03.03 直升機是如何獲得向前的動力的?

伝儱


1939年9月14日,美國工程師西科斯基研製的VS-300直升機試飛成功,這是現代直升機的開山鼻祖。直升機具備幾乎任意地形下起降的條件,空中懸停、快速升降等特性比固定翼飛機優勢明顯,所以在抗震救災、巡邏補給等關鍵時刻發揮了不可替代的作用。

直升機按螺旋槳劃類大體上分為單旋翼式、雙旋翼式。不管何種飛機垂直往上的上升拉力不難解釋:依靠驅動螺旋槳旋翼的高速旋轉產生巨大託舉力。而水平移動比垂直移動相對複雜,是直升機的主螺旋槳翼軸線向前面大幅傾斜,這時向上的託舉力就被分成了向前的拉力和向上的託舉力。說白了螺旋槳的旋翼和固定翼飛機的機翼原理一樣,機翼上面有弧度下面較平滑,當螺旋槳高度旋轉切割空氣時,造成機翼上下的空氣流速不一致,從而產生了巨大的氣壓差值。相對於主螺旋槳不傾斜外,不一樣的地方只是一個斜著切割空氣一個水平切割空氣。這就是為什麼我們在影視劇中看到直升機向前飛行時會向前壓著機身,斜著飛出去的原因。但螺旋槳在高速旋轉下往往會產生一個和旋轉方向相反的反扭力,為平衡該力使機身平穩不搖晃, 直升機還有增加了一個尾翼,利用其產生的拉推力對抗消除旋翼旋轉時機體的旋轉。

螺旋槳的旋翼巨大,看上去像一個大號的風扇,但主旋翼絕不是像風扇葉一樣固定一體的,每個旋翼都是獨立的單位可以輕鬆調節角度,裡面有一套機械檢測控制系統,根據力學原理可以隨意增大或縮小切旋翼的傾斜角度。要前進的話機身前傾就要產生夾角,讓機尾和機頭不在一個水平面,而且前者的升力要大於後者的升力。螺旋槳是直升機前後左右上下運動的主要元件,但稍微改變的旋翼角度也是其運動的核心所在。【作者:小成】


環球快資訊


直升機從懸停到前進飛行時,它的主旋翼會傾向前方,這會讓直升機體保持前傾姿態。當直升機懸停地面1~1.5米左右時,機頭朝向起飛方向,這時將操縱桿向前推,增加前進速度。為了避免直升機下降,還需拉起總距操縱桿保持主旋翼升力。速度增加後會帶來平移升力,當直升機達到一定速度時也能保持平衡,這時就能正常往前飛行了。

直升機在向前飛時更像固定翼飛機

當直升機向前飛行時機頭會向下傾斜,這會失去高度但會增加速度。直升機的前進和後退都是將主旋翼的升力傾向進行改變來實現的,也就是機體會向操縱桿所傾斜方向移動,傾斜的角度越大,速度改變也就越大。當操縱桿保持在中央時,直升機就會處於懸停狀態,這時只需稍加傾斜,升力就會向傾斜方向移動,機體位置也隨之變化。

移動操縱桿,直升機就能從懸停開始向前飛行

要想直升機從懸停向前飛,只需要將操縱桿向前推,機體也會向前移動。這是要想向右移動,就右傾。向左移動就左傾。向後移動就往後拉。但是在操作時務必謹小慎微,劇烈的操縱往往回來帶來無可挽回的災難。

直升機懸停是難度非常高的動作

我們知道直升機相比固定翼飛機最大的優勢就是懸停。雖然懸停是直升機最基本的動作,但是嫻熟的掌握卻非常困難,看看有多少事故發生在起飛和降落階段就知道了。飛行員首先要得知風的方向,然後用身體去感受操縱桿和腳蹬的反應。懸停最容易在無風情況下操作的,但是風無時不刻都產生變化,這就需要飛行員進行不斷的微調。


航空之家


直升機是一種獨特的飛行器,此前直升機一直被歸類在“飛機”之外,直升機和飛機屬於兩種截然不同的飛行器,此外還有另一種飛行器叫做旋翼機,這三種飛行器的飛行原理各不相同,因此被歸為了三類。

