直升机结构与系统-第1章

第01章直升机飞行原理《直升机结构与系统》第1章直升机飞行原理1.1直升机概述（直升机与垂直/短距起落飞行器）垂直/短距起落飞行器（V/STOLaircraft）V/STOL：verticalorshorttakeoffandlanding空气动力学原理主要侧重于在低速前飞时升力的产生。“升力”是指飞行中为保持飞行器在空中飞行所需的垂直向上的力，它也可能是常规的垂直向上的力和前飞所需的推进力的合力。垂直/短距起落飞行器的种类1.自转旋翼机（AUTOGYRO[ɔːtəʊ'dʒaɪərəʊ]）2.直升机（HELICOPTER）3.复合飞机（COMPOUNDAIRCRAFT）4.倾斜翼飞机（TILTWING）《直升机结构与系统》第1章直升机飞行原理《直升机结构与系统》第1章直升机飞行原理鱼鹰-倾斜翼飞机米28武直-复合翼《直升机结构与系统》第1章直升机飞行原理直升机的种类《直升机结构与系统》第1章直升机飞行原理单旋翼直升机•优点：设计和制造简单•缺点：需要安装尾桨、尾桨还要消耗一定的功率；尾桨安装在远离飞行员的后部，存在受地面障碍物影响和容易伤人的危险性。共轴式直升机•优点：两个主旋翼转动方向相反，可以互相平衡反扭矩；由于采用的是两个主旋翼，从而减小了主旋翼桨叶尺寸。•缺点：结构和操纵变得相当复杂，使重量增加。直升机类型的比较《直升机结构与系统》第1章直升机飞行原理双桨横列式直升机•优点：是前飞时功率损失小。•缺点：迎风面积大，阻力大；结构重量增加，传动和操纵复杂。双桨纵列式直升机•优点：迎风面积小，阻力小，飞机重心范围大，有效载荷可平均分配到两个主旋翼上。•缺点：后主旋翼由于可能受前主旋翼气流影响而使升力效率减小；结构重量增加，传动和操纵复杂。直升机类型的比较（续）《直升机结构与系统》第1章直升机飞行原理直升机与固定翼飞机的比较：主要的不同之处是4个基本力（重力、升力、推力和阻力）中的升力、推力和阻力的产生方法不一样。升力由运动的翼型产生，要改变升力的大小，则必须改变翼型与相对气流之间的攻角。•在固定翼飞机上，要想实现改变攻角，必须通过改变机身沿横轴的俯仰角的大小。•而直升机升力的大小可通过改变桨叶的迎角来实现，不必改变机身的姿态。升力与重力相等情况下，推力与阻力相等时：•固定翼飞机和直升机都是以不变的姿态匀速运动。•推力与阻力均为零时，直升机是在空中处于悬停状态。《直升机结构与系统》第1章直升机飞行原理术语桨盘面积（DISCAREA）：桨叶转动时叶尖形成的圆周面积。叶尖旋转平面（TIPPATHPLANE）：所有桨叶转动时叶尖形成的平面。桨盘负载（DISCLOADING）：直升机起飞重量与桨盘面积的比值。叶片负载（BLADELOADING）：直升机起飞重量与所有叶片面积和的比值。桨盘固态性（DISCSOLIDITY）：所有桨叶的面积与桨盘面积的比值，也称旋翼实度。挥舞（FLAPPING）：在升力的作用下，桨叶绕水平关节的垂直运动。阻尼（DRAGGING）：在阻力作用下，桨叶绕垂直关节的水平运动，也称摆振。垂直飞行（VERTICALFHGHT）：直升机在垂直方向的上升和下降，由总距杆操纵。转换飞行（TRANSLATIONALFLIGHT）：除垂直方向以外任何方向的飞行，由周期变距杆操纵。变距（FEATHERING）：改变桨叶角以改变桨叶攻角。《直升机结构与系统》第1章直升机飞行原理术语（续）升力不对称性（DISSYMMETRYOFLIFT）：在某些飞行姿态下桨叶产生的升力不对称。相位滞后（PHASELAG）：是指当有一个外力（改变桨叶角）作用到桨叶上时，桨叶的挥舞效应将沿着转动方向滞后90°才出现。这种现象也叫陀螺进动性。桨叶前缘：是指整个翼型中最先与气流相接触的部分。桨叶后缘（TRAILINGEDGE）：是指翼型中逐渐收敛的锥形部分能使气流流过翼型表面产生流线型效应的点。翼型的弦线：是一条假想的从翼型的前缘点到后缘点的连线，它用作测量翼型角度的基准线。