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小型旋翼机 小型旋翼机，在国外也属航空爱好者自制的小型飞机之一。本文选国外较流行的一种，介绍给读者参考。什么是旋翼机旋翼机是一种介于直升飞机和普通飞机之间的飞行器。从外表上看，它与直升机颇相似。特别是它们都由旋翼获得腾空的升力。旋翼结构也较相似，但是旋翼的原理却不大相同。直升飞机的旋翼好比是一台大风扇，由发动机驱动旋转并向下方“扇”出大量的空气，从而产生升力平衡全机重量，使直升飞机得以升空。当直升飞机前飞时，旋翼桨盘向前倾斜，迎面气流由上而下地流过桨盘面，旋翼总空气动力T的方向也向前倾斜。T力的垂直分量Ty是升力；T力的水平分量Tx用于克服全机阻力使直升飞机前进。直升飞机可以悬停、直升直降、水平前飞、自转下滑。针对这些不同的状态，直升飞机的旋翼的工作情况较复杂，单旋翼直升飞机为了平衡旋翼的反扭矩和进行航向操纵，还拖了一条长长的尾巴，并有一具复杂的尾桨。旋翼机的旋翼好比是一台风车，它的桨叶可以绕旋翼轴自由旋转，不与发动机相连。当旋翼机在推力作用下向前运动时，桨叶被迎面气流吹动旋转产生升力(关于旋翼为什么会自转，请看本刊七五年第六期有关文章)。在飞行中为使旋翼能始终工作在自转状态，桨叶应工作在低桨距的范围内。自转旋翼产生的升力大小与旋翼的迎面气流速度(即旋翼机前进速度)、旋翼的迎角、转速及桨叶桨距的大小等因素有关。为获得足够的升力来保持旋翼机能作水平飞行而不致下降，它必须象固定翼飞机那样要以大于最小平飞速度V的某个速度前进，而不能象直升飞机那样悬停和垂直升降。在这点上，旋翼机又与固定翼飞机相似。不过，一般飞机的最小平飞速度都在每小时一百公里以上；旋翼机的最小平飞速度每小时只有三十公里左右，并且在低于V的速度飞行时，旋翼机也不失速，只是由平飞转入下滑。因为旋翼的升力很大，旋翼机的起飞和降落距离都很短，一般只用几十米就可离地。若在起飞前利用机上发动机或地面辅助动力予先起动旋翼旋转至一定转速，更可缩短起飞滑跑距离。飞行时，旋翼桨盘向后倾斜，迎面气流自下而上流过桨盘面，旋翼的总空气动力T也随着偏向后方。T力的垂直分量Ty是平衡旋翼机重量，使它能升空的升力；T力的水平分量Tx就是旋翼的阻力。为克服前进时的阻力，旋翼机上装备了与一般飞机相似的前进动力装置，例如有活塞式发动机驱动的螺旋桨或涵道螺桨，以及喷气发动机等。旋翼机的旋翼仅在旋翼的自转状态下工作，所以没有反扭矩。它不需要直升飞机的那种长尾巴和尾桨，也不用笨重的主减速器。这样，旋翼机的机身比直升飞机可缩短不少，结构也比直升飞机简单紧凑，重量也要轻得多。为保证旋翼机在低速时仍能操纵自如，近年来旋翼机都以直接操纵旋翼为主，操纵其他舵面为辅。旋翼的操纵包括变总距和周期变距，近年来旋翼机大多只采用周期变距以简化桨毂结构和操纵系统。旋翼机并不是什么新概念。早在二十年代初，西班牙工程师西艾尔伐在他设计的飞机因失速进入尾旋坠毁后，受到当时刚出现的直升飞机旋翼的启发，提出了利用不会失速的自转旋翼获得升力的设想。经过多次失败，终于在一九二三年完成了世界上第一架旋翼机。这架旋翼机首先在桨叶根部安装了挥舞铰，解决了因前飞引起旋翼气动力不平衡产生的倾复力矩问题。