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直升机的驾驶操作及飞控机械原理

发布: 湖南通联 发布时间:2016-03-28 0:00:00

罗宾逊R44

作为一种特殊的飞行器,直升机的升力和推力均通过螺旋桨的旋转获得,这就决定了其动力和操作系统必然与各类固定机翼飞机有所不同。一般固定翼飞机的飞行原理从根本上说是对各部位机翼的状态进行调节,在机身周围制造气压差而完成各类飞行动作,并且其发动机只能提供向前的推力。但直升机的主副螺旋桨可在水平和垂直方向上对机身提供动力,这使其不需要普通飞机那样的巨大机翼,二者的区别可以说是显而易见。下面我们便对直升机的操控系统做一个简单的剖析.

操纵系统

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直升机的操纵系统可分为三大部分:

1、踏板

在直升机驾驶席的下方通常设有两块踏板,驾驶员可以通过它们对尾螺旋桨的输出功率和桨叶的倾角进行调节,这两项调整能够对机头的水平方向产生影响。

2、周期变距杆

位于驾驶席的中前方,该手柄的控制对象为主螺旋桨下方自动倾斜器的不动环。不动环可对主螺旋桨的旋转倾角进行调整,决定机身的飞行方向。

3、总距杆

位于驾驶席的左侧,该手柄的控制对象为主螺旋桨下方自动倾斜器的动环。动环通过对主螺旋桨的桨叶倾角进行调节来对调整动力的大小。另外,贝尔公司生产的系列直升机在总距杆上还集成有主发动机功率控制器,该控制器可根据主螺旋桨桨叶的旋转倾角自动对主发动机的输出功率进行调整。

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飞行操作


1、 升降

有些读者可能会认为,直升机在垂直方向上的升降是通过改变主螺旋桨的转速来实现的。诚然,改变主螺旋桨的转速也不失为实现机体升降的方法之一,但直升机设计师们很早之前便发现,提升主螺旋桨输出功率会导致机身整体负荷加大。所以,目前流行的方法是在保持主螺旋桨转速一定的情况下依靠改变主螺旋桨桨叶的倾角来调整机身升力的大小。驾驶员可通过总距杆完成这项操作。当把总距杆向上提时,主螺旋桨的桨叶倾角增大,直升机上升;反之,直升机下降。需要保持当前高度时,一般将总距杆置于中间位置。

2、平移

直升机最大飞行优势之一是:可以在不改变机首方向的情况下,随时向各个方向平移。这种移动是通过改变主螺旋桨的旋转倾角来实现的。当驾驶员向各个方向扳动周期变距杆时,主螺旋桨的主轴也会发生相应的倾斜。此时,主螺旋桨所产生的推力分解为垂直和水平两个方向的分力,垂直方向的分力依旧用于保持飞行高度,水平方向上的分力可使机身在该方向上产生平移。
需要指出的是,以上分析是将主螺旋桨看作一个整体而得出的。如果我们把目光投向每一片桨叶的受力情况,将呈现出更为复杂的情况。直升机螺旋桨的横截面与普通飞机机翼的横截面类似,均为头粗尾尖的纺锤型或半纺锤型。当桨叶划过空气时的切入角度发生变化时,桨叶所产生的升力也会随之改变。而在直升机主螺旋桨的旋转面偏离水平面的情况下,单片桨叶划过空气的切入角度将随着螺旋桨的转动而发生周期性的变化。同理,该片桨叶所产生的升力也会表现为周期性的改变。这也是驾驶舱中控制主螺旋桨主轴角度的操纵杆被称为周期变距杆的由来。以四桨叶结构的螺旋桨为例,当其旋转面发生倾斜时,相对的两片桨叶所产生的升力差同样会对机身的飞行姿态和移动方向造成影响。事实上,设计师正是利用了这种升力差,才能够使直升机在空中灵活自如地飞行。

3、旋转

那么直升机又是如何在水平面上进行旋转的呢?这个功能是通过直升机的尾螺旋桨来完成的。对于只装有一具主螺旋桨的直升机来说,如果把机身和主螺旋桨看作一对施力和受力物体的话,主螺旋桨旋转所产生的反作用力必然会使机身向相反的方向转动。要保持机身的稳定,就必须增加一个额外的力矩来抵消这种旋转,这也是设计师在直升机尾部安装尾螺旋桨的原因。当直升机处于直线飞行时,尾桨的推力力矩与主桨的反作用力矩刚好构成一对平衡力矩,而只需改变尾桨的输出功率机身就可以在水平面上进行旋转。大多数直升机都是通过驾驶席前方的一对脚踏板来调整机头方向。有了上面的分析,我们就不难理解这对踏板实际控制的是尾桨的功率。


通过上面的介绍,相信大家已经对直升机的驾驶和飞行原理有了初步的了解。事实上,直升机的每一个动作都是上述三个基本控制系统共同作用的结果。以起飞为例,直升机在起飞时通常是先启动主螺旋桨,使飞机垂直升至1~1.5米的高度,然后驾驶员会一方面加大主螺旋桨的桨叶倾角来加快爬升,另一方面还会让主螺旋桨向前倾斜以提升飞行速度。随着主螺桨旋功率的增加,驾驶员还需不断调整尾螺旋桨的功率使机身保持直线飞行。可以说直升机在飞行中的每时每刻都贯穿着数个力的平衡与失衡,所以直升机的操作系统看似简单,要想真正掌握却绝非易事。

