簡說氣動:直升機飛行

       直升機具有靈活機動的特點,可以做出各種不可思議的飛行動作。那么,從駕駛員操縱到直升機運動是怎樣的一個過程呢?

簡說氣動:直升機飛行的圖1

       今天從直升機駕駛員操縱→氣動力變化→運動響應的角度,來簡單聊一聊直升機飛行。

垂向運動

簡說氣動:直升機飛行的圖2

       直升機想要實現離地飛行(垂直上升或斜爬升),需要駕駛員提總距桿,控制槳葉槳距增加,使旋翼可以提供更多的升力;而降落過程則恰恰相反,需要駕駛員降總距桿,控制槳葉槳距降低,使旋翼升力減小。也就是說,總距操縱決定著直升機的垂向運動。

簡說氣動:直升機飛行的圖3

       旋翼作為直升機的升力面和控制面,雖然槳葉的揮-擺-扭運動相互耦合,但是揮舞運動直接影響著直升機的飛行。靜止時,槳葉處于自然下墜狀態;槳葉旋轉后會產生離心力,趨向于將槳葉拉平,轉速越快,離心力越大;而隨著總距增加、槳葉升力增加,在升力和離心力同時作用,最終會使槳葉向上揮舞一定角度,也就是錐度角。

簡說氣動:直升機飛行的圖4

      值得一提的是,總距操縱時,還需要適當聯動控制發動機油門,因為總距操縱會引起直升機需用功率變化,如果動力供給與功率消耗不平衡將導致旋翼轉速出現較大波動

簡說氣動:直升機飛行的圖5

       另外,對于單旋翼帶尾槳直升機,進行總距操縱的同時還需要注意尾槳操控;尾槳拉力需要能夠與旋翼扭矩匹配,否則直升機將出現航向擺動

簡說氣動:直升機飛行的圖6

水平運動

簡說氣動:直升機飛行的圖7

       直升機水平運動時,旋翼具有明顯的氣流不對稱和升力不對稱特點。比如,直升機前飛時,前行槳葉氣流合速度為:旋轉線速度+前飛速度,后行槳葉氣流合速度為:旋轉線速度-前飛速度。為了應對氣流不對稱導致的左右升力不平衡,就需要施加一定的周期變距操縱,減小前行槳葉槳距值、增加后行槳葉槳距值。

簡說氣動:直升機飛行的圖8

       另外,當需要主動改出某一飛行狀態,加減速或側飛時,也需要施加周期變距操縱。周期變距操縱桿如下圖,通常布置在駕駛員兩腿之間,或者是兩個駕駛員的中間。可以說,周期變距操縱直接影響著直升機的水平運動

簡說氣動:直升機飛行的圖9

       駕駛員前推桿操縱時,槳葉運動至右側時迎角最小,運動至左側時迎角最大;對蹺蹺板旋翼來說,由于揮舞響應滯后于操縱90度,最終槳盤后側上揮最大,前側下揮最大,也就是槳盤前傾,如下圖。其他方向周期變距操縱引起的周期揮舞響應,機理與前推桿類似。

簡說氣動:直升機飛行的圖10

       駕駛員前推桿,槳盤前傾,從而產生驅動前向移動的氣動力,同時還需要保證垂向升力能夠平衡直升機重力,否則直升機將難以保持高度。

簡說氣動:直升機飛行的圖11

       駕駛員橫向打桿,槳盤側傾,從而產生驅動側向移動的氣動力,直升機側飛。

簡說氣動:直升機飛行的圖12

      駕駛員后拉桿,槳盤后倒,從而產生驅動后向移動的氣動力,直升機后飛。

簡說氣動:直升機飛行的圖13

偏航運動

簡說氣動:直升機飛行的圖14

      懸停狀態,直升機的航向由尾槳操縱決定。如果尾槳拉力變化,則會破壞原有的直升機旋翼反扭矩平衡,從而使航向產生變化。比如,對右旋旋翼,右蹬舵時,尾槳拉力減小、機頭右偏;左蹬舵時,尾槳拉力增加、機頭左偏。     

簡說氣動:直升機飛行的圖15

       與懸停狀態不同,直升機前飛時,航向的變化需要依靠協調轉彎實現。直升機前飛改為盤旋時,駕駛員橫向打桿,使直升機側滑,產生使機頭偏轉的力矩,從而實現盤旋飛行。盤旋飛行過程中,旋翼拉力既要平衡重力,還要平衡盤旋過程中的離心力。速度越快、盤旋半徑越小,則離心力越大,旋翼需要提供的拉力越大

簡說氣動:直升機飛行的圖16

過渡飛行

      在直升機懸停改前飛的過渡過程中,需要達到一定的前飛速度才能體現出來旋翼氣動效率的提升。低速前飛階段,槳尖渦強度較大,而且旋翼與地面或機頭之間存在氣動干擾,會在直升機尾部形成亂流。

簡說氣動:直升機飛行的圖17

       通常在前飛速度達到16~24節以上時,旋翼周圍氣動環境才會相對穩定。在大載重飛行時,直升機借助地效離地,并加速前飛,達到一定速度時才可以脫離地效爬升

簡說氣動:直升機飛行的圖18

志合者,不以山海為遠。

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