础

角实际上并不大，仅有3度一5

度。

悬停时功率分配

从能量转换的观点分析，直升机在悬停状态时(如下图)发动机输出的轴功率，其中约90％用于旋翼，分配给尾桨、传动装置等消耗的轴功率加起来约占10％。旋翼所得到的90％的功率当中，旋翼型阻功率又用去20％，旋翼用于转变成气流动能以产生拉力的诱导功率仅占70

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