直升机飞行原理(2)

反扭力的问题解决了,还有飞行控制的问题。前飞时,直升机不是不可以采用固定翼飞机一样的气动舵面控制偏航、俯仰、横滚,但悬停的时候怎么办呢?这又回到反扭力问题上来了,有控制地打破反扭力的平衡,不就可以造成飞机向左右的偏转吗?对于常规的主旋翼-尾桨布局,增加、减少尾桨的桨距(绕桨叶纵轴相对于桨叶迎风方向的偏转角),就在不改变尾桨转速的情况下,增加、减少尾桨的效果,达到使飞机偏转的效果。由于动力装置固有的惯性,增加扭力的速度总是不及降低扭力的速度,所以常规的单桨直升机向一侧偏转的速度通常快于向另一侧偏转的速度。

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直升机旋翼水平旋转可以实现垂直起落 / 直升机通过将旋翼前倾产生推力

旋翼水平旋转时,自然产生向上的升力,这是直升机得以垂直起落和悬停的基本条件。旋翼向前倾斜,自然就在产生升力的同时,产生前行的推力。但是如何使旋翼前倾呢?将传动轴或发动机向前倾斜是不现实的,机械上太复杂,可靠性也将一塌糊涂。那怎么办呢?采用所谓的旋转斜板(swash plate),如下图所示。
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周期矩控制示意图,注意上旋转斜板和旋翼桨叶的连接,和下旋转斜板受飞行员控制的可调角度

上旋转斜板紧贴下旋转斜板滑动(或在接触面上安装滚珠,减少摩擦阻力),其倾斜角度由下旋转斜板决定。上旋转斜板随旋翼转动,由于前低后高,连杆和支点的作用迫使旋翼上升下降,最后按斜板的角度旋转,达到旋翼倾斜旋转。下旋转斜板不随旋翼转动,但倾斜角度可以由飞行员通过机械连杆或液压作动筒控制,以控制旋翼的倾斜角度。下旋转斜板不光可以前低后高,还可以左低右高,或向任意方向偏转。这就是直升机旋翼可以向任意方向倾斜的道理。这个改变旋翼在每个旋转周期内角度的控制称周期距控制(cyclic control),用来控制行进方向。直升机的另一个主要的飞行控制为桨叶的桨距(pitch),用来控制升力,这称为总距控制(collective control)。和固定翼飞机的飞行控制不同,直升机不靠气动翼面实现飞行控制,而是靠这总矩控制和周期距控制实现飞行控制。

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旋翼倾斜,造成升力的作用力轴线倾斜,由于作用力轴线不再通过重心,造成扭转力矩,使飞机向旋翼倾斜方向滚转,直到作用力轴线重又通过重心,恢复平衡

旋翼是圆周运动,由于半径的关系,翼尖处线速度已经接近音速时,圆心处线速度为零!所以旋翼靠近圆周的地方产生最大的升力,而靠近圆心的地方只产生微不足道的升力。桨叶向前划行时,桨叶和空气的相对速度高于旋转本身所带来的线速度;反之,桨叶向后划行时,桨叶和空气的相对速度就低于旋转本身所带来的线速度,这样,旋翼两侧产生的升力还不均匀,不做任何补偿的话,升力差可以达到 5:1。这个周期性的升力变化不仅使机身向一侧倾斜,而且每片桨叶在圆周中不同方位产生不同的升力和阻力,周期性地对桨叶产生强烈的扭曲,既大大加速材料的疲劳,又引起很大的振动。所以旋翼的气动设计可以比高性能固定翼飞机的机翼设计更为复杂。