要明白直升機怎麼向前飛,首先需要知道直升機怎麼飛,而要知道直升機怎麼飛,可以先從簡單的固定翼飛機怎麼飛來入手。首先固定翼飛機採用流體力學原理,流體在一個管道中流動時,流速大的地方壓力小,流速小的地方壓力大。因此,機翼的上部凸出,這是一個細流管的構造,空氣在機翼上部的流速快,從而壓力減小,而機翼的下部平坦,空氣的流速相對上部小,從而壓力大,飛機在向前移動時,機翼上下的壓力差隨著飛機移動的速度而變大,當飛機的移動速度帶來的機翼上下壓力差大於飛機的自重時,飛機就騰空而起了。

而直升機的機翼為幾片槳葉,將固定翼變成了繞軸快速轉動的旋翼,同樣根據流體力學原理,旋翼旋轉的速度越快,上下壓力差就越大,最終當旋轉速度超過一定值後,旋翼上下的壓力差大於了飛機的自重,飛機就獲得一個向上的力,以旋翼上方所指的方向來移動。

因此,直升機如何向前就更簡單了,當旋翼在一系列作動機構的調整下,向前傾斜,讓旋翼的上方朝斜前上方向,直升機就會朝著斜上方移動,而朝著斜上方的時候,地球的引力仍然是豎直的,所以一部分向上的力被抵消,直升機就向前飛行了。

順便提一句,由於直升機的旋翼在旋轉時,會產生一個巨大的偏轉力矩,這個力矩將讓直升機的機身也跟著旋翼來旋轉,為了避免這種情況的發生,直升機設計了一個尾槳,尾槳通過一個垂直於主旋翼的副旋翼的旋轉,抵消這個偏轉力矩,從而控制直升機的前進方向,當直升機需要轉向時,只需要加大或減小這個尾槳的旋轉速度,便可以引導直升機轉向。而俄羅斯卡莫夫設計局的共軸雙旋翼,通過兩個反轉的共軸旋翼來抵消互相的偏轉力矩,因此不需要尾槳。


大國鑑


直升機是通過巧妙設計的旋翼變距機構來實現向前後左右各方向飛行的。


20世紀20年代,一位在西班牙和法國工作的阿根廷人勞爾·帕泰拉斯·佩斯卡拉侯爵發明了幾架共軸雙旋翼直升機,留空時間飛行時有了很大進步,並可以進行受控飛行,但操縱很吃力。佩斯卡拉的直升機可以說是當時最先進的設計,他解決了直升機設計的幾個關鍵問題。

旋翼週期變距

首先是現在稱為“週期變距控制”的技術,就是現代直升機用來控制飛行方向的關鍵技術。佩斯卡拉直升機的旋翼上安裝有一組用於改變葉片槳距的連桿,在連桿圍繞直升機旋轉時可以改變旋翼葉片的迎角。例如在葉片前行時加大迎角提高升力,在葉片後退時降低迎角減小升力,直升機就能夠向前飛行。

佩斯卡拉直升機

佩斯卡拉的第二項創新是自旋概念。由於直升機沒有機翼,在發動機失去動力後就會想磚頭一樣墜落。佩斯卡拉設想了在直升機下墜時讓旋翼自由旋轉,在接近地面時突然提高旋翼的槳距,以此來減緩衝擊。因此佩斯卡拉直升機上有個總距操縱桿,能調整所有葉片的槳距。

VS-300直升機模型

最終,佩斯卡拉的週期變距和總距概念在西科斯基的VS-300直升機上被髮揚光大。1939年首飛的這種伊戈爾·西科斯基的直升機具有一副三葉主旋翼和一副用於抵消扭矩的小型側置尾槳,使用週期變距杆來調整葉片的週期變距,控制直升機向個方向飛行,此外還有一個總距操縱桿來調整所有葉片的槳距,使直升機可以垂直升降。VS-300奠定了現代單旋翼直升機的基本結構和操縱原理。

