十分钟就能读懂的直升机飞行原理（1）

发布： 湖南通联 发布时间：2017/8/25 0:00:00

直升机飞行原理涉及空气动力学、飞行力学以及机械构造等很多方面的知识，本文供感兴趣的朋友初步了解直升机飞行的一些基本原理。旋翼的拉力垂直于旋翼椎体的底面，当向上的拉力大于直升机自重，直升机就上升，小于直升机自重，直升机就下降，刚好相等，直升机就悬停。

直升机飞行原理涉及空气动力学、飞行力学以及机械构造等很多方面的知识，本文供感兴趣的朋友初步了解直升机飞行的一些基本原理。

拉力的产生

直升机在地面停放时旋翼的桨叶会因为自身重量的作用呈自然下垂状态。直升机飞行时，旋翼不断旋转，空气流过桨叶上表面，流管变细，流速加快，压力减小；空气流过桨叶下表面时，流管变粗，流速变慢，压力增大。这样以来桨叶的上下表面就形成了压力差，桨叶上产生一个向上的拉力。拉力大小受到很多方面影响，比如桨叶与气流向遇时的角度、空气密度、机翼的大小和形状，还有和气流的相对速度等。各桨叶拉力之和就是旋翼的拉力。

直升机飞行时，旋翼的桨叶会形成一个带有一定锥度的底面朝上的大锥体，将其称为旋翼椎体。旋翼的拉力垂直于旋翼椎体的底面，当向上的拉力大于直升机自重，直升机就上升，小于直升机自重，直升机就下降，刚好相等，直升机就悬停。

通过控制旋翼椎体向前后左右各方向的倾斜，就可以改变旋翼拉力的方向，从而实现直升机向不同方向的飞行。

“恼人”的反作用力

牛顿第三定律告诉我们“相互作用的两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反，作用在同一条直线上”。所以当直升机驱动旋翼旋转时，旋翼也必然会对直升机产生一个反作用力矩，如果只有一个旋翼，没有其他措施，直升机机体会进入“不由自主”的旋转。

为此设计者想了很多控制反作用力矩的方法，比如按照左右并排，前后纵列，上下共轴，交叉互切等布局给直升机装上两个大小相等，旋转方向相反的旋翼来抵消相互的反作用力矩，再比如用喷气引射和主旋翼下洗气流的有利交互作用抵消反作用力矩，但是最简单的还是在机尾装一个垂直旋转的小旋翼，称之为尾桨，通过或“拉”或“推”的方式抵消反作用力矩，这也是现代大多数直升机普遍采取的方式。本文在探讨有关问题时，除特殊说明外，均是指这种单旋翼带尾桨的直升机。

通过控制尾桨“拉力”或“推力”的大小，可以达到使直升机偏转的目的，从而实现直升机的转向。

桨叶挥舞

旋翼旋转时做圆周运动，由于半径关系，桨叶尖处线速度很大，而桨叶靠近圆心处的根部线速度很小，甚至几乎为零，所以单片桨叶上各处产生的升力并不相同，靠近桨尖的地方产生最大的升力，而靠近根部的地方只产生很小的升力。

此外当直升机前进时，旋翼中的前行桨叶（向机头方向转动的桨叶）的相对气流速度高于后行桨叶（向机尾方向转动的桨叶）的相对气流速度，其产生的升力也大于后行桨叶，这就造成两侧升力的不均。

如果桨叶和桨毂刚性连接，一方面桨叶上不均的升力会使桨叶产生强烈的扭曲，既会加速桨叶材料的疲劳，又容易引起振动，另一方面旋翼两侧升力的不均会使机体失去平衡向一侧翻滚。为了解决这些问题，设计者设计了一个铰接装置来连接桨叶和桨毂，即“挥舞铰”。

“挥舞铰”，也叫“水平较”，就是在桨叶的根部设置一个水平的轴孔，通过插销与桨毂相连，这种连接方式允许桨叶在一定幅度范围内挥舞。这样以来桨叶在前行时，由于升力增加，自然向上挥舞，其运动的实际方向不再是水平，而是斜线向上的，桨叶实际的迎角也由于这种运动而减小，升力降低。桨叶在后行时，升力不足，自然下降，这种边旋转边下降的运动，使桨叶的实际迎角增大，升力增加。同时由于离心力的存在，桨叶会有自然拉直的趋势，因此不会在升力作用下无限升高或降低，也就是说桨叶的挥舞幅度不是无限的。同时设计者在机械构造上也采取了相应的措施，保证桨叶不至于因无限挥舞而碰撞机身。

摆振的问题

桨叶的挥舞虽然解决了升力不均材料疲劳等问题，但也带来了新的问题。桨叶向上挥舞时，重心离旋转轴的距离减小，产生的科氏力矩使桨叶加速旋转，桨叶恢复水平时，重心离旋转轴的距离增加，科氏力矩又会使桨叶减速旋转。科氏力矩的大小和方向随着桨叶的挥舞呈现出周期性变化，桨叶在水平方向也会前后摇摆，补偿挥舞造成的科里奥利效应。如果不加控制，这种摇摆对桨叶根部的损伤会非常大，解决的办法就是安装“摆振铰”。