当时直升飞机尚处于发展初期，试验的几种直升飞机还仅能离地数尺，因未解决倾复力矩及操纵性、稳定性等问题尚不能前飞。在这期间，旋翼机却获得了很大的发展，据统计：在第一架旋翼机制成后的十年中，全世界共研制成了一百三十多种旋翼机，共输送了一万余名乘客，累计飞行距离四十余万公里，累计飞行时间共达三万五千小时。因为旋翼桨叶对气流的相对速度较大，旋翼的飞行阻力很大，功率损失也较大，所以旋翼机的飞行速度较低，一般最大速度不超过每小时三百公里。在发展高速、巨型、高空飞机的同时，为满足军事上和经济上的一些特殊要求，小型简易、低速低空的单人旋翼机的研究一直没有停止，近来又研制出一批新的小型单人旋翼机，有些还进行了批生产。几种小型旋翼机1.旋翼滑翔机旋翼滑翔机的结构与下面介绍的小型单人旋翼机基本相同，只是没有动力装置，可利用绞车或汽车拖曳或由一般飞机牵引起飞。旋翼滑翔机升至一定高度后脱开牵引索，利用它的位能和旋翼自转下滑。旋翼滑翔机主要用于体育运动，供初步训练旋翼飞行器的飞行员练习自转下滑用。因为直升飞机或旋翼机的发动机一旦在空中停车，飞行员必须操纵飞机自转下滑，然后安全着陆。旋翼滑翔机的向下滑翔性能为进行自转下滑练习提供了一个经济、可靠的手段。2.小型单人旋翼机近年来国内外研制的数十种旋翼机中绝大多数是小型单人旋翼机。这是因为小型单人旋翼机可以充分地发挥旋翼机简单轻巧的优点。这些小型单人旋翼机摆脱了早期旋翼机与普通螺旋桨式飞机基本相似的那种传统结构布局，形成了独特的外形：它们的机身都是由管材制成的简单构架，采用了推进式螺旋桨，并且发动机和螺旋桨都安装在飞行员坐椅和旋翼支柱的后面。这种布局的优点在于结构紧凑、全机重量较易平衡、飞行员视野好，又因为发动机的噪音和排出的废气都在飞行员身后，改善了飞行员的工作条件。但是这种总体布局也存在一些缺点，例如发动机冷却条件较差，当发动机的工作状态变化时，对飞机的航向操纵略有影响(因为推进螺旋桨的滑流正好吹拂方向舵的舵面)。为了防止大功率状态飞行时旋翼过分向后倾斜与推力螺旋桨相碰，需要对推进螺旋桨的直径及旋翼迎角加以限制或是增加旋翼支柱的高度。图四是国外研制的某种小型单人旋翼机。它的尺寸很小，在空中不易被发现，可用以完成空中摄影、武器发射、战地侦察、巡逻、炮兵校准、通讯联络及救生等项军事任务。曾在这种旋翼机机身两侧和垂尾两侧分别安装了可投放的二只火箭发射器(内装四十枚直径四十四点五毫米的火箭弹)和四只火焰喷射器，机身下部挂了二枚空对空导弹，机头整流罩内安装了二挺七十六点二毫米机枪并携带五十发用降落伞投放的航空水雷，用作小型武装旋翼机试验。小型单人旋翼机在国民经济各部门也很有用，例如进行大地测绘、护林、通信、山区邮件投递等；在旋翼机上安装了超低容量喷雾器等农业设备后可进行大田喷洒农药、灭虫除草、播种、人工降雨等农业作业。下面结合图四的结构，对这类小型单人旋翼机作简单介绍：旋翼系统是旋翼机最关键的部件。现代的小型单人旋翼机毫无例外地全都采用跷跷板式旋翼。这种旋翼只有两片桨叶，桨毂结构简单，仅有一个中心挥舞轴(见图五)。桨叶在飞行中一面绕旋翼轴旋转，同时又绕中心挥舞轴象跷跷板一样作上下挥舞运动。为进一步简化旋翼系统，又省去了变距铰而采用固定低桨距的桨叶。跷跷板式旋翼的主要缺点是容易引起较大的振动。故应对旋翼系统精心设计、施工和调整，采取措施排除振动。