直升机机动飞行有多难?美国直升机界元老:独一无二

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  • 前言:本文将给出直升机机动飞行的正确操纵姿势,感兴趣的读者敬请收藏转发

直升机机动飞行有多难?美国直升机界元老:独一无二

你现在就差一架直升机了!【你要是恰好有一架,那我只想说,大佬咱做朋友吧】

与固定翼飞机的飞行员不同,直升机飞行员在进行机动飞行的过程中,首先需要给予足够重视的问题就是直升机旋翼来流的不对称性。

直升机旋翼两侧来流的强不对称性直接决定了直升机旋翼操纵过程中存在的强交叉耦合,这种交叉耦合的存在给直升机的机动飞行操纵带来了相当大的难度。

美国直升机界元老,曾担任贝尔直升机、休斯直升机、西科斯基直升机公司气动技术专家的普劳第就称直升机的机动飞行操纵在航空界乃是“独一无二”的。

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下文将从专业的角度论述直升机转弯机动飞行的正确姿势。

1、转弯机动的方法原理

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我们可以先对这个简单的前飞机动动作进行考虑,这一动作在直升机机动中占据极大的地位,因为不管你最终要做的是一套蛇形机动还是曲绕飞行,当你把这一系列动作分解开来,最后其实还是和转弯机动直接相关。

那么一个优秀的转弯动作是怎么样呢?

这么说,如果你的转弯能够拖出一条曲线的话,那么这条曲线应该是圆润光滑的,而且不应该存在任何侧滑位移,如果你能做到上述要求,那么我们可以认为这一次的转弯是优秀的。

从力学角度来看,转弯的时候,实际上高中物理就学过,直升机机体将会产生一个“向心力”,也就是指向前文所说的曲线内侧的力。

根据力学特点,我们可以进一步从转弯这一机动动作中提取最重要的三要素:滚转加速度、滚转速度、保持稳定侧飞。

  1. i滚转加速度

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对于固定翼飞机而言,飞行员只要通过操纵杆或者方向盘调整以下副翼的角度,让一侧机翼的力大于另一侧,就能立刻产生一个适当的滚转力矩,从而产生滚转加速度。

从力学本质来说,直升机的飞行员要干的事也是一样的,但是实际操纵却是截然不同。从宏观上来考虑,有两种方式让直升机产生滚转力矩:

  • 通过周期变距操纵,使得旋翼桨盘侧倾一定角度就能产生适当的滚转力矩,从而产生滚转加速度;

  • 通过设计“挥舞铰偏置量”(这是一个很专业的概念,笔者后续会写一篇文章专门介绍,这里先简单说明)来增强操纵响应和桨毂力矩,由桨毂力矩来产生滚转力矩,从而产生滚转加速度。

因此要产生滚转加速度,就要产生滚转力矩,根据以上分析,就应该调节周期变距杆,调节横向变距来实现。

  1. ii滚转速度

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为了维持稳定的滚转速度,固定翼飞机飞行员需要做的仅仅是保持副翼偏转角,机翼气动力差动会在达到稳定的滚转速度之后自动平衡。

但是对于旋翼来说,它的机理和固定翼是不一样的。直升机的滚转就好像是一个陀螺一样,是一个不稳定的系统,一定要通过飞行员的具体的操纵才能实现一个稳定的滚转速度。

比如说对于向左滚这种状态,飞行员必须要持续对横向周期变距进行调整。因为,假如飞行员不调整横向周期变距,就难以使得直升机产生足够的力矩实现左滚,但是在这个调节过程中,直升机又会出现其他必须要操纵调节的现象。

这个现象是这样的,直升机向左滚转,左侧旋翼向下运动,相对地就会受到一个向上的气流作用,这个相对桨叶向上的气流,实际上是增大了桨叶的气动迎角,从而增大了左侧的拉力;而旋翼右侧恰好相反,由于桨叶向上运动,就会受到一个向下的气流作用,相对而言,其桨叶的气动迎角就减小,从而减小了右侧桨叶的拉力。

两侧拉力差就会导致一个与滚转方向相反的力矩,为了减弱这个现象,驾驶员需要做的就是在调节横向周期变距的时候,还要稍微后拉总距杆,这样才能减弱左滚带来的阻碍作用。

从这个作用产生的原理来看,横向周期变距的调节是不受旋翼桨毂形式的影响的,但是桨叶的重量却会对此产生较大的影响。

这是因为桨叶较重的时候,离心力和惯性力比较大,操纵响应比较滞后,飞行员的操纵实现的效果就小。

但是重型桨叶由于转动惯量较大,其自转下滑性能就比较好,也就是说直升机的安全性会比较高,在这种情况下,美国的直升机公司就折衷选择了旋翼桨尖喷气的方案来解决重型桨叶操纵响应滞后的问题,当然这是后话,笔者后续将另作讨论。

  1. iii保持稳定侧飞

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在转弯机动飞行中,获取所需要的侧飞角度是相当重要的。为了维持侧飞,旋翼的拉力必须要增加,因为侧飞的时候,旋翼带来的拉力合理不是垂直向上的,而是指向侧上方的,其垂直方向的分力就得要能够平衡直升机重量,因而这个旋翼拉力是要大于直升机本身重量的。

固定翼飞行员进行侧飞只要后拉操纵杆提高机翼迎角并且稳住就行。而直升机的飞行员则是要通过提拉总距杆来实现。

但是直升机的侧飞状态同样不是一个自稳定的状态,由于旋翼需要提升比自身重量更大的拉力,其诱导入流也要大于平时,这往往会导致旋翼诱导更多的气流进入桨盘,因而产生更大的反扭矩,这时候,就要提拉尾桨的总距来平衡反扭矩。

再者,由于直升机的拉力比平飞时候要大,旋翼挥舞形成的锥体的锥度角也要更大,这又会可能会导致旋翼产生一个抬头力矩,这时候飞行员又要调节周期变矩杆来平衡这个力矩。

2、转弯机动的总结与展望

在实际飞行中,转弯机动的滚转加速度、速度和稳态侧飞都是存在交叉耦合效应的。其中甚至还会和其他效应耦合,比如滚转过程中,机身气动力产生的阻尼效果,很容易就导致侧滑的发生。

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为了消除这些不稳定因素,飞行员的经验是相当重要的,当然,随着电传操纵系统的长足发展,后续这些平衡工作更有可能是交给控制系统做,这也是未来的发展趋势。

不过就目前而言,由于交叉耦合的复杂度,能成熟应用在大型直升机上的电传操纵系统暂时还没有。

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