直升机及旋翼机

直升机及旋翼机（一）

这个系列我打算做2-3期，介绍直升机和较冷门的旋翼机的一些内容，也是对@可控猴聚变的一些补充，这期介绍下直升机升力的原理和一些翼型的优缺点。

0，飞机是怎么飞起来的

    在初中，我们都学过，流体流速快的地方压强小，老师也和我们讲过，飞机机翼是下平上凸，下翼面气体流速较上翼面慢，压强大，产生了向上的升力，飞机就是这么飞起来的，

好的本次活动就到这里大家下次再见。

一，空气动力学在生活中的应用

1，直升机螺旋桨的升力原理

一架载满了美国大兵的UH1直升机为什么能

在被越共的RPG击落前

保持盘旋状态呢？

旋翼桨叶的横切面大致形状来看，可以发现旋翼的上表面弯曲，下表面比较平。在旋转时，上表面空气流速快、压强小，下表面空气流速慢、压强大，上下表面会形成一个压强差，从而产生向上的升力，当这个升力与直升机重力平衡时，直升机便能悬停在空中。下面配上直升机桨叶剖面图

接下来我们做具体运算

与固定翼飞机不同，直升机螺旋桨是弯曲的，因为桨叶的等角速度旋转势必导致了桨叶不同长度位置切割空气速度不同，因此，为了控制气流的流向桨叶是有一定弧度的，这也就导致了不同位置处桨叶的升力系数不同，风洞试验证实了桨叶的升力系数在小攻角范围下近似于攻角成线性关系。（图中为三种不同的翼型升力系数与攻角的关系，Cy为升力系数）

记Cya为图像斜率，a0为横截距则Cy=Cya（a-a0）≈Cya•a，假设桨叶是宽为b，长为r的薄长方片，角速度ｗ

速度关联有：

因为

φ<<1，顾tgφ≈φ，又因为直升机桨叶特殊的弧度，使得攻角a有如下换算：

（图中θ是桨叶最外侧攻角）

有了上面的换算，带入到dF的算式，积分后：

不要忘记我们算的是一片桨叶，对于

114514片

k片桨叶的直升机而言，这个数值还需乘k，需要注意的是，升力作用在垂直于桨叶的方向上，如若求拉力，则需乘上cosδ（δ为桨叶自然系y轴与地面系y的夹角），但因为δ通常很小，cosδ近似记为1，最后，经过一系列的换元，我们得出了如下式

（图1，4）

其中，

  （图1，5）

（旋翼实度） 这个式子其实只看结果的话仅做到积分后的结果其实完全够用，但引入了后面的一些量一方面是让这个公式长的好看（指形似升力公式），另外一个主要原因是把原先的很多（懒得数了）个常数用一个数据表示，大大简化了计算难度。   二，直升机翼型设计 1，直升机尾翼的作用     因为螺旋桨总是朝一个方向旋转，根据牛顿第三定律，机身一定会受到一个相反方向的力矩，这将令飞机发生偏转，对飞行安全带来隐患，因此尾桨旋转产生反方向的推力以平衡掉这个力矩，保证飞行安全。此外，在遇到突发不稳定气流时，尾翼也能够起到调节飞机的作用（但像电影里面防空导弹的冲击波那种程度也只能自求多福了）。 2，常见直升机翼型设计 I：单旋翼-尾桨式 单旋翼＋尾桨式直升机的发动机通过一套传动机构驱动旋翼和尾桨。传动机构通常由主减速器、中间减速器和尾减速器组成。单旋翼＋尾桨式直升机的最大优点，就是结构简单，易于操纵。这种结构型式的适用范围较广，不仅适用于象AS-350“松鼠”（最大起飞重量约二吨）那样的轻型直升机，象米-4（最大起飞重量约7吨）那样的中型直升机，也适用于象米-26（最大起飞重量56吨，是世界上最大的单旋翼直升机）那样的重型直升机。