飛行員通過操縱週期變距杆(也稱駕駛杆),使旋翼頭上的斜盤向相應的方向傾斜。由於旋轉環同槳葉的變距搖臂之間有固定長度的拉桿相連,所以斜盤的傾斜會導致槳葉的槳距發生週期變化,使得旋翼空氣動力不對稱,槳葉的旋轉平面將向所需方向傾斜,旋翼的拉力矢量方向因此發生改變,這樣就達到操縱直升機飛行方向的目的。

飛行操作總距杆時使斜盤上下升降,則會帶動旋翼的總距變化,使旋翼升力出現變化,直升機做上下升降動作。


新防務觀察


從飛行原理上來說,直升機是一種與飛機完全不同的飛行器。直升機由於在旋翼轉動時會產生升力,因此可以在空氣中垂直上升或下降。但在直升機垂直於地表的情況下,旋翼並不能提供向前飛行所需的拉力或推力。而若對直升機稍有觀察,便不難發現直升機在向前飛行時機頭下衝、而向後飛行時機頭上揚,這正是直升機能夠向前或向後飛行的原因所在。在機頭下衝時,直升機的旋翼由於傾角而導致其旋轉時產生的力不再垂直於地面、與重力方向完全相反,而是形成一個由向上的升力和向前的拉力組成的合力,其中向前的力即成為牽引直升機向前飛行的力,向後飛時反之。

不過,也並非所有的直升機在平飛時都遵循這一規律。有一些直升機,自身就具有平飛所必須的渦槳或渦噴/渦扇發動機。這些直升機在垂直升降時與傳統直升機工作方式無異,而在平飛時一方面靠傳統直升機的旋翼提供向前的拉力,另一方面與飛機類似靠拉力/推力提供向前飛行的動力。這種構型一般用於突出飛行速度的直升機,由於事實上已經兼具直升機和飛機的特點,因此也被稱為複合型直升機。近些年來,隨著航空技術的發展,複合型直升機在速度方面的優勢越來越突出,很多國家都開始進行復合型直升機的研製。如歐洲直升機公司的X3型符合直升機,該機沿用了“海豚”直升機的機身設計,但具有短翼和提供拉力的渦槳發動機,因此速度能達到400千米/時以上,比“海豚”提升了近三分之一,可見覆合型直升機相比於傳統直升機的優勢是顯著的。


軍機圖


直升機標準姿勢是向前傾斜,這就是直升機能向前飛行的原因但是


直升機的飛行原理還是上下翼面壓力差,只不過直升機要比螺旋槳飛機的受力複雜的多(直升機的故障率特別高!)

直升機飛行時,旋翼高速旋轉,,空氣流過槳葉上表面,流速加快,壓力減小;

空氣流過槳葉下表面時,流速變慢,壓力增大。

槳葉上下表面就形成了壓力差,槳葉上產生一個向上的拉力。

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。

但是這樣的話直升機也就只能直升了,那麼直升機要做怎麼向前飛行呢?

答案很簡單,直升機飛行的時候會低頭,讓旋翼傾斜,從而讓旋翼產生的拉力抵消吊重力之後,還會有一個向後傾斜的力,在這個時候多餘的力會推動直升機向前飛行。

至於直升機如何左右轉向呢?這個時候就要依靠直升機後面的尾槳了。

這裡需要提一下,由於螺旋槳是朝著一個方向轉的所以會產生一個很大的偏轉力矩,,設計師們不得不在直升機的尾巴上加一個尾槳,用來抵消偏轉力矩,到這裡就很容易明白了,可以通過調整尾槳的轉速來增大或減小偏轉力矩,從而實現直升機的轉向。當然了這只是簡單的講解,至於詳細的麼,就比較繁瑣了所以在這裡不做解答。

