1、第 01 章 直升机飞行原理1直升机结构与系统 第1章 直升机飞行原理1.1 1.1 直升机概述（直升机与垂直/短距起落飞行器）l 垂直垂直/短距起落飞行器（短距起落飞行器（V/STOL aircraftV/STOL aircraft）V/STOLV/STOL：vertical or short takeoff and landingvertical or short takeoff and landing 空气动力学原理主要侧重于在低速前飞时升力的产生。主要侧重于在低速前飞时升力的产生。“升力”是指飞行中为保持飞行器在空中飞行所需的垂直向上的力垂直向上的力，它也可能是常规的垂直向上的力和前飞
2、所需的推进力的合力也可能是常规的垂直向上的力和前飞所需的推进力的合力。l 垂直垂直/短距起落飞行器的种类短距起落飞行器的种类 1.1.自转旋翼机（自转旋翼机（AUTOGYRO AUTOGYRO t td da ar r）2.2.直升机（直升机（HELICOPTERHELICOPTER）3.3.复合飞机（复合飞机（COMPOUND AIRCRAFTCOMPOUND AIRCRAFT）4.4.倾斜翼飞机（倾斜翼飞机（TILT WINGTILT WING）10/10/20222直升机结构与系统 第1章 直升机飞行原理10/10/20223直升机结构与系统 第1章 直升机飞行原理鱼鹰鱼鹰-倾斜翼飞机倾
3、斜翼飞机米米2828武直武直-复合翼复合翼10/10/20224直升机结构与系统 第1章 直升机飞行原理l 直升机的种类直升机的种类10/10/20225直升机结构与系统 第1章 直升机飞行原理 单旋翼直升机单旋翼直升机优点：设计和制造简单优点：设计和制造简单缺点：需要安装尾桨、尾桨还要消耗一定的功率；尾桨安装在缺点：需要安装尾桨、尾桨还要消耗一定的功率；尾桨安装在远离飞行员的后部，存在受地面障碍物影响和容易伤人的危险远离飞行员的后部，存在受地面障碍物影响和容易伤人的危险性。性。共轴式直升机共轴式直升机优点：两个主旋翼转动方向相反，可以互相平衡反扭矩；由于优点：两个主旋翼转动方向相反，可以互相
4、平衡反扭矩；由于采用的是两个主旋翼，从而减小了主旋翼桨叶尺寸。采用的是两个主旋翼，从而减小了主旋翼桨叶尺寸。缺点：结构和操纵变得相当复杂，使重量增加。缺点：结构和操纵变得相当复杂，使重量增加。l 直升机类型的比较直升机类型的比较10/10/20226直升机结构与系统 第1章 直升机飞行原理 双桨横列式直升机双桨横列式直升机优点：是前飞时功率损失小。优点：是前飞时功率损失小。缺点：迎风面积大，阻力大；结构重量增加，传动和操纵复杂。缺点：迎风面积大，阻力大；结构重量增加，传动和操纵复杂。双桨纵列式直升机双桨纵列式直升机优点：迎风面积小，阻力小，飞机重心范围大，有效载荷可平优点：迎风面积小，阻力小，
5、飞机重心范围大，有效载荷可平均分配到两个主旋翼上。均分配到两个主旋翼上。缺点：后主旋翼由于可能受前主旋翼气流影响而使升力效率减缺点：后主旋翼由于可能受前主旋翼气流影响而使升力效率减小；结构重量增加，传动和操纵复杂。小；结构重量增加，传动和操纵复杂。l 直升机类型的比较（续）直升机类型的比较（续）10/10/20227直升机结构与系统 第1章 直升机飞行原理l 直升机与固定翼飞机的比较：直升机与固定翼飞机的比较：主要的不同之处是主要的不同之处是4 4个基本力（重力、升个基本力（重力、升力、推力和阻力）中的升力、推力和阻力的产生方法不一样。力、推力和阻力）中的升力、推力和阻力的产生方法不一样。升力
6、由运动的翼型产生，要改变升力的大小，则必须改变翼型与相升力由运动的翼型产生，要改变升力的大小，则必须改变翼型与相对气流之间的攻角。对气流之间的攻角。在固定翼飞机上，要想实现改变攻角，必须通过改变机身沿横轴的俯在固定翼飞机上，要想实现改变攻角，必须通过改变机身沿横轴的俯仰角的大小。仰角的大小。而直升机升力的大小可通过改变桨叶的迎角来实现，不必改变机身的而直升机升力的大小可通过改变桨叶的迎角来实现，不必改变机身的姿态。姿态。升力与重力相等情况下，推力与阻力相等时：升力与重力相等情况下，推力与阻力相等时：固定翼飞机和直升机都是以不变的姿态匀速运动。固定翼飞机和直升机都是以不变的姿态匀速运动。推力与阻