大多数单人旋翼机都具有桨叶起动机构。在起飞前，发动机的一部分动力经过一套传动系统起动旋翼，并加速至一定转速，再松开机轮刹车开始滑跑，离地后用操纵手柄拉开摩擦传动轮，旋翼便进入自转。旋翼起动系统只增加了二点三公斤的重量，但可以大大改善旋翼机的起飞性能。图一飞机升力原理图二直升飞机升力原理图三旋翼机升力原理桨叶应有足够的强度和刚度来承受离心力和气动力。小型单人旋图四小型单人旋翼机结构图1.空速管2.一束指示气流方向的丝线3.操纵方向舵的脚蹬4.方向舵操纵钢索5.前起落架6.前轮橡胶减震器7.前轮8.汽缸头温度计9.操纵杆锁定装置10.旋翼转速表11.空速表12.高度表13.玻璃钢整流罩14.操纵杆15.油门手柄16.燃油压力表17.油箱增压泵(增至0.14公斤/厘米2)18.座椅槽19.安全带20.旋翼发动机离合手柄21.机轮刹车手柄22.万向接头23.起落架斜支杆24.容积36.4升的增压油箱25.圆柱弹簧支撑件26.橡胶垫27.杯状油滤28.起动开关29.舱壁30.头靠31.T截面铝撑杆32.操纵拉杆33.旋翼支柱34.高速传动软轴35.游星齿轮箱36.转速表传感器37.旋翼刹车38.跷跷板支座39.支座调正器40.旋翼刹车手柄41.旋翼滚转轴42.万向变距轭43.旋翼连接片44.钢管制发动机架45.磁电机46.橡胶减震垫47.离合器弹簧48.汽缸冷却导流罩49.72马力四缸二冲程汽油发动机50.进气口51.摩擦传动橡胶轮52.鼓形离合驱动轮53.二叶定距推进螺旋桨(直径1.2米)54.钢配重55.蒙有蒙布的桦木层板56.云杉尾翼翼肋57.固定桨叶用附件58.尾轮59.用二英寸铝管制造的机身主构架60.主起落架支承座61.主起落架62.倾斜限位装置图五跷跷板式旋翼的挥舞运动图六旋翼操纵示意图翼机的桨叶形式较多，稍早的旋翼机常用木质旋翼，后来有的采用金属旋翼和较为先进的玻璃钢旋翼或复合材料旋翼结构。图四采用的是木质桨叶，从左上角可看到桨叶的桨尖和桨根部分的结构：一条变宽度的金属带贯穿了整个旋翼的两片桨叶，用于承受离心力；桦木胶合板和精制层压板结成D形的前缘，云杉木条粘结成后缘空心盒形件，再用三毫米厚的连续的桦木胶合板粘结成桨叶的其他部分，桨根部分用桦木精制层压板粘成实心段。为了防止沙石尘土对桨叶的磨损，桨叶前缘用金属层包复。桨叶表面经过仔细抛光并刷漆，以降低旋翼的摩擦阻力。每片桨叶近桨尖的前缘处粘有一块流线型配重块，它的作用有二：一是使桨叶弦向重心前移，以防止颤振；二是增大旋翼旋转的惯性矩，这样，当发动机空中停车而进入下滑时，旋翼有较大的动能。同一付旋翼上的两片桨叶必须经过严格的调查，保证它们的质量分布、气动力等的平衡，否则将很容易引起振动。图四旋翼机的机身构架主要由二根直径二英寸(五十点八毫米)的铝管制成：一根从前轮之前延伸到垂直尾面，构成了机身，上面安装前起落架、坐椅、油箱、垂尾等部件，另一根是旋翼支柱。发动机架系钢管制成。为了改善工作条件和减少飞行阻力，机头上还安装了玻璃钢整流罩。机身构件和操纵拉杆都经过静力试验，并在关键受力部位粘贴应变片检查应力。起落架为前三点式。前轮可以操纵，供地面滑行时控制方向用，并且还装有纠偏机构能在离地后使前轮自动对中，以减少正面阻力。前轮上的橡胶减震器和主起落架的圆柱弹簧支承件可以减少滑行和着陆时的冲击。