（隶属美海岸警卫队的海豚直升机就是一种经典的单旋翼-尾桨机） 单旋翼直升机是世界上数量最多，范围最广的直升机类型，占有直升机总数的70%以上 该直升机的一大缺点是尾翼易受损且对功率消耗大，为了改进这种缺点，80年代，美国工程师研发出了环量控制的尾翼喷气无尾翼直升机。 II：双旋翼共轴直升机     双雄翼共轴式直升机药基本特征是：两副完全相同的旋翼，一上一下安装在同一根旋翼轴上，两旋翼间有一定间距。两副旋翼的旋转方向相反，它们的反扭矩可以互相抵消。这样，就用不着再装尾桨了。直升机的航向操纵靠上下两旋翼总距的差动变化来完成。     双旋翼共轴式直升机主要优点是结构紧凑，外形尺寸小。这种直升机因无尾桨，所以 也就不露要装长长的尾梁，机身长度也可以大大缩短。有两副旋翼产生升力，每副旋翼的直径也可以缩短。机体部件可以紧凑地安排在直升机重心处，所以飞行稳定性好，也便于操纵。与单旋翼带尾桨直升机相比，其操纵效率明显有所提高。此外。共轴式直升机气动力对称，其悬停效率也比较高。
     冷战期间苏联的卡莫夫设计局研制的“卡”系列直升机就是比较经典的双旋翼共轴直升机，比如卡50，卡52，民用的卡226等。

（颜值与实力并存的卡52“短吻鳄”） III，双旋翼交叉式直升机     双旋翼交叉式直升机除与其它双旋翼直升机一样装有两副完全一样，但旋转方向相反的旋翼以外，其明显特点是两旋翼轴不平行，是分别向外侧倾斜的，且横向轴距很小，所以两副旋翼在机体上方呈交叉状。     这种直升机的最大优点是稳定性比较好，适宜执行起重、吊挂作业。最大缺点是因双旋翼横向布置，气动阻力较大。但由于它的两旋翼轴间距较小，所以其气动阻力又要比双旋翼横列式直升机小一些。     研制双旋翼交叉式直升机的公司主要是美国的卡曼公司。早在50年代，卡曼公司就研制过双旋翼交叉式直升机K-600（军用编号为H-43）。

（霉菌H43直升机） 关于这种直升机未能取代单旋翼直升机的一大原因是设计难度较高，为了使螺旋桨交替选择不相撞，只得才用双桨叶设计，但这又对飞机性能产生了很大限制，因此该型直升机未能成为主流。 IV：双桨横列直升机     双旋翼横列式直升机的特征是：两副旋翼一左一右分别安装在机身两侧的两个支架上。两副旋翼完全相同，但旋转方向相反，其旋转时反作用力相相抵消。     这种型式的直升机机最大优点是平衡性好，其缺点与双旋翼纵列式直升机差不多，操纵也比较复杂。双旋翼横列式直升机要在机身两侧增装旋翼支架，无形中会增加许多重量，而且也加大了气动阻力。

（甚至能竖中指的V22直升机） V：双旋翼纵列式     双旋翼纵列式直升机机身前后各有一个旋翼塔座，两副旋翼分别安装在两个塔座上，两副旋翼完全相同，但旋转方向相反，它们的反作用扭矩可以互相平衡掉。   　这种结构型式的直升机的突出优点是纵向重心范围大，因此可以将机身设计得比较庞大。它比较适用于中型和大型直升机。双旋翼纵列式直升机的明显缺点是结构复杂。此外，从气动力上来看，前旋翼尾涡对后旋翼会产生气动干扰，后旋翼总是处在非常不利的气动环境中。为降低前旋翼尾涡对后旋翼的气动干扰程度，通常把后旋翼装得高一些。     这种型式的直升机其俯仰惯性和该转惯性较大，机身气动力矩不稳定，偏航操纵效率较低这些都会对直升机的稳纵品质产生不利影响。

（听说你能生扛RPG）

供稿人：Auagsteve

参考文献：

【1】中国人民解放军总参谋部陆航局《直升机飞行原理》 2000年11月

【2】中国人民解放军空军司令部《空气动力学》 1991年1月