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直升机以 130 公里/小时前行,主旋翼翼尖线速度 420 公里/小时,桨叶在不同位置和气流的相对速度是不同的,产生的升力也不同 / 固定桨叶的升力分布,等高线是与半翼展处产生的升力的比值

de la Cierva 是在实践中发现这个问题。他的模型旋翼机试飞很成功,但是全尺寸的旋翼机一上天就横滚翻,开始以为是遇到突然的横风,第二架飞机上天同样命运。de la Cierva 经过研究,发现模型旋翼机的桨叶是用藤条材料做的,有弹性,而全尺寸旋翼机的桨叶是刚性的钢结构,由此认识到桨叶的挥舞铰的必要性。具体来说,为了补偿左右的升力不均匀,和减少桨叶的疲劳,桨叶在翼根要采用一个容许桨叶载回转过程中上下挥舞的铰链,这个铰链称为挥舞铰(flapping hinge,也称垂直铰)。桨叶在前行时,升力增加,桨叶自然向上挥舞。由于桨叶在旋转过程中同时上升,桨叶的实际运动方向不再是水平的,而是斜线向上的。桨叶和水平面的夹角虽然不因为桨叶向上挥舞而改变,但桨叶和气流的相对运动方向之间的夹角由于这斜线向上的运动而变小,这个夹角(而不是桨叶和水平面之间的夹角)才是桨叶真正的迎角。桨叶的迎角在升力作用下下降,降低升力。桨叶在后行时,桨叶的升力不足,自然下垂,变旋转边下降造成桨叶和气流相对运动方向之间的夹角增大,迎角增加,增加升力。由于离心力使桨叶有自然拉直的趋势,桨叶不会在升力作用下无限升高或降低,机械设计上也采取措施,保证桨叶的挥舞不至于和机体发生碰撞。桨叶在环形过程中,不断升高、降低,翼尖离圆心的距离不断改变,引起科里奥利效应,就像花样滑冰运动员经常把双臂张开、收拢,以控制旋转速度。要是一个手臂张开,一个手臂收拢,就不可能在原地旋转,就要东倒西歪了。所以桨叶在水平方向也要前后摇摆,以补偿桨叶上下挥舞所造成的科里奥利效应。摆振铰利用前行时阻力增加,使桨叶自然增加后掠角(即所谓“滞 后”,因为桨叶在旋转方向上的角速度低于圆心的旋转速度),这也变相增加桨叶在气流方向上剖面的长度,加强了减小迎角的作用;在后行时,阻力减小,阻尼器(相当于弹簧)使桨叶恢复的正常位置(即所谓“领先”,因为桨叶在旋转方向上的角速度高于圆心的旋转速度),当然也加强了增加迎角的作用,所以摆振铰(drag hinge 也称水平铰)也称领先-滞后铰(lead lag hinge)。挥舞铰和摆振铰是旋翼升力均匀的飞行平稳的关键。由于桨叶在旋转中容许上下挥动和前后摆动,这种桨叶称为柔性桨叶(articulated rotor)。除了用机械铰链容许桨叶在环形过程中相对于其他桨叶有一定的挥舞外,材质也必须具有弹性,这就是为什么直升机停在地面时,桨叶总是“耷拉” 着的原因。

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双叶旋翼是一个特例,桨叶和圆心的桨毂刚性连接,但用一个单一的“跷跷板”铰链同时代替挥舞铰和摆振铰,所以也称为半刚性桨叶(semi-rigid rotor)。跷跷板铰链在一侧桨叶上扬时,将另一侧桨叶自然下压;在一侧桨叶“领先”时,将另一侧桨叶自然“滞后”,既简化了机械设计,又完美地实现了更复杂的机械设计才能实现的功能。贝尔直升机公司用双叶用出了味道,越战期间漫天蝗虫似的 UH-1 就是双叶,后来的 AH-1 也是。不过“跷跷板”设计只能用于双叶旋翼。双叶旋翼有无可置疑的简洁性和由此而来的成本和可靠性上的优势,但双叶旋翼也只有两片桨叶可以产生升力和推力,和多叶桨叶相比,就要增加旋翼直径,增加旋翼转速,前者增加总体尺寸和阻力,后者增加噪声。

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