主轮距较大，可使该机在较差的道路上滑行。旋翼机的三个机轮都装有内胀式刹车，可以在起飞前发动机全功率并起动旋翼的情况下刹住机轮，并在着陆时缩短滑跑距离。小型旋翼机的旋翼都采用直接偏转旋翼桨毂的方法操纵。图六中若两根操纵杆同向运动，则对应于旋翼俯仰运动；若两根操纵杆向相反方向运动，则对应于旋翼向两侧滚转。脚蹬通过钢索操纵方向舵面的偏转。小型单人旋翼机，对发动机的要求主要是重量轻，工作可靠、噪音小、耗油率低。一般小型单人旋翼机的装机功率约为四十至一百二十马力，发动机的马力/重量比都在二左右。图上旋翼机所用的是一台经改装的原靶机用气冷四缸二冲程高速汽油发动机。功率约七十二匹马力，驱动一付直径一点二米的二叶定桨距推进式木质螺旋桨。转子发动机具有功率大、体积小、重量轻的优点，是今后很有希望的发动机。油箱应在重心附近，所以安装在旋翼支柱附近。小型单人旋翼机至今仍在不断发展之中，几乎每年都有一些新机种出现。在航空知识普及和航空器材的供应等条件具备后，小型单人旋翼机有可能象今天人们使用摩托车、手扶拖拉机那样，成为人们常用的“空中摩托”，为我国四个现代化早日实现而“展翅飞翔”。图七简易旋翼机图八涵道螺桨推进的旋翼机图九螺桨前置的旋翼机旋翼机在国外工业化发达的国家已经很成熟，我们为国内不断有飞友能够成功上天的实例而欣喜，就像验证了早已为世人熟知的科学规律一样，飞友们不必再有为争世界上首先发明旋翼机而带来上的时间紧迫感，现在，飞起来并不难！我们应该冷静下来考虑，如何在中国现有的条件下，把DIY旋翼机这一事物尽量顺利地在国内发展起来。发动机、螺旋桨、旋翼、旋翼头等主要部件乃至整机，逐步实现国产化。 1. 发动机：尽量使用成熟的汽车发动机零部件开发适宜的航空发动机是必由之路。目前主要是用买国外二手发动机改装，采购成本很高，这是国内DIY旋翼机动力方案现在的最佳途径。国内重庆地区很成熟的摩托车发动机零部件生产基地已经完全有能力开发出适合的铝合金箱体、发动机曲轴总成；其他部件，已经有象桑塔纳、五菱汽车这一很成熟级别的汽车发动机零件如活塞、活塞环、缸套等可直接供选用；为增加发动机的可靠性和降低成本，可以首先制造二冲程发动机，以目前市场上成熟的汽油机电路零部件制造出合理的电路；减速器，考虑到为方便安装全封闭座舱的需要适当延长输出轴，完全可以用皮带传动，这也是目前被国外很多成熟轻型飞机所采用的。如此，最终实现把发动机的成本控制在万元以内，并降低发动机使用成本就成为可能！ 2.螺旋桨：丹东朋友造的螺旋桨已经被飞友们认可，估计需求量大后会有同行跟风。 3.旋翼：已经有人开发出能短期飞行的铝合金旋翼，大大降低了采购成本，其中的利润驱动越来越多的人争相加入，相信随后还会有复合材料的旋翼逐渐被开发出来，中国人低成本用放心的国产旋翼玩DIY旋翼机的日子已经不远了！ 4.旋翼头、操纵连杆、铰链、紧固件等部件：说穿了就是一个机械加工和热处理的问题，严格按工艺要求选材，这些部件制造对于现在加工手段稍全的小工厂都不成为问题，只是制造者把利润限定在飞友们认可的范围就可以了。 5.机架、机壳：通过中国旋翼机论坛上的讨论，我们可以对某一发动机排量的旋翼机结构、尺寸达成共识，这样就既可选购成品，也可自己制造机架，有了比较统一的机架形式、标准，也就为随后DIY旋翼机完整