攻角（ANGLEOFATTACK）：也叫迎角（ANGLEOFINCIDENCE），是指翼型的弦与相对气流之间的夹角。桨叶角（PITCH）：是指桨叶翼型的弦与桨毂旋转平面之间的夹角，也称作变距角或安装角。《直升机结构与系统》第1章直升机飞行原理1.2升力和阻力升力的产生升力产生的原理的两种理论：•一种理论认为，当气流流过翼型上表面时气流加速，根据伯努利（BERNOULI）的能量守恒定律，气流的加速将引起压力的减小，而流过下表面的气流则压力增大，下表面的压力大于上表面的压力，这个压力差将使得翼型向着压力差的方向运动，这个压力差就是升力。《直升机结构与系统》第1章直升机飞行原理升力产生的原理的两种理论：•另一种理论认为，由于气流流过翼型时的攻角为正，气流流过下表面时将向下反射，根据牛顿第三定律，任何一个力的作用都将产生一个大小相等、方向相反的反作用力，气流的这种向下的反射作用将产生一个向上的反作用力，使得翼型向上运动，这就是升力。升力升力计算公式【略，见教材】《直升机结构与系统》第1章直升机飞行原理阻力的产生对于直升机来说，阻力有以下几种形式：•（1）型阻（fromdrag）：由机身的整体外形产生，良好的机身外形可以减小但永远不能消除这种阻力。•（2）废阻（parasitedrag）：由机身的外部附件如起落架、浮筒、外挂副油箱等产生，安装不正确的面板、受腐蚀的前缘等也会产生废阻。•（3）翼型阻力（rotorprofiledrag）：由桨叶在空气中转动产生，桨叶角越大，阻力越大；桨叶角越小，阻力越小。•（4）诱导阻力（induceddrag）：当旋翼转动时，因桨叶的作用空气被诱导向下流过主桨毂，空气的流动产生的反作用力，•（5）激波阻力（wavedrag）：高速飞行时，前进桨叶的叶尖处有可能产生激波。•上述各种阻力作用于直升机及其旋翼系统，阻力的综合效应称作总阻力。《直升机结构与系统》第1章直升机飞行原理直升机翼型的选择翼型翼型弯曲的程度叫翼型的弯度，所谓大弯度翼型是指一个翼型的上表面的弯曲程度远大于下表面的弯曲程度。相对气流是指作用在翼型上的所有产生升力的气流的总和。它既有大小，也有方向。《直升机结构与系统》第1章直升机飞行原理直升机翼型的选择直升机主桨叶最常采用的翼型是对称翼型。这种翼型具有高升阻比的特点，即在允许的速度范围内从翼根到翼尖能够产生较大的升力，同时阻力较小。但选择对称翼型的主要理由是它具有稳定的压力中心。压力中心是指升力在翼型弦线上的作用点•在固定翼飞机机翼的翼型上，随着攻角的变化，压力中心沿着弦线移动，这对于固定翼飞机来说问题不大，因为它的尾翼可提供纵向稳定性；•而对于直升机的主桨叶来说则是不可接受的，因为在直升机上桨叶的攻角在飞行中是在不停地变化的，压力中心的不停移动将引起桨叶的扭转而使桨叶应力增加，同时给飞行员带来额外的操纵要求。对称翼型的压力中心的作用点与弦线的重心和变距基本重合。•因此，随着攻角的变化，压力中心作用点位置保持基本不变，这样可以减轻飞行员的操纵负担。《直升机结构与系统》第1章直升机飞行原理主旋翼主旋翼•旋翼有效力把每片桨叶产生的升力合成为一个力，这个力作用在桨叶叶尖旋转平面的中心，且垂直于这个平面，这个力叫做旋翼有效力，也叫旋翼总空气动力。《直升机结构与系统》第1章直升机飞行原理•旋翼锥体角主桨叶形成一个倒锥体，桨叶与桨毂旋转平面之间的夹角叫做锥体角，它的定义是桨叶的展向中心线与桨叶叶尖平面之间的夹角。（1）升力：升力越大，锥体角越大。（2）离心力：桨叶转动速度越大，桨叶产生的离心力越大，桨叶将越远离桨毂，因此锥体角越小。（3）直升机重量：重量越大，桨叶必须产生越大的升力，因此重量的增加将增加锥体角。思考题：为什么说，在实际飞行中只有升力是影响锥体角的大小的可变因素？三个影响锥体角的大小的因素《直升机结构与系统》第1章直升机飞行原理主桨叶•由于桨叶是在不断转动的，桨叶的速度和相对气流的速度沿着桨叶的叶根到叶尖将是逐渐增大的。