直升机原理:操纵特点

直升机不同于固定翼飞机,一般都没有在飞行中供操纵的专用活动舵面。这是由于在小速度飞行或悬停中,其作用也很小,因为只有当气流速度很大时舵面或副翼才会产生足够的空气动力。 单旋翼带尾桨的直升机主要靠旋翼和尾桨进行操纵,而双旋翼直升机靠两副旋翼来操纵。由此可见,旋翼还起着飞机的舱面和副翼的作用。
为了说明直升机操纵特点,先介绍直升机驾驶舱内的操纵机构。直升机驾驶员座舱操纵机构及配置 直升机驾驶员座舱主要的操纵机构是:驾驶杆(又称周期变距杆)、脚蹬、油门总距杆。 此外还有油门调节环、直升机配平调整片开关及其他手柄(如下图所示)。

驾驶杆位于驾驶员座椅前面,通过操纵线系与旋翼的自动倾斜器连接。驾驶杆偏离中立位置表示:
向前——直升机低头并向前运动;
向后——直升机抬头并向后退;
向左——直升机向左倾斜并向左侧运动;
向右——直升机向右倾斜并向右侧运动。
脚蹬位于座椅前下部,对于单旋翼 带尾桨的直升机来说,驾驶员蹬脚蹬操 纵尾桨变距改变尾桨推(拉)力,对直升机实施航向操纵。
油门总距杆通常位于驾驶员座椅的左方,由驾驶员左手操纵,此杆可同时 操纵旋翼总距和发动机油门,实现总距和油门联合操纵。
油门调节环位于油门总距杆的端部,在不动总距油门杆的情况下,驾驶员左手拧动油门调节环可以在较小的发动机转速范围内调 整发动机功率。
调整片操纵(又称配平操纵)的主要原因是因为直升机在飞行中驾驶杆上的载荷,不同于飞机的舵面载荷。如果直升机旋翼使用可逆式操纵系统,那么驾驶杆要受周期(每一转)的可变载荷,而且此载荷又随着飞行状态的改变而产生某些变化。为减小驾驶杆的载荷,大多数直升机操纵系统中都安装有液压助力器。操纵液压助力器可进行不可逆式操纵,即除了操纵系统的摩擦之外,旋翼不再向驾驶杆传送任何力。
为了得到飞行状态改变时驾驶杆力变化的规律性,可在操纵系统中安装纵向和横向加载弹簧。因为宜升机平衡发生变化(阻力及其力矩发生变化),驾驶杆的位置便随飞行状态变化而变化,连接驾驶杆的加载弹簧随着驾驶杆位置的变化而变化时,则驾驶杆力随着飞行速 度不同也出现带有规律性的变化,这对飞行员来说是十分重要的。
为消除因飞行状态改变而产生的驾驶杆的弹簧载荷,可对弹簧张力进行调整,相当于飞 机上的调整片所起的调整作用,因此在直升机上通常把此种调整机构称为调整片,或称作调 平机构。弹簧张力是由调整片操纵开关或电动操纵按钮控制的。
自动倾斜器的主要零件包括:旋转环连接桨叶拉杆,旋转环利用滚珠轴承连接在不旋转环上,不旋转环压在套环上;套环带有横向操纵拉杆和纵向操纵拉杆;操纵总桨距的滑筒。直升机的驾驶杆动作时,旋转环和不旋转环随同套环一起向前、后、左、右倾斜或任意方向倾斜。?

因为旋转环用垂直拉杆同桨叶连接,所以旋转环的旋转面倾斜会引起桨叶绕纵轴做周期性转动,即旋翼每转一周重复一次,换句话说,每一桨叶的桨距将进行周期性变化。为了解桨距的变化,应分别分析直升机的两种飞行状态,即垂直飞行状态和水平飞行状态。
垂直飞行,靠改变总距来实施,换句话说,就是靠同时改变所有桨叶的迎角来实施。此时所有桨叶同时增大或减小相同的迎角,就会相应地增大或减小升力,因而直升机也会相应 地进行垂直上升或下降。操纵总距是用座舱内驾驶员座椅左侧的油门总距杆。从下图中看出,若上提油门总距杆,则不旋转环和旋转环向上抬起,各片桨叶的桨距增大,直升机上升。若下放油门总距杆,直升机则垂直下降。
直升机水平飞行要使旋翼旋转平面倾斜,使旋翼总空气动力矢量倾斜得出水平分力。旋转平面倾斜是靠周,期性改变桨距得到的。这说明,旋翼每片桨叶的桨距在每一转动周期中 (每转一周),先增大到某一数值,然后下降到某一最小数值,继而反复循环。各种方位的桨距周期性变化如下图所示。

下面考察自动倾斜器未倾斜和向前倾斜时作用于桨叶上的各力。

旋翼旋转时,每片桨叶上的作用力如下图所示:升力 Y叶,重力G叶,挥舞惯性 力J和离心力J离心力。

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尾桨的操纵
层桨的构造同旋翼相似,不过比旋翼要简单得多。尾桨的每一桨叶和旋翼桨叶一样, 其旋转铀转动。由于尾桨转速很高,工作时会产生很大的离心力。
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尾桨操纵没有自动倾斜器,也不存在周期变距问题。靠蹬脚蹬改变尾桨的总距来操纵尾桨。当驾驶员蹬脚蹬后,齿轮通过传动链条带动蜗杆螺帽转动,蜗杆螺帽沿旋转轴推动滑动操纵杆滑动(见上图),杆用轴承固定在三爪传动臂上,另一端则用槽与支座 相连,以防止滑动操纵杆转动。三爪传动臂随同尾桨叶转动,通过三个拉杆使三片桨叶绕自身纵轴同时转动,此时,根据脚蹬蹬出方向和动作量大小,来增大或减小尾桨桨距。