直升机升力的产生.doc

普通固定翼飞机飞行浮力源自固定在机身上的机翼。当定翼飞机向前飞，机翼与空气的相对运动产生向上升的浮力。直升机的浮力也来自相同的原理；但是直升机上的机翼并不是固定在飞机上，随著飞机向前运动；而是在机顶上旋转。所以直升机上的螺旋桨其实是旋转中的机翼，故称为“旋翼”。当旋翼提供浮力的同时，也会令飞机与旋翼作相反方向旋转，必须以相反的力平衡。旋翼在做圆周运动时,由于半径的关系,翼尖处的线速度可以接近音速,但圆心处的线速度为零!所以旋翼在靠近圆周的地方产生最大的升力和推力,而在靠近圆心的地方实际上已经类似风车甚至失速状态,非但不产生升力和推力,还产生阻力。旋翼桨叶在圆周转动中,两侧产生的升力不均匀,可以使直升机在飞行中向一侧迅速翻滚,必须加以补偿。另外桨叶在左右两侧和空气的相对速度之差还带来对直升机飞行速度的限制。用旋翼产生推力时,直升机的前飞速度不可能超过旋翼翼尖的线速度。另外,由于旋翼前倾才能产生前飞的推力,阻力在倾斜的旋翼平面上形成一个向下的分量,造成速度越大、“降力”越大的尴尬局面,必须用增加的升力来补偿,白白浪费发动机功率。这些原因使得直升机的速度难以提高。据计算,传统直升机的理论速度不能超过420千米/小时。 多数做法是以小型的螺旋桨在机尾作相反方向的推动，也有新型直升机是靠在尾部吹出空气，用附壁效应产生的推力平衡，好处是大幅减少噪音，而且也可以避免尾部螺旋桨碰损的可能性，提高飞机安全性。部分大型直升机则使用向不同方向旋转的旋翼，互相抵消对机体产生的旋转力。 单旋翼尾桨直升机 最常见的直升机类型，一个水平旋翼负责提供飞机升力，尾部一个小型垂直螺旋桨负责抵消旋翼的反作用力。代表型号：苏联米里设计局研制的米-26运输直升机以及美国麦道公司研制的AH-64武装直升机。 单旋翼无尾桨直升机 一个水平旋翼负责提供飞机升力，并从尾部吹出空气，用附壁效应产生的推力抵消旋翼的反作用力。代表型号：美国麦道公司生产的MH-6直升机。 双旋翼直升机 纵列式 两个旋翼前后纵向排列，旋转方向相反，多见于大型运输直升机。代表型号：美国波音公司制造的CH-47“支努干”运输直升机。 共轴式 两个旋翼上下排列在同一个轴上，并且没有尾桨，优点是稳定性好，但技术复杂，因而较为少见。代表型号：苏联卡莫夫设计局研制的卡-50武装直升机。 侧旋翼直升机 结合了固定翼飞机和直升机两者特点的混合技术直升机。起飞时采用水平并置的双旋翼，飞行中将旋翼向前旋转90度变成两个真正的螺旋桨，按照普通固定翼飞机的模式飞行。这样做的好处是可以减小飞行阻力，提高飞行速度，最高可以超过600公里/小时，同时省油，提高航程，缺点是结构复杂，故障率高，因而极为少见。代表型号：美国贝尔公司和波音公司联合制造的V-22运输直升机。 直升机旋翼绕旋翼转轴旋转时，每个叶片的工作类同于一个机翼。旋翼的截面形状是一个翼型。翼型弦线与垂直于桨毂旋转轴平面之间的夹角称为桨距。 叶片的上表面会产生升力，其实用牛顿定律或伯努利定律都可以解释。被叶片推动的空气，必须遵守动量守衡定律。 最接近叶片的空气受附壁效应(Coanda Effect)而紧贴着叶片的上表面流动。受叶片的上表面的形状，以及叶片桨距的影响，叶片上方的空气会加速向下，于是反作用力将旋翼向上提升。 又根据帕努利定理“流体对周围的物质产生的压力与流体的相对速度成反比。”，因此上表面的空气施加给旋翼的力小于下表面的力。合力必然向上，这就产生了升力。 直升机旋翼开始旋转后,在桨叶上产生向上的升力。随着旋翼转速的增加，升力逐渐增大。当升力超过重力时，直升机即铅垂上升；若升力与重力平衡，则悬停于空中；若升力小于重力，则向下降落。 旋转旋翼桨叶所产生的拉力和需要克服阻力产生的阻力力矩的大小，不仅取决于旋翼的转速，而且取决于桨叶的桨距。从原理上讲，调节转速和桨距都可以调节拉力的大小。 拉力的改变主要靠调节桨叶桨距来实现。 各叶片同时增大或减小桨距，从而产生直升机起飞、悬停、垂直上升或下降飞行所需要的拉力。直升机的前飞，特别是平飞，是其最基本的一种飞行状态。直升机作为一种运输工具，主要依靠前飞来完成其作业任务。为了更好地了解有关直升机前飞时的飞行特点，从无侧滑的等速直线平飞人手，有关上升率Vy不为零的前飞(上升和下降)留在下一节介绍。 直升机的水平直线飞行简称平飞。平飞是直升机使用最多的飞行状态，旋翼的许多特点 在乎飞时表现得更为明显。直升机平飞的许多性能决定于旋翼的空气动力特性，因此需要首 先说明这种飞行状态下直升机的力和旋翼的需用功率。 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。直升机与普通飞机区别及飞行简单原理： 不可否认，直升机和飞机有些共同点。比如，都是飞行在大气层中，都重于空气，都是利用空气动力的飞行器，但直升机有诸多独有特性。 （1）直升机飞行原理和结构与飞机不同飞机靠它的固定机翼产生升力，而直升机是靠它头上的桨叶（螺旋桨）旋转产生升力。 （2）直升机的结构和飞机不同，主要由旋翼、机身、发动机、起落装置和操纵机构等部分组成。根据螺旋桨个数，分为单旋翼式、双旋翼式和多旋翼式。 （3）单旋翼式直升机尾部还装有尾翼，其主要作用：抗扭，用以平衡单旋翼产生的反作用力矩和控制直升机的转弯。 （4）直升机最显眼的地方是头上窄长的大刀式的旋翼，一般由25片桨叶组成一副，由12台发动机带动，其主要作用：通过高速的旋转对大气施加向下的巨大的力，然后利用大气的反作用力（相当与直升飞机受到大气向上的力）使飞机能够平稳的悬在空中。 三、平衡分析（对单旋翼式）： （1）直升飞机的大螺旋桨旋转产生升力平衡重力。 直升飞机的桨叶大概有23米长，一般有5叶组成。普通飞机是靠翅膀产生升力起飞的，而直升飞机是靠螺旋桨转动，拨动空气产生升力的。直升飞机起飞时，螺旋桨越转越快，产生的升力也越来越大，当升力比飞机的重量还大时，飞机就起飞了。在飞行中飞行员调节高度时，就只要通过改变大螺旋桨旋转的速度就可以了。 （2）直升飞机的横向稳定。 因为直升飞机如果只有大螺旋桨旋，那么根据动量守衡，机身就也会旋转，因此直升飞机就必须要一个能够阻止机身旋转的装置。而飞机尾部侧面的小型螺旋桨就是起到这个作用，飞机的左转、右转或保持稳定航向都是靠它来完成的。同时为了不使尾桨碰到旋翼，就必须把直升飞机的机身加长，所以，直升飞机有一个像蜻蜓式的长尾巴。 四、能量方式分析。 根据能量守恒定律可知：