•根据升力公式，桨叶产生的升力的大小取决于攻角和相对气流的速度，因此桨叶上的升力从叶根至叶尖也是逐渐增大的。这种情况将造成桨叶上产生不必要的弯曲负载。•平衡桨叶翼展方向升力的方法有两种：①锥形桨叶：将桨叶做成锥形，使得翼型的弦线长度从叶根至叶尖逐步减小，桨叶表面积也因此逐步减小；②扭转桨叶：将桨叶角从叶根至叶尖设计成下洗，即桨叶角逐步减小，则攻角也逐渐减小。《直升机结构与系统》第1章直升机飞行原理1.3悬停和地面效应垂直飞行如果所有桨叶的桨叶角同时且等量增加，每片桨叶产生的升力将增加，旋翼有效力的大小将增加。•当旋翼有效力增大到大于直升机的重力时，直升机将垂直上升。•如果在飞行中旋翼有效力减小至小于直升机的重力，则直升机垂直下降。通过主桨叶桨叶角的同时等量变化获得垂直飞行被称作变总距，飞行员实现变总距的方式是通过总距杆来实现，通常位于飞行员位置的左侧，操纵遵循自然法则，即提起杆直升机上升，放下杆直升机下降。《直升机结构与系统》第1章直升机飞行原理油门内联装置当总距杆提起或放下时，桨叶与相对气流的迎角将发生变化，作用在桨叶上的阻力也将改变，增加桨距，桨叶迎风面积增大，阻力增加，如果没有任何补偿措施的话，桨叶转速将减小，升力的增加将被抵消而随之减小了。因此，当提起总距杆时，应提供额外的功率以保持旋翼转速不变，反之亦然。为实现这种补偿，直升机设计时将总距杆与油门杆进行内部连接，当提起总距杆时，自动增大油门提供额外功率；放下总距杆时，油门自动减小以减小功率输出。现代一些直升机的发动机采用燃油电子调节器，总距杆位置信号通过预调器以电子信号的形式传递给电子控制装置，预调器与总距杆以机械形式连接。《直升机结构与系统》第1章直升机飞行原理悬停和地面效应当旋翼升力大于直升机重力时，直升机将垂直上升，如果上升到一定高度而减小旋翼升力使之与重力大小相等，方向相反时，直升机将停止上升，这种飞行状态叫做悬停。只要旋翼能够产生足够的升力来平衡飞机重力，直升机便可在任何高度悬停。当直升机在较低的高度悬停，即非常接近地面时，这时的状态可以产生地面效应。•这是由于桨叶叶尖处空气速度较大，形成一道从叶尖至地面的气帘，主旋翼转动带来的下洗气将被集中在桨盘和机身下方，相对增大了主桨下部空气的密度，由升力公式可知，密度增加，升力增大，产生地面效应。•由于地面效应的作用，升力增大，保持悬停所需的功率也就减小。•地面效应的最大有效高度大约等于旋翼直径的一半，随着高度逐渐增大至旋翼直径，地面效应逐渐减小直至完全消失。•地面效应的另一个名称叫做地面气垫。《直升机结构与系统》第1章直升机飞行原理1.4过渡飞行和转换飞行过渡飞行过渡飞行是指直升机从悬停状态转变成转换飞行状态之间的过程。•要实现这个转变，首先应使主桨旋转平面向着需要飞行的方向倾斜。•由于旋翼有效力是与叶尖旋转平面相垂直，因此旋翼有效力也将向着同方向偏转。•这样将破坏升力和重力之间在悬停时的平衡状态，如图1—19所示，将两个力按照力的合成法则进行合成，得到如图1—20所示的合力。•图1—20中升力和重力的合力目前没有与其相平衡的力，直升机将沿着合力的方运动，这个合力叫做推力。《直升机结构与系统》第1章直升机飞行原理•从图1-20中还可以看出，由旋翼有效力偏转产生的合力，也就是推力，它的作用方向并不是水平的，而是略向下倾斜，若不作修正，直升机将在前飞的同时还将下降高度，伴随着地面效应的失去，共下降速率会迅速增加。•为弥补上述现象，应增大旋翼有效力，使合力方向成水平。从实际操纵上来说，应提起总距杆增加发动机的功率输出，这样可以使直升机保持水平飞行。•我们也可以理解为在过渡飞行阶段，直升机旋翼旋转平面应向所需飞行的方向倾斜，同时提起总距杆增加发动机功率，使得旋翼有效力偏转且增大。它的一个垂直分量是升力，且与重力平衡，另一个水平分量可以使直升机进入水平飞行状态，如图1—21所示