直升機(jī)原理詳解
時(shí)間：2011-04-05 10:12來(lái)源：藍(lán)天飛行翻譯 作者：航空 點(diǎn)擊：次
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前面提到的 de la Cierva 是在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)這個(gè)問(wèn)題的。他的模型旋翼機(jī)試飛很成功，但是全尺寸的旋翼機(jī)一上天就橫滾翻，開(kāi)始以為是遇到突然的橫風(fēng)，第二架飛機(jī)上天同樣命運(yùn)。de la Cierva 經(jīng)過(guò)研究，發(fā)現(xiàn)模型旋翼機(jī)的槳葉是用藤條材料做的，有彈性，而全尺寸旋翼機(jī)的槳葉是剛性的鋼結(jié)構(gòu)，由此認(rèn)識(shí)到槳葉的揮舞鉸的必要性。具體來(lái)說(shuō)，為了補(bǔ)償左右的升力不均勻，和減少槳葉的疲勞，槳葉在翼根要采用一個(gè)容許槳葉載回轉(zhuǎn)過(guò)程中上下?lián)]舞的鉸鏈，這個(gè)鉸鏈稱(chēng)為揮舞鉸（flapping hinge，也稱(chēng)垂直鉸）。槳葉在前行時(shí)，升力增加，槳葉自然向上揮舞。由于槳葉在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中同時(shí)上升，槳葉的實(shí)際運(yùn)動(dòng)方向不再是水平的，而是斜線(xiàn)向上的。槳葉和水平面的夾角雖然不因?yàn)闃~向上揮舞而改變，但槳葉和氣流的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向之間的夾角由于這斜線(xiàn)向上的運(yùn)動(dòng)而變小，這個(gè)夾角（而不是槳葉和水平面之間的夾角）才是槳葉真正的迎角。槳葉的迎角在升力作用下下降，降低升力。槳葉在后行時(shí)，槳葉的升力不足，自然下垂，變旋轉(zhuǎn)邊下降造成槳葉和氣流相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向之間的夾角增大，迎角增加，增加升力。由于離心力使槳葉有自然拉直的趨勢(shì)，槳葉不會(huì)在升力作用下無(wú)限升高或降低，機(jī)械設(shè)計(jì)上也采取措施，保證槳葉的揮舞不至于和機(jī)體發(fā)生碰撞。槳葉在環(huán)形過(guò)程中，不斷升高、降低，翼尖離圓心的距離不斷改變，引起科里奧利效應(yīng)（這個(gè)東西誰(shuí)都“知道”，但說(shuō)清楚不容易。誰(shuí)要是能把這個(gè)東西說(shuō)清楚，鮮花奉上），就像花樣滑冰運(yùn)動(dòng)員經(jīng)常把雙臂張開(kāi)、收攏，以控制旋轉(zhuǎn)速度。要是一個(gè)手臂張開(kāi)，一個(gè)手臂收攏，就不可能在原地旋轉(zhuǎn)，就要東倒西歪了。所以槳葉在水平方向也要前后搖擺，以補(bǔ)償槳葉上下?lián)]舞所造成的科里奧利效應(yīng)。擺振鉸利用前行時(shí)阻力增加，使槳葉自然增加后掠角（即所謂“滯后”， 因?yàn)闃~在旋轉(zhuǎn)方向上的角速度低于圓心的旋轉(zhuǎn)速度），這也變相增加槳葉在氣流方向上剖面的長(zhǎng)度，加強(qiáng)了減小迎角的作用；在后行時(shí)，阻力減小，阻尼器（相當(dāng)于彈簧）使槳葉恢復(fù)的正常位置（即所謂“領(lǐng)先”，因?yàn)闃~在旋轉(zhuǎn)方向上的角速度高于圓心的旋轉(zhuǎn)速度），當(dāng)然也加強(qiáng)了增加迎角的作用，所以擺振鉸（drag hinge 也稱(chēng)水平鉸）也稱(chēng)領(lǐng)先-滯后鉸（lead lag hinge）。揮舞鉸和擺振鉸是旋翼升力均勻的飛行平穩(wěn)的關(guān)鍵。由于槳葉在旋轉(zhuǎn)中容許上下?lián)]動(dòng)和前后擺動(dòng)，這種槳葉稱(chēng)為柔性槳葉（articulated rotor）。除了用機(jī)械鉸鏈容許槳葉在環(huán)形過(guò)程中相對(duì)于其他槳葉有一定的揮舞外，材質(zhì)也必須具有彈性，這就是為什么直升機(jī)停在地面時(shí)，槳葉總是“耷拉”著的原因。但機(jī)械鉸鏈磨損大，可靠性不好，德國(guó) MBB（戰(zhàn)時(shí)著名的梅塞斯米特就是 MBB 中的 M）用彈性元件取代了揮舞鉸，研制成功無(wú)鉸槳葉，第一個(gè)應(yīng)用無(wú)鉸槳葉的是 MBB Bo-105，中國(guó)曾進(jìn)口一批，用于支援海上采油平臺(tái)。 揮舞鉸示意圖，前行槳葉可以在升力作用下向上有所揮舞，從而降低升力，達(dá)到平衡；后行槳葉則向下彎曲，從而提高升力，達(dá)到平衡 / 采用揮舞鉸后的升力分布，要均勻得多 雙葉旋翼是一個(gè)特例，槳葉和圓心的槳轂剛性連接，但用一個(gè)單一的“蹺蹺板”鉸鏈同時(shí)代替揮舞鉸和擺振鉸，所以也稱(chēng)為半剛性槳葉（semi-rigid rotor）。蹺蹺板鉸鏈在一側(cè)槳葉上揚(yáng)時(shí)，將另一側(cè)槳葉自然下壓；在一側(cè)槳葉“領(lǐng)先”時(shí)，將另一側(cè)槳葉自然“滯后”，既簡(jiǎn)化了機(jī)械設(shè)計(jì)，又完美地實(shí)現(xiàn)了更復(fù)雜的機(jī)械設(shè)計(jì)才能實(shí)現(xiàn)的功能。貝爾直升機(jī)公司用雙葉用出了味道，越戰(zhàn)期間漫天蝗蟲(chóng)似的 UH-1 就是雙葉，后來(lái)的 AH-1 也是。不過(guò)“蹺蹺板”設(shè)計(jì)只能用于雙葉旋翼。雙葉旋翼有無(wú)可置疑的簡(jiǎn)潔性和由此而來(lái)的成本和可靠性上的優(yōu)勢(shì)，但雙葉旋翼也只有兩片槳葉可以產(chǎn)生升力和推力，和多葉槳葉相比，就要增加旋翼直徑，增加旋翼轉(zhuǎn)速，前者增加總體尺寸和阻力，后者增加噪聲。 |
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