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直升機(jī)原理詳解

時間：2011-04-05 10:12來源：藍(lán)天飛行翻譯 作者：航空 點(diǎn)擊：次

西科斯基的 Mariner/Cypher II，是美國海軍無人機(jī)竟標(biāo)中的候選之一 / Mariner/Cypher II 的前身 Cypher 在美國陸軍本寧堡步兵學(xué)校的演習(xí)場作巷戰(zhàn)演示
作為美國直升機(jī)工業(yè)的龍頭老大，西科斯基在 80 年代和國防部和 NASA 合作，研制了所謂 X 形翼研究機(jī)，其基本思路是在直升機(jī)和固定翼飛機(jī)之間架一座橋，機(jī)頂?shù)?X 形機(jī)翼可以在直升機(jī)狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生升力；前飛達(dá)到一定速度后，X 形翼鎖住固定，作為機(jī)翼使用，飛機(jī)轉(zhuǎn)入固定翼狀態(tài)。X 形翼在氣動上雖然少見，但并非不可思議，這就是一對后掠翼加一對前掠翼。直升機(jī)狀態(tài)下，反扭力問題有尾槳解決，比較難的是采用剛性的單旋翼，如何解決非對稱升力的問題。西科斯基采用獨(dú)特的“環(huán)流控制技術(shù)”（Circulation Control Technology），將發(fā)動機(jī)壓縮機(jī)后引出高壓氣流，通過寬大的槳葉內(nèi)的管路，像吹氣襟翼一樣，向槳葉后緣開縫襟翼吹氣。吹氣襟翼在下垂的襟翼表面噴吹高壓空氣，加速機(jī)翼上表面的氣流流動，使機(jī)翼達(dá)到超過實(shí)際空速下能夠產(chǎn)生的升力，50-60 年代第一代超音速戰(zhàn)斗機(jī)的低速性能就是靠吹氣襟翼“救命”的。環(huán)流控制槳葉根據(jù)槳葉在圓周運(yùn)動中的不同位置，控制開縫寬度和吹氣強(qiáng)度，控制升力的增減，以補(bǔ)償非對稱升力。

西科斯基的 X 翼研究機(jī)將寬弦“槳葉”和機(jī)翼合二為一，在直升機(jī)狀態(tài)作旋翼旋轉(zhuǎn)，在固定翼狀態(tài)固定，作為 X 形機(jī)翼，在直升機(jī)和固定翼之間架橋 / 用普通直升機(jī)旋翼先行試驗(yàn)的西科斯基“旋翼系統(tǒng)研究機(jī)”（Rotor System Research Aircraft，簡稱 RSRA）

按固定翼飛機(jī)試飛的 RSRA，可以看到，RSRA 用機(jī)翼就可以產(chǎn)生足夠的升力，并不需要 X 形翼的額外升力
　　90 年代時，波音接過接力棒，將 X 形翼的概念推向新的高度，用麥道直升機(jī)和 NASA 的合作結(jié)果，研制了“蜻蜓”（Dragonfly）研究機(jī)。“蜻蜓”有鴨式前翼和寬大的水平尾翼，機(jī)頂上有一字形的旋翼-機(jī)翼。在直升機(jī)狀態(tài)下，旋翼-機(jī)翼在噴氣翼尖的作用下旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生升力。一字形的旋翼-機(jī)翼相當(dāng)于雙葉旋翼，可以用蹺蹺板鉸鏈完成揮舞和領(lǐng)先-滯后動作，所以“蜻蜓”對非對稱升力的補(bǔ)償還是常規(guī)的。“蜻蜓”的動力裝置是一臺渦扇發(fā)動機(jī)，從壓縮機(jī)引出高壓氣流，通過管路輸送到旋翼-機(jī)翼的翼尖，驅(qū)動噴氣翼尖。由于噴氣翼尖不產(chǎn)生反扭力，“蜻蜓”沒有尾槳。達(dá)到一定的平飛速度后，鴨翼和平尾產(chǎn)生足夠的升力，旋翼-機(jī)翼鎖住，作為固定的機(jī)翼，飛機(jī)轉(zhuǎn)入固定翼狀態(tài)。“蜻蜓”正在試飛，美國軍方對它寄予厚望，甚至有想法把它放大到載人攻擊直升機(jī)。

波音的“蜻蜓”Dragonfly 研究機(jī)

“蜻蜓”在懸停中

這張三視圖清楚地顯示了旋翼-機(jī)翼的兩重性

“蜻蜓”垂直起飛到平飛的過程

“蜻蜓”的鴨翼-旋翼（canard rotor wing）概念對海軍很有吸引力，海軍有將其開發(fā)成艦載無人機(jī)的打算 / 載人的“蜻蜓”長滿牙齒，蠻兇的
　　X 形翼到“蜻蜓”有一個共同的特點(diǎn)：采用寬弦剛性槳轂可鎖定的兩用旋翼-機(jī)翼（所謂stopped rotor）。粗短寬厚的剛性旋轉(zhuǎn)機(jī)翼從根本上解決了很多細(xì)長的柔性旋翼槳葉難以解決的問題，但是和常規(guī)直升機(jī)相比，這些飛機(jī)的懸停和非常規(guī)機(jī)動性能還是受到一點(diǎn)損失的，正可謂有得必有失。最主要的技術(shù)困難還是來自于升力產(chǎn)生機(jī)制轉(zhuǎn)換期間的飛行控制問題，處理不好，就容易失事。事實(shí)上，所有在升力產(chǎn)生機(jī)制中轉(zhuǎn)換的所謂 convertiplane 都有這個機(jī)制轉(zhuǎn)換期間的控制問題，機(jī)制轉(zhuǎn)換動輒幾十秒，快的也要 10 秒，就是不敢動作太猛，怕失控，同時也有速度和高度的限制，不是隨時隨地想轉(zhuǎn)換就可以轉(zhuǎn)換的。在戰(zhàn)斗中，這個轉(zhuǎn)換時間和高度、速度的要求給戰(zhàn)術(shù)動作帶來很大的困擾，升力機(jī)制的轉(zhuǎn)換只好在進(jìn)入戰(zhàn)斗前完成，使 convertiplane 在實(shí)用中的吸引力受到不小的損失。

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