轉彎還有個更省事的辦法,加個尾翼唄,


ka28的尾翼很大,所以很輕鬆的解決了轉向問題,但是這有個要求,不能安尾槳,不然的話鬼知道怎麼轉彎.....,尾槳的風被擋了,順帶著垂直尾翼的效果麼emmm沒了


嘯鷹評


直升機的螺旋槳並不是只有一根柱子作為支撐的,而是旁邊還有3根或者4、5根小柱子在螺旋槳的最上面那附近的。

他們起的作用就是依靠飛行員的電傳控制,聯合螺旋槳的大柱子,使得直升機能穩定地按照飛行員的要求進行螺旋槳的前傾、後仰等動作的。

如果這點明白了的話,下面就很容易明白了。

因為螺旋槳旋轉的時候產生了一股推力,當螺旋槳稍微前傾的時候,推力也就不是豎直向下,而是向斜後下方了。由於直升機在運動中只有這一個力在作用,所以為了保持平衡,直升機就要稍微前傾一點。

然後因為直升機的前傾,而螺旋槳和直升機的前傾角度相對固定,所以直升機就會一直前傾,直到達到飛行中的平衡位置為止。


飛行堡壘


基本形態的直升機(一個主旋翼加尾旋翼)表面上看有幾個基本動作,向前進(前傾),向後退(後傾),側飛(側傾),原地旋轉。其中前三個動作主要由主旋翼完成,原地旋轉由尾旋翼配合完成。主要描述前三個動作。為什麼主旋翼可以完成那麼複雜的動作呢,我們做個假設,假設轉速不變旋翼面積固定的情況下,產生升力大小是由旋翼的切割空氣的仰角決定的,角度越大升力越大。附主旋翼中軸結構圖一張。



主旋翼並非像風扇葉一樣固定一體的,而是每個旋翼單獨可調節角度的,主旋翼中軸有一套非常複雜的機械控制系統,可以在旋轉的情況下調節主旋翼的切割角度,還可以控制主旋翼轉動到某一方向時的切割角度。例如現在要前進(前傾),那就是機尾的升力要大於機頭的升力,從而讓機身產生一定傾角產生升力及向前的推力,這時候旋翼的狀態就是,旋轉到機頭的旋翼角度是10°(假設角度),旋轉到機尾時為30

°(假設角度)

,固定往復便可產生升力及推力。前進後退側飛都是依據這個原理進行動作。


jay103438


直升機基本飛行原理其實和飛機一樣,都是通過伯努利原理實現的,我們仔細看一看直升機的槳葉,就會發現和飛機機翼剖面形狀一樣,上面是弧形的,下面是平直的,槳葉高速旋轉之後,上表面氣流流場小,小表面流場大,就使得下表面壓力大於上表面,從而產生一個向上的升力,控制槳葉的轉動速度,使升力等於直升機的重力,就處於懸停狀態,反之就會上升或者下降。

那麼,直升機前飛又是什麼樣的呢?跟飛機就有所不同的,飛機是靠發動機噴出高速氣流產生的反衝力前進的,而直升機的前進還得依靠槳葉產生的力。訣竅就在於傾斜,我們不妨看看直升機前飛時照片,就會發現它是傾斜的。直升機槳轂和槳葉之間是可以活動的,直升機槳葉向前側偏,和水平面之間呈現一定的角度,稱為攻角。根據簡單的力學分析,如圖所示,我們得知,槳葉旋轉是產生的升力不再是垂直於水平面,我們可以把這個力在水平和豎直兩個方向進行分解,豎直方面升力如果等於重力,就只剩下一個水平向前的力,這就是直升機前飛的動力。如果攻角大於某一固定值,豎直方面升力如果大於重力,直升機就會向前爬升,反之就會向前下降。如果我們將槳葉方向偏轉,直升機就會在水平方向產生一個向後的力,就會向後飛行。當然,這只是最簡單的分析,實際上還牽涉到平衡力距的問題,這個過程是非常複雜的。


兵工科技


直升機除了上升下降,其他方向的運動都離不開一個基本原理。那就是陀螺效應。直升機左右前後移動都是因十字盤改變某方向上槳葉的螺距,進而產生某方向上升力的變化,然後將這種變化後產生的力滯後45度。

打個比方,假設直升機的螺旋槳是順時針旋轉的,那麼直升機向前飛的時候,就應該是左側的螺距變小,低於右側,然後左側的升力自然低於右側,如果不是陀螺效應的話,直升機就應該朝左平移,但是事實是滯後了45度,朝前飛了


分享到:


相關文章: