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直升機(jī)原理詳解

時(shí)間：2011-04-05 10:12來(lái)源：藍(lán)天飛行翻譯 作者：航空 點(diǎn)擊：次

Freewing 是推力轉(zhuǎn)向的一個(gè)新思路，機(jī)身、機(jī)翼固定，但安裝發(fā)動(dòng)機(jī)的前機(jī)身可以抬起來(lái)，提供額外的升力分量，縮短起飛距離。不過(guò) Freewing 不可能實(shí)現(xiàn)垂直起落

到目前為止，F(xiàn)reewing 只用于無(wú)人機(jī)，由于前機(jī)身在起落時(shí)要高高揚(yáng)起，載人的機(jī)艙布置在前機(jī)身恐怕有問(wèn)題，而飛行員坐在后機(jī)身又有違傳統(tǒng)，看來(lái) Freewing 概念要用到載人飛機(jī)還有一段日子

不過(guò)人們的想象力是無(wú)窮的，如果倒一個(gè)個(gè)兒，前機(jī)身和地面水平，后機(jī)身翹起來(lái)，水平滑跑一小段距離后，水平尾翼用氣動(dòng)力量把尾巴壓下去…… / 這樣較重的前機(jī)身就抬了起來(lái)，可以利用向下的噴氣推力分量，增加升力，尾撐之間的水平尾翼還可以“捕獲”噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的下洗氣流從地面的反彈，利用地效增升，實(shí)現(xiàn)短距起飛。事實(shí)上，這是利用機(jī)身的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)推力轉(zhuǎn)向，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的要求最低。起飛后，后機(jī)身放下來(lái)，和前機(jī)身平行，像普通飛機(jī)一樣飛行

這個(gè)就比較瘋狂了
旋翼也好，螺旋槳也好，產(chǎn)生推力的原理都是一樣的。如果把螺旋槳用涵道包覆起來(lái)，變成涵道螺旋槳（ducted fan），初看和普通螺旋槳沒(méi)有太大兩樣，但是涵道內(nèi)外的氣流有速度差，在貝努力原理的作用下，涵道內(nèi)的高度氣流可以拖動(dòng)涵道外的低速氣流，可以產(chǎn)生比涵道內(nèi)氣流流動(dòng)多至 50% 的額外推力。涵道本身在平飛狀態(tài)也產(chǎn)生升力，這時(shí)圓形的涵道實(shí)際上就構(gòu)成了環(huán)形機(jī)翼。平直翼、后掠翼、三角翼甚至前掠翼是人們所熟悉的，但環(huán)形翼也是產(chǎn)生升力的一個(gè)有效方法。環(huán)形翼可以想象成翼梢小翼的一個(gè)極端，由于制造和分析上不如平面翼簡(jiǎn)單，一直沒(méi)有得到重視，在涵道風(fēng)扇上的應(yīng)用可算是歪打正著。涵道風(fēng)扇也可以傾轉(zhuǎn)，除了涵道本身也產(chǎn)生升力外，傾轉(zhuǎn)涵道風(fēng)扇（tilt ducted fan）具有和傾轉(zhuǎn)螺旋槳一樣的優(yōu)缺點(diǎn)，不過(guò)在涵道風(fēng)扇在傾轉(zhuǎn)過(guò)程中，唇部的迎角不斷變化，傾轉(zhuǎn)到一定程度時(shí)會(huì)引起失速，改變飛機(jī)的升力分布，帶來(lái)一定的飛行控制上的困難，同時(shí)造成風(fēng)扇進(jìn)氣的紊亂，和很大的嗡嗡聲。Doak VZ-4 是傾轉(zhuǎn)涵道風(fēng)扇的先驅(qū)，但最重要的傾轉(zhuǎn)涵道風(fēng)扇飛機(jī)應(yīng)該是貝爾 X-22。盡管美國(guó)海軍這是三軍聯(lián)合的項(xiàng)目的一員，但海軍更中意短小的傾轉(zhuǎn)涵道風(fēng)扇方案，以便由航母升降機(jī)容納，也免除折疊機(jī)翼的必要。涵道風(fēng)扇也對(duì)甲板人員比較安全。于是海軍在參加 XC-142 的同時(shí)，推動(dòng)貝爾 X-22 計(jì)劃。貝爾 X-22 采用四臺(tái)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，兩兩布置在垂尾兩側(cè)，通過(guò)交聯(lián)的同步軸，驅(qū)動(dòng)所有四副涵道風(fēng)扇，每個(gè)涵道出口的一個(gè)氣動(dòng)控制面提供垂直起落和平飛中的飛行控制。巨大的垂尾實(shí)際上沒(méi)有舵面，只是起方向穩(wěn)定作用。X-22 的涵道風(fēng)扇的有 35% 的剩余功率，只要三個(gè)涵道風(fēng)扇就能夠?qū)崿F(xiàn)垂直起落，只剩兩個(gè)了還能正常平飛，在跑道降落只需要一個(gè)涵道風(fēng)扇就夠了。海軍對(duì) X-22 的試飛成果相當(dāng)滿意，責(zé)成負(fù)責(zé)研制 X-22 飛行控制的 Cornell Aeronautical Laboratory（后稱 Calspan 公司）繼續(xù)完善自動(dòng)飛行增穩(wěn)控制系統(tǒng)。到 80 年 Calspan 完成項(xiàng)目，軍方已經(jīng)對(duì)垂直起落飛機(jī)失去耐心，X-22 計(jì)劃無(wú)疾而終。

Doak VZ-4 是采用傾轉(zhuǎn)涵道風(fēng)扇的先驅(qū) / 水平的涵道本身可以產(chǎn)生升力，但傾轉(zhuǎn)過(guò)程中，涵道唇部會(huì)出現(xiàn)失速

Doak VZ-4 從起飛到平飛的轉(zhuǎn)換過(guò)程

貝爾 X-22 又是一個(gè)三軍聯(lián)合的項(xiàng)目 / 由于采用涵道風(fēng)扇，沒(méi)有不對(duì)稱升力和后行槳葉失速的問(wèn)題，可以放心采用剛性槳葉

四
個(gè)大水桶一樣的涵道風(fēng)扇在空中翻轉(zhuǎn)，也是一景 / 法國(guó)的 Nord（后并入 Aerospatiale）也研制了 Nord 500 Cadet，發(fā)動(dòng)機(jī)推力和涵道出口的菱形導(dǎo)流片提供懸停狀態(tài)下的姿態(tài)控制
　　如果不傾轉(zhuǎn)涵道風(fēng)扇，而是把涵道風(fēng)扇固定在機(jī)翼或機(jī)身內(nèi)重心附近，用于在垂直起落時(shí)提供升力，在平飛的時(shí)候覆蓋起來(lái)，減少阻力，這就是升力風(fēng)扇的方案了。升力風(fēng)扇方案并不新穎，二戰(zhàn)后期納粹德國(guó)熱衷于一劍定乾坤的秘密武器，垂直起落戰(zhàn)斗機(jī)是其中的一部分，升力風(fēng)扇就是以研制號(hào)稱二戰(zhàn)中德國(guó)最優(yōu)秀戰(zhàn)斗機(jī) FW 190 戰(zhàn)斗機(jī)著名的 Focke-Wulf 的方案。但首先實(shí)現(xiàn)這個(gè)概念的，還是 Vanguard Omniplane。Vanguard 是由 Piasecki 分出來(lái)的一些人建立的，Omniplane 時(shí)運(yùn)不佳，完成系留試驗(yàn)后，機(jī)械可靠性的問(wèn)題就早早終止了 Omniplane 的生涯。不久，制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)出生的通用電氣希望涉足垂直起落領(lǐng)域，和 Ryan 合作，研制了 XV-5 研究機(jī)。XV-5 比 Omniplane 要接近實(shí)用化多了，升力風(fēng)扇依然埋在機(jī)翼里，但在平飛的時(shí)候，可以由蓋板蓋起來(lái)，減小阻力。上蓋板是背對(duì)背打開的兩個(gè)半圓形，下蓋板是百葉窗形，打開時(shí)用作懸停狀態(tài)下的偏航控制。機(jī)首有一個(gè)由百葉窗遮蓋的小型升力風(fēng)扇，用于俯仰控制。XV-5 的升力風(fēng)扇有 31% 的剩余功率。XV-5 暴露了升力風(fēng)扇的一些問(wèn)題：升力風(fēng)扇占用體積過(guò)大，載油和機(jī)載設(shè)備很受限制。另外飛行控制響應(yīng)不靈敏，懸停到平飛的轉(zhuǎn)換只有很小的操作窗口，越界的話，容易失事。由于機(jī)翼內(nèi)的風(fēng)扇使機(jī)翼很厚，XV-5 遇到很大的阻力問(wèn)題，盡管是噴氣式飛機(jī)，實(shí)際平飛速度不比二戰(zhàn)時(shí)的螺旋槳飛機(jī)快。XV-5 在 70 年代頭上就下馬了。不過(guò)升力風(fēng)扇在 90 年代再現(xiàn)輝煌，入選的洛克希德 F-35 采用的就是升力風(fēng)扇。F-35 的故事容后再述。

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