7、力均为零时，直升机是在空中处于悬停状态。推力与阻力均为零时，直升机是在空中处于悬停状态。10/10/20228直升机结构与系统 第1章 直升机飞行原理l 术语术语 桨盘面积（桨盘面积（DISC AREADISC AREA）：桨叶转动时叶尖形成的圆周面积。：桨叶转动时叶尖形成的圆周面积。叶尖旋转平面（叶尖旋转平面（TIP PATH PLANETIP PATH PLANE）：所有桨叶转动时叶尖形成的平面。：所有桨叶转动时叶尖形成的平面。桨盘负载（桨盘负载（DISC LOADINGDISC LOADING）：直升机起飞重量与桨盘面积的比值。：直升机起飞重量与桨盘面积的比值。叶片负载（叶片负载（BLA
8、DE LOADINGBLADE LOADING）：直升机起飞重量与所有叶片面积和的比：直升机起飞重量与所有叶片面积和的比值。值。桨盘固态性（桨盘固态性（DISC SOLIDITYDISC SOLIDITY）：所有桨叶的面积与桨盘面积的比值，也：所有桨叶的面积与桨盘面积的比值，也称旋翼实度。称旋翼实度。挥舞（挥舞（FLAPPINGFLAPPING）：在升力的作用下，桨叶绕水平关节的垂直运动。：在升力的作用下，桨叶绕水平关节的垂直运动。阻尼（阻尼（DRAGGINGDRAGGING）：在阻力作用下，桨叶绕垂直关节的水平运动，也称：在阻力作用下，桨叶绕垂直关节的水平运动，也称摆振。摆振。垂直飞行（垂直
9、飞行（VERTICAL FHGHTVERTICAL FHGHT）：直升机在垂直方向的上升和下降，由总：直升机在垂直方向的上升和下降，由总距杆操纵。距杆操纵。转换飞行（转换飞行（TRANSLATIONAL FLIGHTTRANSLATIONAL FLIGHT）：除垂直方向以外任何方向的飞：除垂直方向以外任何方向的飞行，由周期变距杆操纵。行，由周期变距杆操纵。变距（变距（FEATHERINGFEATHERING）：改变桨叶角以改变桨叶攻角。：改变桨叶角以改变桨叶攻角。10/10/20229直升机结构与系统 第1章 直升机飞行原理l 术语（续）术语（续）升力不对称性（升力不对称性（DISSYMMET
10、RY OF LIFTDISSYMMETRY OF LIFT）：在某些飞行姿态下桨叶产生：在某些飞行姿态下桨叶产生的升力不对称。的升力不对称。相位滞后（相位滞后（PHASE LAGPHASE LAG）：是指当有一个外力（改变桨叶角）作用到桨叶：是指当有一个外力（改变桨叶角）作用到桨叶上时，桨叶的挥舞效应将沿着转动方向滞后上时，桨叶的挥舞效应将沿着转动方向滞后9090才出现。这种现象也叫陀才出现。这种现象也叫陀螺进动性。螺进动性。桨叶前缘桨叶前缘：是指整个翼型中最先与气流相接触的部分。：是指整个翼型中最先与气流相接触的部分。桨叶后缘（桨叶后缘（TRAILING EDGETRAILING EDGE）
11、：是指翼型中逐渐收敛的锥形部分能使气流：是指翼型中逐渐收敛的锥形部分能使气流流过翼型表面产生流线型效应的点。流过翼型表面产生流线型效应的点。翼型的弦线：翼型的弦线：是一条假想的从翼型的前缘点到后缘点的连线，它用作测量是一条假想的从翼型的前缘点到后缘点的连线，它用作测量翼型角度的基准线。翼型角度的基准线。攻角（攻角（ANGLE OF ATTACKANGLE OF ATTACK）：也叫迎角（：也叫迎角（ANGLE OF INCIDENCEANGLE OF INCIDENCE），），是指翼型的弦与相对气流之间的夹角。是指翼型的弦与相对气流之间的夹角。桨叶角（桨叶角（PITCHPITCH）：是指桨叶翼
12、型的弦与桨毂旋转平面之间的夹角，也称：是指桨叶翼型的弦与桨毂旋转平面之间的夹角，也称作变距角或安装角。作变距角或安装角。10/10/202210直升机结构与系统 第1章 直升机飞行原理1.2 1.2 升力和阻力l 升力的产生升力的产生 升力产生的原理的两种理论：升力产生的原理的两种理论：一种理论认为，当气流流过一种理论认为，当气流流过翼型上表面时气流加速，根翼型上表面时气流加速，根据伯努利（据伯努利（BERNOULIBERNOULI）的）的能量守恒定律，气流的加速能量守恒定律，气流的加速将引起压力的减小，而流过将引起压力的减小，而流过下表面的气流则压力增大，下表面的气流则压力增大，下表面的压力
13、大于上表面的下表面的压力大于上表面的压力，这个压力差将使得翼压力，这个压力差将使得翼型向着压力差的方向运动，型向着压力差的方向运动，这个压力差就是升力。这个压力差就是升力。10/10/202211直升机结构与系统 第1章 直升机飞行原理 升力产生的原理的两种理论：升力产生的原理的两种理论：另一种理论认为，由于气流流过翼型时的攻角为正，气流流过下表另一种理论认为，由于气流流过翼型时的攻角为正，气流流过下表面时将向下反射，根据牛顿第三定律，任何一个力的作用都将产生面时将向下反射，根据牛顿第三定律，任何一个力的作用都将产生一个大小相等、方向相反的反作用力，气流的这种向下的反射作用一个大小相等、方向相
14、反的反作用力，气流的这种向下的反射作用将产生一个向上的反作用力，使得翼型向上运动，这就是升力。将产生一个向上的反作用力，使得翼型向上运动，这就是升力。升力升力计算公式升力升力计算公式【略，见教材略，见教材】10/10/202212直升机结构与系统 第1章 直升机飞行原理l 阻力的产生 对于直升机来说，阻力有以下几种形式：对于直升机来说，阻力有以下几种形式：（1 1）型阻（型阻（from dragfrom drag）：由机身的整体外形产生，良好的机身外形可以减小但：由机身的整体外形产生，良好的机身外形可以减小但永远不能消除这种阻力。永远不能消除这种阻力。（2 2）废阻（废阻（parasite d
15、ragparasite drag）：由机身的外部附件如起落架、浮筒、外挂副油箱等：由机身的外部附件如起落架、浮筒、外挂副油箱等产生，安装不正确的面板、受腐蚀的前缘等也会产生废阻。产生，安装不正确的面板、受腐蚀的前缘等也会产生废阻。（3 3）翼型阻力（）翼型阻力（rotor profile dragrotor profile drag）：由桨叶在空气中转动产生，桨叶角越大，阻：由桨叶在空气中转动产生，桨叶角越大，阻力越大；桨叶角越小，阻力越小。力越大；桨叶角越小，阻力越小。（4 4）诱导阻力（诱导阻力（induced draginduced drag）：当旋翼转动时，因桨叶的作用空气被诱导向下：
16、当旋翼转动时，因桨叶的作用空气被诱导向下流过主桨毂，空气的流动产生的反作用力，流过主桨毂，空气的流动产生的反作用力，（5 5）激波阻力（激波阻力（wave dragwave drag）：高速飞行时，前进桨叶的叶尖处有可能产生激波。：高速飞行时，前进桨叶的叶尖处有可能产生激波。上述各种阻力作用于直升机及其旋翼系统，阻力的综合效应称作总阻力。上述各种阻力作用于直升机及其旋翼系统，阻力的综合效应称作总阻力。10/10/202213直升机结构与系统 第1章 直升机飞行原理l 直升机翼型的选择直升机翼型的选择 翼型翼型 翼型弯曲的程度叫翼型弯曲的程度叫翼型的弯度，翼型的弯度，所谓所谓大弯度翼型大弯度翼型
17、是指一个翼型的上表面的是指一个翼型的上表面的弯曲程度远大于下表面的弯曲程度。弯曲程度远大于下表面的弯曲程度。相对气流是指作用在翼型上的所有产生升力的气流的总和。它既有大小，相对气流是指作用在翼型上的所有产生升力的气流的总和。它既有大小，也有方向。也有方向。10/10/202214直升机结构与系统 第1章 直升机飞行原理 直升机翼型的选择直升机翼型的选择 直升机主桨叶最常采用的翼型是直升机主桨叶最常采用的翼型是对称翼型。对称翼型。这种翼型具有高升阻比的特点，这种翼型具有高升阻比的特点，即在允许的速度范围内从翼根到翼尖能够产生较大的升力，同时阻力较小。即在允许的速度范围内从翼根到翼尖能够产生较大的
18、升力，同时阻力较小。但选择对称翼型的主要理由是它具有稳定的压力中心。但选择对称翼型的主要理由是它具有稳定的压力中心。压力中心压力中心是指升力在翼型弦线上的作用点在固定翼飞机机翼的翼型上，随着攻角的变化，压力中心沿着弦线移动，这对于固定翼飞机来说问题不大，因为它的尾翼可提供纵向稳定性；而对于直升机的主桨叶来说则是不可接受的，因为在直升机上桨叶的攻角在飞行中是在不停地变化的，压力中心的不停移动将引起桨叶的扭转而使桨叶应力增加，同时给飞行员带来额外的操纵要求。对称翼型的压力中心的作用点与弦线的重心和变距基本重合。因此，随着攻角的变化，压力中心作用点位置保持基本不变，这样可以减轻飞行员的操纵负担。10
19、/10/202215直升机结构与系统 第1章 直升机飞行原理l 主旋翼主旋翼 主旋翼主旋翼旋翼有效力旋翼有效力把每片桨叶产生的升力合成为一个力，这个力作用在桨叶叶尖旋转平面的中心，且垂直于这个平面，这个力叫做旋翼有效力，也叫旋翼总空气动力。10/10/202216直升机结构与系统 第1章 直升机飞行原理旋翼锥体角旋翼锥体角主桨叶形成一个倒锥体，桨叶与桨毂旋转平面之间的夹角叫做锥体角，它的定义是桨叶的展向中心线与桨叶叶尖平面之间的夹角。（1）升力：升力越大，锥体角越大。（2）离心力：桨叶转动速度越大，桨叶产生的离心力越大，桨叶将越远离桨毂，因此锥体角越小。（3）直升机重量：重量越大，桨叶必须产生
20、越大的升力，因此重量的增加将增加锥体角。思考题：思考题：为什么说，在实际飞行中只有升力是影响锥体角的大小的可变为什么说，在实际飞行中只有升力是影响锥体角的大小的可变因素？因素？三个影响锥体角的大小的因素三个影响锥体角的大小的因素10/10/202217直升机结构与系统 第1章 直升机飞行原理 主桨叶主桨叶由于桨叶是在不断转动的，桨叶的速度和相对气流的速度沿着桨叶的叶根到叶尖将是逐渐增大的。根据升力公式，桨叶产生的升力的大小取决于攻角和相对气流的速度，因此桨叶上的升力从叶根至叶尖也是逐渐增大的。这种情况将造成桨叶上产生不必要的弯曲负载。平衡桨叶翼展方向升力的方法有两种：锥形桨叶：将桨叶做成锥形，
21、使得翼型的弦线长度从叶根至叶尖逐步减小，桨叶表面积也因此逐步减小；扭转桨叶：将桨叶角从叶根至叶尖设计成下洗，即桨叶角逐步减小，则攻角也逐渐减小。10/10/202218直升机结构与系统 第1章 直升机飞行原理1.3 1.3 悬停和地面效应l 垂直飞行 如果所有桨叶的桨叶角同时且等量增加，每片桨叶产生的升力将增加，旋翼有效力的大小将增加。当旋翼有效力增大到大于直升机的重力时，直升机将垂直上升。如果在飞行中旋翼有效力减小至小于直升机的重力，则直升机垂直下降。通过主桨叶桨叶角的同时等量变化获得垂直飞行被称作变总距，飞行员实现变总距的方式是通过总距杆来实现，通常位于飞行员位置的左侧，操纵遵循自然法则，
22、即提起杆直升机上升，放下杆直升机下降。10/10/202219直升机结构与系统 第1章 直升机飞行原理l 油门内联装置 当总距杆提起或放下时，桨叶与相对气流的迎角将发生变化，作用在桨叶上的阻力也将改变，增加桨距，桨叶迎风面积增大，阻力增加，如果没有任何补偿措施的话，桨叶转速将减小，升力的增加将被抵消而随之减小了。因此，当提起总距杆时，应提供额外的功率以保持旋翼转速不变，反之亦然。为实现这种补偿，直升机设计时将总距杆与油门杆进行内部连接，当提起总距杆时，自动增大油门提供额外功率；放下总距杆时，油门自动减小以减小功率输出。现代一些直升机的发动机采用燃油电子调节器，总距杆位置信号通过预调器以电子信号
23、的形式传递给电子控制装置，预调器与总距杆以机械形式连接。10/10/202220直升机结构与系统 第1章 直升机飞行原理l 悬停和地面效应 当旋翼升力大于直升机重力时，直升机将垂直上升，如果上升到一定高度而减小旋翼升力使之与重力大小相等，方向相反时，直升机将停止上升，这种飞行状态叫做悬停。只要旋翼能够产生足够的升力来平衡飞机重力，直升机便可在任何高度悬停。当直升机在较低的高度悬停，即非常接近地面时，这时的状态可以产生地面效应。这是由于桨叶叶尖处空气速度较大，形成一道从叶尖至地面的气帘，主旋翼转动带来的下洗气将被集中在桨盘和机身下方，相对增大了主桨下部空气的密度，由升力公式可知，密度增加，升力增
24、大，产生地面效应。由于地面效应的作用，升力增大，保持悬停所需的功率也就减小。地面效应的最大有效高度大约等于旋翼直径的一半，随着高度逐渐增大至旋翼直径，地面效应逐渐减小直至完全消失。地面效应的另一个名称叫做地面气垫。10/10/202221直升机结构与系统 第1章 直升机飞行原理1.4 1.4 过渡飞行和转换飞行l 过渡飞行 过渡飞行是指直升机从悬停状态转变成转换飞行状态之间的过程。要实现这个转变，首先应使主桨旋转平面向着需要飞行的方向倾斜。由于旋翼有效力是与叶尖旋转平面相垂直，因此旋翼有效力也将向着同方向偏转。这样将破坏升力和重力之间在悬停时的平衡状态，如图119 所示，将两个力按照力的合成法
25、则进行合成，得到如图120 所示的合力。图 120 中升力和重力的合力目前没有与其相平衡的力，直升机将沿着合力的方运动，这个合力叫做推力。10/10/202222直升机结构与系统 第1章 直升机飞行原理从图1-20 中还可以看出，由旋翼有效力偏转产生的合力，也就是推力，它的作用方向并不是水平的，而是略向下倾斜，若不作修正，直升机将在前飞的同时还将下降高度，伴随着地面效应的失去，共下降速率会迅速增加。为弥补上述现象，应增大旋翼有效力，使合力方向成水平。从实际操纵上来说，应提起总距杆增加发动机的功率输出，这样可以使直升机保持水平飞行。我们也可以理解为在过渡飞行阶段，直升机旋翼旋转平面应向所需飞行的
26、方向倾斜，同时提起总距杆增加发动机功率，使得旋翼有效力偏转且增大。它的一个垂直分量是升力，且与重力平衡，另一个水平分量可以使直升机进入水平飞行状态，如图121 所示。10/10/202223直升机结构与系统 第1章 直升机飞行原理l 转换飞行状态 转换飞行状态是指除垂直飞行以外的其他飞行状态。要进入转换飞行状态，应将旋翼旋转平面向着所需方向倾斜，旋翼有效力的水平分量将使直升机向着所需方向运动。如果桨叶的桨叶角增大，攻角增大，桨叶产生的升力增大，桨叶向上挥舞；反之，桨叶的桨叶角减小，攻角减小，桨叶产生的升力减小，桨叶向下挥舞。因此，如果桨叶在其转动的圆周中的前半周过程中桨叶角逐步增大，后半周过程
27、中桨叶角逐步减小，则桨叶将在转动的圆周中前半周是向上挥舞，后半周是向下挥舞，最终的结果是旋翼旋转平面得到了倾斜，旋翼有效力得到了偏转。10/10/202224直升机结构与系统 第1章 直升机飞行原理实现转换飞行状态的操纵装置叫做周期变距杆（俗称操纵杆），它在驾驶舱中的位置与固定翼飞机上的操纵杆的位置相同。操纵周期变距杆将使所有主桨叶的桨叶角沿着圆周交替变化，桨叶随之向上或向下挥舞。周期变距杆的操纵同样符合人的习惯，即前推周期变距杆，旋翼旋转平面向前倾斜，直升机向前飞行；如果想向左飞行，左推周期变距杆即可，依此类推。不同的直升机采用了不同的操纵机构将周期变距杆的操纵传递到主旋翼上，最常见的是倾斜
28、盘机构。倾斜盘机构通常由两个倾斜盘组成，一个是固定倾斜盘，一个是转动倾斜盘。当移动周期变距杆时，固定倾斜盘将向同方向倾斜，这个动作将传递到转动倾斜盘上使之同样倾斜，转动倾斜盘与变距机构直接连接，因此倾斜动作将逐渐反馈到桨叶上引起桨叶角的逐步变化，浆叶将在其转动圆周的一半中增加桨距，而在另一半中减小桨距，从而实现桨距的周期操纵。10/10/202225直升机结构与系统 第1章 直升机飞行原理10/10/202226直升机结构与系统 第1章 直升机飞行原理l 从悬停到前飞的姿态转换从悬停到前飞的姿态转换 旋翼旋转平面倾斜后，旋翼有效力的水平分量就是推力。旋翼旋转平面倾斜后，旋翼有效力的水平分量就是
29、推力。推力的大小取决于桨盘倾斜的角度，推力的大小取决于桨盘倾斜的角度，倾斜角越大，推力越大，而升力越小倾斜角越大，推力越大，而升力越小。也就是说，当推力增加时，必须增大旋翼有效力，才能保持足够的升力来平也就是说，当推力增加时，必须增大旋翼有效力，才能保持足够的升力来平衡飞机的重力。衡飞机的重力。相关术语：相关术语：过渡飞行过渡飞行是指直升机从是指直升机从悬停状态悬停状态转变转变成成转换飞行状态转换飞行状态之间的过程。要实现之间的过程。要实现这个转变，首先应使主桨旋转平面向这个转变，首先应使主桨旋转平面向着需要飞行的方向倾斜。着需要飞行的方向倾斜。转换飞行状态转换飞行状态是指除垂直飞行以外的是指
30、除垂直飞行以外的其他飞行状态。实现转换飞行状态的其他飞行状态。实现转换飞行状态的操纵装置叫做操纵装置叫做周期变距杆周期变距杆（俗称（俗称操纵操纵杆杆），它在驾驶舱中的位置与固定翼），它在驾驶舱中的位置与固定翼飞机上的操纵杆的位置相同。飞机上的操纵杆的位置相同。10/10/202227直升机结构与系统 第1章 直升机飞行原理10/10/202228直升机结构与系统 第1章 直升机飞行原理1.5 1.5 发动机功率曲线l 阻力变化 作用于直升机上的几种阻力随飞行速度的变化情况如图1-18。型阻（from drag）：由机身的整体外形产生，良好的机身外形可以减小但永远不能消除这种阻力。废阻（para
31、site drag）：由机身的外部附件如起落架、浮筒、外挂副油箱等产生，安装不正确的面板、受腐蚀的前缘等也会产生废阻。翼型阻力（rotor profile drag）：由桨叶在空气中转动产生，桨叶角越大，阻力越大；桨叶角越小，阻力越小。诱导阻力（induced drag）：当旋翼转动时，因桨叶的作用空气被诱导向下流过主桨毂，空气的流动产生的反作用力，10/10/202229直升机结构与系统 第1章 直升机飞行原理l 功率变化飞行速度增大时为保持平飞功率的变化情况 图中上部的直线代表最大可用功率，当扭矩、旋翼转速、高度不变时，最大可用功率是恒定的，因此图中的直线位置也将保持不变。可用功率线的位置
32、取决于大气条件如大气温度、大气压力、大气密度等。小贴士：速度单位“节”16世纪，一个聪明的水手，他在船舶前进的时候，把拖有绳索的浮体抛向水面，根据在一定时间里拉出来绳索长度，计算出船舶的速度。由于当时计时使用的是流沙时器，为了更准确地计算舰艇的速度，这个水手便在绳索上打出了许多等距离的结。这样，整根计速绳索便被分成了许多节。只要计算出一定时间里放出的绳索节数，就可以知道船舶的航行速度了。从此以后，“节”便成了国际上通用的航海速度单位。1 1节(kn)=1(kn)=1海里/时=(1852/3600)m/s=(1852/3600)m/s 1 1海里(n mile)=1852m(n mile)=18
33、52m10/10/202230直升机结构与系统 第1章 直升机飞行原理 从曲线中可以得到以下结论：从曲线中可以得到以下结论：直升机在无地面效应条件下悬停需要的功率大于在有地效条件下悬停需要的功率；当直升机从悬停状态向直接飞行状态转变时，需要增加功率。在地面效应失去时所需功率值与无地效时的相同，此时飞行速度约15Kn（节）；当直升机的飞行速度大于 15Kn 且开始加速时，旋翼诱导阻力将减小，速度越大，诱导阻力的减小量越大，因此总阻力减小；当飞行速度达到 60Kn 时，直升机的废阻等阻力增大，且其增加量抵消了诱导阻力的减小量，从而使得总阻力增大，需用功率也增加；由于阻力的大小与速度的平方成正比，因
34、此当速度超过80Kn 后阻力增大的影响迅速增强，必须不断增加功率输出来克服阻力的增大。必须指出，只要需用功率曲线在可用功率线之下，直升机可以在任何条件下飞行，包括在任何速度下爬升，但升降速度取决于剩余功率的多少。10/10/202231直升机结构与系统 第1章 直升机飞行原理1.6 1.6 相位角和陀螺进动l 相位滞后 当在直升机的桨叶上施加一个变距的外力时，将引起桨叶的挥舞，但挥舞沿旋翼的转动方向滞后90。最普遍的一种理论认为，直升机主桨叶在飞行中是一个转动的物体，具有陀螺的进动性。陀螺进动性原理指出，当一个外力沿切线作用到一个转动中的陀螺上时，陀螺的旋转平面将倾斜，倾斜的最大位移量则发生在
35、沿陀螺转动方向90滞后的点上。另一种理论称为惯性原理，即当变距力作用到桨叶上时，由于桨叶的惯性，桨叶不会马上对作用力做出反应而使桨叶挥舞，也就是说，产生的升力在使桨叶挥舞前首先必须克服桨叶的惯性，此时桨叶已经转动了1/4 圆周，所以变距力的作用的效果将沿转动方向滞后90。相关陈述：陈述 A：直升机悬停时，由于总距杆的位置，主桨叶已经有一定的预置基准桨叶角，提起或放下总距杆，桨叶的桨叶角将增大或减小，直升机将上升或下降。陈述 B：当周期变距杆移动时，某一片桨叶的桨叶角将大于基准桨叶角，桨叶将开始向上挥舞，而且只要桨叶角大于基准桨叶角，将继续向上挥舞。陈述 C：当周期变距杆移动时，某一片桨叶的桨叶
36、角将小于基准桨叶角，该桨叶将开始向下挥舞，而且只要桨叶角小于基准桨叶角，将继续向下挥舞。陈述 D：向上或向下挥舞的速率随着桨叶角增大或减小而增加。陈述 E：如果桨叶不挥舞，说明桨叶角必定等于基准角。10/10/202232直升机结构与系统 第1章 直升机飞行原理相位滞后的分析理解假设旋转平面向左运动，旋转方向从上往下看是逆时针方向，则旋转平面的最前点为0，按转动方向其他点依次为90、180、270。10/10/202233直升机结构与系统 第1章 直升机飞行原理将这些点标在水平轴上，从这个图上可以看出桨叶角有关的桨叶的挥舞情况在转动中发生的变化，中间的横线代表基准桨叶角的基准桨叶位置，上面的横
37、线代表最大桨叶角的挥舞量，下面的横线代表最小桨叶角的挥舞量。注：基准桨叶角取决于总距杆的位置，最大和最小桨叶角取决于周期变距杆的移动量。假设基准桨叶角是12，最大桨叶角是18，最小桨叶角是6，即总距杆在12的位置，周期变距杆向前移动时，桨叶角可以从基准的12在转动1/4 圈增加到18，在随后的1/4 圈又减小到12。在第三个1/4 圈减小到最小的6，在最后的1/4 圈又增大到12。10/10/202234直升机结构与系统 第1章 直升机飞行原理关于桨叶的挥舞量。在直升机前飞时，桨叶的最低挥舞点（或者叫向下挥舞的最大量）应该在0，桨叶的最高挥舞点（或者叫向上挥舞的最大量）在180。关于桨叶角的变
38、化量。根据前面提到的陈述E，如果桨叶不挥舞，桨叶角必定等于基准角，按图134 所示，有3 个点桨叶不挥舞，即0（两端）和180。即在这3 个点桨叶角应等于基准桨叶角12。在 0180之间，桨叶向上挥舞，而如果桨叶向上挥舞，且桨叶角又在基准角之上，桨叶角必定继续增大（陈述B），因此桨叶角将从基准值12增大到最大值18，然后再回到基准值12，桨叶角的最大值将出现在0180之间的中间位置，即90点。在 1800之间规律是一样的（陈述C），桨叶角必定从基准值12减小到最小值6，然后再回到基准值12，最小桨叶角将出现在270点。这样就得到了 5 个点，将这些点用一平滑的曲线连接，得到图135。10/10
39、/202235直升机结构与系统 第1章 直升机飞行原理将图 134 和图135 叠加，得到图136，从图中可以看出，桨叶角变化曲线比桨叶挥舞量变化曲线要早90。在 0，桨叶角是基准值，桨叶不挥舞。090，桨叶角逐渐增大至最大值，桨叶开始向上挥舞且向上挥舞的速率也越来越大，当到达90时，桨叶的挥舞速率最大。90180，桨叶角从最大值逐渐恢复到基准值，此时，由于桨叶角大于基准值，桨叶继续向上挥舞，当桨叶角变成基准值时（180），桨叶停止向上挥舞。180270，桨叶角逐渐减小至最小值，桨叶开始向下挥舞，而且向下挥舞的速率也越于来越大，当到达90时，桨叶的挥舞速率最大。2700，桨叶角从最小值逐渐恢复
40、到基准值，此时桨叶角仍小于基准值，桨叶继续向下挥舞，当到达0点时，桨叶角变为基准值，桨叶停止向下挥舞，继续下一个循环。从图 136 可以得出以下结论：由于这种相位滞后现象的存在，最大桨叶角位置相对于需要的最高挥舞位置必须提前9090，最小桨叶角相对于需要的最低挥舞位置也必须提前9090。10/10/202236直升机结构与系统 第1章 直升机飞行原理l 前置角 在设计直升机主桨系统时必须考虑到相位滞后的因素，绝大多数直升机利用倾斜盘将操纵通过变距拉杆传递到主桨系统上，变距拉杆和连接主桨叶的夹板或轴向关节之间加装一变距摇臂，而变距摇臂通常装在桨叶的前缘。变距摇臂操纵输入点与桨叶之间的夹角称做前置
41、角。对于两片主桨叶的主桨系统，尤其是装有平衡棒的主桨系统，变距摇臂的前置角为 90。这是因为平衡棒与桨叶的夹角为90，驾驶舱操纵首先传递到平衡棒，然后再到变距摇臂。当倾斜盘前倾时，平衡棒指向前方，最小桨距也传递到平衡棒，此时桨叶仍在270，因此最小桨叶角位置相对于最低挥舞位置提前了90。现代直升机主桨系统的前置角则为 45，也就是说，变距摇臂的操纵输入点与桨叶的夹角为45，这意味着倾斜盘的倾斜方向不能与周期操纵杆的移动方向一致。当桨叶处在270点时，如果要使桨叶的最低挥舞位置在0点，最小桨距必须在270点，但前置角只有45，因此倾斜盘也必须提前45倾斜，最低倾斜点应在315点上。将主伺服装置（
42、液压助力器）安装在这个位置可以实现此目的，其他伺服装置与其夹角90，如图137 所示。10/10/202237直升机结构与系统 第1章 直升机飞行原理 在现代直升机上具有垂直关节，这种垂直关节也叫摆振关节或阻力关节，它可以使桨叶在水平方向摆动，以避免因摆振所造成的叶根处的疲劳断裂。1.7 1.7 摆振和升力不对称l 垂直关节和摆振 必须允许每片桨叶在水平方向摆动的原因如下：（1）桨叶的惯性。在旋翼开始转动和减速停车时，由于桨叶的惯性作用，会产生反向运动的趋势。（2）阻力的交替变化。飞行中当桨叶运动方向与气流流动方向相对时阻力增加，与气流流动方向相同时阻力减小。（3）科利奥里斯效应（CORIOL
43、IS EFFECT）。当转动中物体的重心相当于转动轴的位置改变时，物体转动的角速度将改变。如果重心向着转动轴移动，转动的角速度增大，反之角速度减小。对于直升机的主桨叶，当桨叶向上挥舞时，重心向转动轴靠拢，桨叶加速；桨叶向下挥舞时，重心向外移动，桨叶减速。10/10/202238直升机结构与系统 第1章 直升机飞行原理（4）胡克效应（HOOKER JOINT EFFECT）。当桨叶形成的转动锥体的轴与主桨轴不再重合时，会产生胡克效应。也叫万向节效应（UNIVERSAL JOINT EFFECT）。10/10/202239直升机结构与系统 第1章 直升机飞行原理l 升力的不对称 这种现象发生在水平
44、飞行状态中，由于前进桨叶和后退桨叶的相对气流速度的变化，造成整个旋翼旋转平面上的升力的不对称。如图 123 所示，直升机的前飞速度假设为100Kn，旋翼桨叶叶尖的转动速度为 500kn，则前进桨叶叶尖的相对气流的合成速度为500+100=600kn，后退桨叶叶尖的相对气流的合成速度为500-100=400kn，由于两边的气流相对速度不同，而升力与速度的平方成正比，因此前进桨叶将比后退桨叶产生更大的升力。从升力计算公式中可以看出，如果升力系数、空气密度和桨叶面积保持不变，升力的变化将与相对气流的速度的平方成正比。10/10/202240直升机结构与系统 第1章 直升机飞行原理升力的变化量将引起前
45、进桨叶向上挥舞，而后退桨叶将向下挥舞，桨叶的向上挥舞则会减小前进桨叶的攻角，桨叶的向下挥舞则会增大后退桨叶的攻角，从而最终达到使旋翼旋转平面的升力平衡。但是，上述桨叶的上下挥舞平衡升力的不对称将引起另一个重要问题，浆叶在前进时向上挥舞和在后退时向下挥舞会使得整个旋翼旋转平面向后倾斜，而直升机前飞时旋翼旋转平面的向后倾斜显然不是我们所希望的。因此，我们必须通过别的办法来平衡升力的不对称，那就是使用周期变距操纵法。为使直升机前飞，应向前推周期操纵杆，当直升机从过渡飞行状态转入到水平飞行状态时，直升机开始获得前进速度，旋翼旋转平面两端会产生升力的不对称而引起旋转平面有向后倾斜的趋势，这时将周期操纵向
46、前稍微推一定量，使前进桨叶的攻角减小，桨叶产生的升力减小，后退桨叶的攻角增大，产生的升力增大以达到升力的平衡，这种方法叫做人工周期变距法。在实际操作飞行中，飞行员通常是将周期杆的前推量一次推到位，使旋转平面前倾，这样既获得前飞速度，同时又有足够的量克服旋转平面的后倾。10/10/202241直升机结构与系统 第1章 直升机飞行原理在现代直升机的结构中，桨叶与变距机构之间安装有变距摇臂，摇臂置于桨叶之前，这种安装方式全程当桨叶要向上挥舞时桨叶角自动减小，向下挥舞时桨叶角自动增大，从而平衡升力的不对称，如图125 所示。这样就避免了飞行员必须操纵周期杆来克服升力的不对称，这种方法叫做自动周期变距法
47、（铰接效应）（DELTA HINGE EFFECT）。10/10/202242直升机结构与系统 第1章 直升机飞行原理l 自转p 自转：如果在飞行中发动机失效（功率完全失去），只要外界条件允许，直升机可以在选定的场地或区域进行安全降落，而且不产生硬着陆，这种飞行方式叫自转。在发动机失效的初始瞬间，飞行员必须立即将总距杆放到最低桨距位置，否则的话，主桨转速将迅速减小而引起桨叶锥体角迅速增大，桨叶快速向上挥舞。这是因为功率失去后无法克服桨叶的型阻，大桨叶角会使阻力较大，旋翼转速会迅速下降。随着旋翼转速的迅速减小，离心力将无法再保持住理想的锥体角，锥体角将迅速增大，造成桨叶根部应力迅速增大而引起桨叶
48、大梁弯曲甚至完全折断。在完全放低总距杆的同时，飞行员还必须松开脚蹬，使尾桨距减小，同时操纵周期变距杆，保持约60kn 的前飞速度。完成上述动作后，直升机将进入下降飞行通道且保持一定的前飞速度。1.8 1.8 自转和拉姿态10/10/202243直升机结构与系统 第1章 直升机飞行原理 在正常飞行时气流是向下进入主桨的，而在自转时，尽管主桨仍然基本保持与正常飞行时一样的前倾角度，但气流流动方向变成了从下向上（如图 128 所示）。当气流方向改变后，主桨上的空气动力完全改变，这个改变可以保证主桨仍然能自由转动且提供足够的升力和推力以满足安全着陆的要求。10/10/202244直升机结构与系统 第1
49、章 直升机飞行原理 自转时主桨上的空气动力以西科斯基的桨叶为例，桨叶的下洗扭转角通常是7，当总距杆庄完全放低位时，桨叶叶根处的桨叶角是8，叶尖处的桨叶角是1。另外，在桨叶上选择一个点叫“理想点”，位于桨叶展向中间靠外侧一点，该点的桨叶角是4，我们把这点叫做“理想点”是因为在这点升力/阻力比值最小。10/10/202245直升机结构与系统 第1章 直升机飞行原理 按图 131131（a a）分析在叶根处的受力情况。首先必须确定自转时的相对气流的大小和方向，相对气流是“下降诱导气流”（沿桨叶翼展方向不变）和“转动诱导气流”的矢量和，其中“转动诱导气流”值较小，是因为在叶根处桨叶的转动速度较小。自转
50、相对气流与弦线的夹角是自转攻角，在叶根处攻角较大，此时应该产生较大的升力。然而，由于叶根处转速较小，实际产生的升力并不是期望的那么大，而且实际产生的升力与相对气流垂直且略向前倾斜，如果这个向前倾斜的升力没有平衡力，将引起桨叶加速。实际上升力分量受到桨叶型阻的制约，桨叶的型阻可引起桨叶的减速。而由于攻角较大，桨叶阻力分量也将较大且方向与升力分量垂直。升力分量和阻力的合成矢量叫做自转力，如果这个力相对于垂直轴向后倾斜，该力为负。将自转力分解为垂直和水平两个分力，其水平分力正好与桨叶转动方向相反，使桨叶减速；而垂直分力与重力方向相反，对直升机起一定的支撑作用。10/10/202246直升机结构与系统
