十分鐘就能讀懂的直升機飛行原理（1）

發(fā)布： 湖南通聯(lián) 發(fā)布時間：2017/8/25 0:00:00

直升機飛行原理涉及空氣動力學、飛行力學以及機械構造等很多方面的知識，本文供感興趣的朋友初步了解直升機飛行的一些基本原理。旋翼的拉力垂直于旋翼椎體的底面，當向上的拉力大于直升機自重，直升機就上升，小于直升機自重，直升機就下降，剛好相等，直升機就懸停。

直升機飛行原理涉及空氣動力學、飛行力學以及機械構造等很多方面的知識，本文供感興趣的朋友初步了解直升機飛行的一些基本原理。

拉力的產(chǎn)生

直升機在地面停放時旋翼的槳葉會因為自身重量的作用呈自然下垂狀態(tài)。直升機飛行時，旋翼不斷旋轉，空氣流過槳葉上表面，流管變細，流速加快，壓力減??；空氣流過槳葉下表面時，流管變粗，流速變慢，壓力增大。這樣以來槳葉的上下表面就形成了壓力差，槳葉上產(chǎn)生一個向上的拉力。拉力大小受到很多方面影響，比如槳葉與氣流向遇時的角度、空氣密度、機翼的大小和形狀，還有和氣流的相對速度等。各槳葉拉力之和就是旋翼的拉力。

直升機飛行時，旋翼的槳葉會形成一個帶有一定錐度的底面朝上的大錐體，將其稱為旋翼椎體。旋翼的拉力垂直于旋翼椎體的底面，當向上的拉力大于直升機自重，直升機就上升，小于直升機自重，直升機就下降，剛好相等，直升機就懸停。

通過控制旋翼椎體向前后左右各方向的傾斜，就可以改變旋翼拉力的方向，從而實現(xiàn)直升機向不同方向的飛行。

“惱人”的反作用力

牛頓第三定律告訴我們“相互作用的兩個物體之間的作用力和反作用力總是大小相等，方向相反，作用在同一條直線上”。所以當直升機驅動旋翼旋轉時，旋翼也必然會對直升機產(chǎn)生一個反作用力矩，如果只有一個旋翼，沒有其他措施，直升機機體會進入“不由自主”的旋轉。

為此設計者想了很多控制反作用力矩的方法，比如按照左右并排，前后縱列，上下共軸，交叉互切等布局給直升機裝上兩個大小相等，旋轉方向相反的旋翼來抵消相互的反作用力矩，再比如用噴氣引射和主旋翼下洗氣流的有利交互作用抵消反作用力矩，但是最簡單的還是在機尾裝一個垂直旋轉的小旋翼，稱之為尾槳，通過或“拉”或“推”的方式抵消反作用力矩，這也是現(xiàn)代大多數(shù)直升機普遍采取的方式。本文在探討有關問題時，除特殊說明外，均是指這種單旋翼帶尾槳的直升機。

通過控制尾槳“拉力”或“推力”的大小，可以達到使直升機偏轉的目的，從而實現(xiàn)直升機的轉向。

槳葉揮舞

旋翼旋轉時做圓周運動，由于半徑關系，槳葉尖處線速度很大，而槳葉靠近圓心處的根部線速度很小，甚至幾乎為零，所以單片槳葉上各處產(chǎn)生的升力并不相同，靠近槳尖的地方產(chǎn)生最大的升力，而靠近根部的地方只產(chǎn)生很小的升力。

此外當直升機前進時，旋翼中的前行槳葉（向機頭方向轉動的槳葉）的相對氣流速度高于后行槳葉（向機尾方向轉動的槳葉）的相對氣流速度，其產(chǎn)生的升力也大于后行槳葉，這就造成兩側升力的不均。

如果槳葉和槳轂剛性連接，一方面槳葉上不均的升力會使槳葉產(chǎn)生強烈的扭曲，既會加速槳葉材料的疲勞，又容易引起振動，另一方面旋翼兩側升力的不均會使機體失去平衡向一側翻滾。為了解決這些問題，設計者設計了一個鉸接裝置來連接槳葉和槳轂，即“揮舞鉸”。

“揮舞鉸”，也叫“水平較”，就是在槳葉的根部設置一個水平的軸孔，通過插銷與槳轂相連，這種連接方式允許槳葉在一定幅度范圍內揮舞。這樣以來槳葉在前行時，由于升力增加，自然向上揮舞，其運動的實際方向不再是水平，而是斜線向上的，槳葉實際的迎角也由于這種運動而減小，升力降低。槳葉在后行時，升力不足，自然下降，這種邊旋轉邊下降的運動，使槳葉的實際迎角增大，升力增加。同時由于離心力的存在，槳葉會有自然拉直的趨勢，因此不會在升力作用下無限升高或降低，也就是說槳葉的揮舞幅度不是無限的。同時設計者在機械構造上也采取了相應的措施，保證槳葉不至于因無限揮舞而碰撞機身。

擺振的問題

槳葉的揮舞雖然解決了升力不均材料疲勞等問題，但也帶來了新的問題。槳葉向上揮舞時，重心離旋轉軸的距離減小，產(chǎn)生的科氏力矩使槳葉加速旋轉，槳葉恢復水平時，重心離旋轉軸的距離增加，科氏力矩又會使槳葉減速旋轉?？剖狭氐拇笮『头较螂S著槳葉的揮舞呈現(xiàn)出周期性變化，槳葉在水平方向也會前后搖擺，補償揮舞造成的科里奧利效應。如果不加控制，這種搖擺對槳葉根部的損傷會非常大，解決的辦法就是安裝“擺振鉸”。