直升機(jī)及旋翼機(jī)（一）

這個(gè)系列我打算做2-3期，介紹直升機(jī)和較冷門的旋翼機(jī)的一些內(nèi)容，也是對(duì)@可控猴聚變的一些補(bǔ)充，這期介紹下直升機(jī)升力的原理和一些翼型的優(yōu)缺點(diǎn)。

0，飛機(jī)是怎么飛起來(lái)的

????在初中，我們都學(xué)過(guò)，流體流速快的地方壓強(qiáng)小，老師也和我們講過(guò)，飛機(jī)機(jī)翼是下平上凸，下翼面氣體流速較上翼面慢，壓強(qiáng)大，產(chǎn)生了向上的升力，飛機(jī)就是這么飛起來(lái)的，

好的本次活動(dòng)就到這里大家下次再見。

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一，空氣動(dòng)力學(xué)在生活中的應(yīng)用

1，直升機(jī)螺旋槳的升力原理

一架載滿了美國(guó)大兵的UH1直升機(jī)為什么能

在被越共的RPG擊落前

保持盤旋狀態(tài)呢？

旋翼槳葉的橫切面大致形狀來(lái)看，可以發(fā)現(xiàn)旋翼的上表面彎曲，下表面比較平。在旋轉(zhuǎn)時(shí)，上表面空氣流速快、壓強(qiáng)小，下表面空氣流速慢、壓強(qiáng)大，上下表面會(huì)形成一個(gè)壓強(qiáng)差，從而產(chǎn)生向上的升力，當(dāng)這個(gè)升力與直升機(jī)重力平衡時(shí)，直升機(jī)便能懸停在空中。下面配上直升機(jī)槳葉剖面圖

接下來(lái)我們做具體運(yùn)算

與固定翼飛機(jī)不同，直升機(jī)螺旋槳是彎曲的，因?yàn)闃~的等角速度旋轉(zhuǎn)勢(shì)必導(dǎo)致了槳葉不同長(zhǎng)度位置切割空氣速度不同，因此，為了控制氣流的流向槳葉是有一定弧度的，這也就導(dǎo)致了不同位置處槳葉的升力系數(shù)不同，風(fēng)洞試驗(yàn)證實(shí)了槳葉的升力系數(shù)在小攻角范圍下近似于攻角成線性關(guān)系。（圖中為三種不同的翼型升力系數(shù)與攻角的關(guān)系，Cy為升力系數(shù)）

記Cya為圖像斜率，a0為橫截距則Cy=Cya（a-a0）≈Cya?a，假設(shè)槳葉是寬為b，長(zhǎng)為r的薄長(zhǎng)方片，角速度ｗ

?

速度關(guān)聯(lián)有：

因?yàn)?/p>

φ<<1，顧tgφ≈φ，又因?yàn)橹鄙龣C(jī)槳葉特殊的弧度，使得攻角a有如下?lián)Q算：

（圖中θ是槳葉最外側(cè)攻角）

有了上面的換算，帶入到dF的算式，積分后：

不要忘記我們算的是一片槳葉，對(duì)于

114514片

k片槳葉的直升機(jī)而言，這個(gè)數(shù)值還需乘k，需要注意的是，升力作用在垂直于槳葉的方向上，如若求拉力，則需乘上cosδ（δ為槳葉自然系y軸與地面系y的夾角），但因?yàn)棣耐ǔ：苄?，cosδ近似記為1，最后，經(jīng)過(guò)一系列的換元，我們得出了如下式

（圖1，4）

其中，

? （圖1，5）

（旋翼實(shí)度） 這個(gè)式子其實(shí)只看結(jié)果的話僅做到積分后的結(jié)果其實(shí)完全夠用，但引入了后面的一些量一方面是讓這個(gè)公式長(zhǎng)的好看（指形似升力公式），另外一個(gè)主要原因是把原先的很多（懶得數(shù)了）個(gè)常數(shù)用一個(gè)數(shù)據(jù)表示，大大簡(jiǎn)化了計(jì)算難度。 ? 二，直升機(jī)翼型設(shè)計(jì) 1，直升機(jī)尾翼的作用 ????因?yàn)槁菪龢偸浅粋€(gè)方向旋轉(zhuǎn)，根據(jù)牛頓第三定律，機(jī)身一定會(huì)受到一個(gè)相反方向的力矩，這將令飛機(jī)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，對(duì)飛行安全帶來(lái)隱患，因此尾槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生反方向的推力以平衡掉這個(gè)力矩，保證飛行安全。此外，在遇到突發(fā)不穩(wěn)定氣流時(shí)，尾翼也能夠起到調(diào)節(jié)飛機(jī)的作用（但像電影里面防空導(dǎo)彈的沖擊波那種程度也只能自求多福了）。 2，常見直升機(jī)翼型設(shè)計(jì) I：?jiǎn)涡?尾槳式 單旋翼＋尾槳式直升機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)一套傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)旋翼和尾槳。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)通常由主減速器、中間減速器和尾減速器組成。單旋翼＋尾槳式直升機(jī)的最大優(yōu)點(diǎn)，就是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于操縱。這種結(jié)構(gòu)型式的適用范圍較廣，不僅適用于象AS-350“松鼠”（最大起飛重量約二噸）那樣的輕型直升機(jī)，象米-4（最大起飛重量約7噸）那樣的中型直升機(jī)，也適用于象米-26（最大起飛重量56噸，是世界上最大的單旋翼直升機(jī)）那樣的重型直升機(jī)。

（隸屬美海岸警衛(wèi)隊(duì)的海豚直升機(jī)就是一種經(jīng)典的單旋翼-尾槳機(jī)） 單旋翼直升機(jī)是世界上數(shù)量最多，范圍最廣的直升機(jī)類型，占有直升機(jī)總數(shù)的70%以上 該直升機(jī)的一大缺點(diǎn)是尾翼易受損且對(duì)功率消耗大，為了改進(jìn)這種缺點(diǎn)，80年代，美國(guó)工程師研發(fā)出了環(huán)量控制的尾翼噴氣無(wú)尾翼直升機(jī)。 II：雙旋翼共軸直升機(jī) ????雙雄翼共軸式直升機(jī)藥基本特征是：兩副完全相同的旋翼，一上一下安裝在同一根旋翼軸上，兩旋翼間有一定間距。兩副旋翼的旋轉(zhuǎn)方向相反，它們的反扭矩可以互相抵消。這樣，就用不著再裝尾槳了。直升機(jī)的航向操縱靠上下兩旋翼總距的差動(dòng)變化來(lái)完成。 ????雙旋翼共軸式直升機(jī)主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，外形尺寸小。這種直升機(jī)因無(wú)尾槳，所以 也就不露要裝長(zhǎng)長(zhǎng)的尾梁，機(jī)身長(zhǎng)度也可以大大縮短。有兩副旋翼產(chǎn)生升力，每副旋翼的直徑也可以縮短。機(jī)體部件可以緊湊地安排在直升機(jī)重心處，所以飛行穩(wěn)定性好，也便于操縱。與單旋翼帶尾槳直升機(jī)相比，其操縱效率明顯有所提高。此外。共軸式直升機(jī)氣動(dòng)力對(duì)稱，其懸停效率也比較高。? ????冷戰(zhàn)期間蘇聯(lián)的卡莫夫設(shè)計(jì)局研制的“卡”系列直升機(jī)就是比較經(jīng)典的雙旋翼共軸直升機(jī)，比如卡50，卡52，民用的卡226等。

（顏值與實(shí)力并存的卡52“短吻鱷”） III，雙旋翼交叉式直升機(jī) ????雙旋翼交叉式直升機(jī)除與其它雙旋翼直升機(jī)一樣裝有兩副完全一樣，但旋轉(zhuǎn)方向相反的旋翼以外，其明顯特點(diǎn)是兩旋翼軸不平行，是分別向外側(cè)傾斜的，且橫向軸距很小，所以兩副旋翼在機(jī)體上方呈交叉狀。 ????這種直升機(jī)的最大優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定性比較好，適宜執(zhí)行起重、吊掛作業(yè)。最大缺點(diǎn)是因雙旋翼橫向布置，氣動(dòng)阻力較大。但由于它的兩旋翼軸間距較小，所以其氣動(dòng)阻力又要比雙旋翼橫列式直升機(jī)小一些。 ????研制雙旋翼交叉式直升機(jī)的公司主要是美國(guó)的卡曼公司。早在50年代，卡曼公司就研制過(guò)雙旋翼交叉式直升機(jī)K-600（軍用編號(hào)為H-43）。

（霉菌H43直升機(jī)） 關(guān)于這種直升機(jī)未能取代單旋翼直升機(jī)的一大原因是設(shè)計(jì)難度較高，為了使螺旋槳交替選擇不相撞，只得才用雙槳葉設(shè)計(jì)，但這又對(duì)飛機(jī)性能產(chǎn)生了很大限制，因此該型直升機(jī)未能成為主流。 IV：雙槳橫列直升機(jī) ????雙旋翼橫列式直升機(jī)的特征是：兩副旋翼一左一右分別安裝在機(jī)身兩側(cè)的兩個(gè)支架上。兩副旋翼完全相同，但旋轉(zhuǎn)方向相反，其旋轉(zhuǎn)時(shí)反作用力相相抵消。 ????這種型式的直升機(jī)機(jī)最大優(yōu)點(diǎn)是平衡性好，其缺點(diǎn)與雙旋翼縱列式直升機(jī)差不多，操縱也比較復(fù)雜。雙旋翼橫列式直升機(jī)要在機(jī)身兩側(cè)增裝旋翼支架，無(wú)形中會(huì)增加許多重量，而且也加大了氣動(dòng)阻力。

（甚至能豎中指的V22直升機(jī)） V：雙旋翼縱列式 ????雙旋翼縱列式直升機(jī)機(jī)身前后各有一個(gè)旋翼塔座，兩副旋翼分別安裝在兩個(gè)塔座上，兩副旋翼完全相同，但旋轉(zhuǎn)方向相反，它們的反作用扭矩可以互相平衡掉。 ??　這種結(jié)構(gòu)型式的直升機(jī)的突出優(yōu)點(diǎn)是縱向重心范圍大，因此可以將機(jī)身設(shè)計(jì)得比較龐大。它比較適用于中型和大型直升機(jī)。雙旋翼縱列式直升機(jī)的明顯缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜。此外，從氣動(dòng)力上來(lái)看，前旋翼尾渦對(duì)后旋翼會(huì)產(chǎn)生氣動(dòng)干擾，后旋翼總是處在非常不利的氣動(dòng)環(huán)境中。為降低前旋翼尾渦對(duì)后旋翼的氣動(dòng)干擾程度，通常把后旋翼裝得高一些。 ????這種型式的直升機(jī)其俯仰慣性和該轉(zhuǎn)慣性較大，機(jī)身氣動(dòng)力矩不穩(wěn)定，偏航操縱效率較低這些都會(huì)對(duì)直升機(jī)的穩(wěn)縱品質(zhì)產(chǎn)生不利影響。

（聽說(shuō)你能生扛RPG）

供稿人：Auagsteve

參考文獻(xiàn)：

【1】中國(guó)人民解放軍總參謀部陸航局《直升機(jī)飛行原理》 2000年11月

【2】中國(guó)人民解放軍空軍司令部《空氣動(dòng)力學(xué)》 1991年1月