揭秘直升機(jī)的空氣力學(xué)原理

飛行中的直升機(jī)上共有四個(gè)作用力，它們是升力，重力，推力和阻力。升力是旋翼在空氣中運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的向上的力，重力與升力方向相反，是由地心引力產(chǎn)生 的。推力是驅(qū)動(dòng)直升機(jī)在空氣中前進(jìn)的力。阻力抵消升力和推力，這是由于升力的產(chǎn)生和機(jī)體在空氣中的運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的阻礙力。在開始討論升力之前，你需要知道一 些空氣動(dòng)力學(xué)的術(shù)語(yǔ)來(lái)描述一個(gè)翼型件和它的周圍的氣流的相互作用。

翼型是一個(gè)表面，例如飛機(jī)的機(jī)翼或者是直升機(jī)旋翼槳葉，當(dāng)他們與氣流產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生氣動(dòng)力。雖然旋翼槳葉翼型多種多樣，但在大多數(shù)飛行條件下，所有的 槳葉都按相同的方式工作。設(shè)計(jì)第一架直升機(jī)的工程師們由于考慮到它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)而選擇了相對(duì)厚度較厚的翼型。因?yàn)樾淼臉~非常細(xì)長(zhǎng)，因此有必要提高他們的 剛度，這樣可以避免靜止時(shí)旋翼槳葉的過度下垂，并盡量減少飛行時(shí)槳葉的扭曲。槳葉同時(shí)也被設(shè)計(jì)為對(duì)稱翼型，這意味著他們的上下翼面有相同的曲率。

對(duì)稱葉片是非常穩(wěn)定的，有助于保持葉片扭曲和飛行控制負(fù)載到最低限度。這種穩(wěn)定性是通過這樣的一種方式達(dá)到的：當(dāng)攻角改變時(shí)，壓力中心幾乎不變。壓力中心 是一個(gè)弦線上的假想點(diǎn)，所有氣動(dòng)力都被認(rèn)為作用在該點(diǎn)上。今天，設(shè)計(jì)師們采用復(fù)合材料，用相對(duì)厚度較小的翼型也能達(dá)到所要求的剛度。另外，槳葉也不是對(duì)稱 翼型了，這意味著上下翼面的曲率不同。

通常情況下，這些翼型變得不再穩(wěn)定了，但這可以通過彎曲的后緣產(chǎn)生于對(duì)稱翼型一樣的特點(diǎn)來(lái)矯正。這被稱為“反射性”。應(yīng)用這種槳葉可以是旋翼系統(tǒng)在更高的 前進(jìn)速度下運(yùn)轉(zhuǎn)。 不對(duì)稱槳葉不穩(wěn)定的原因之一，是壓力中心隨著攻角的變化而變化。當(dāng)升力的作用點(diǎn)在槳葉旋轉(zhuǎn)中心之后時(shí)，會(huì)使槳盤傾斜度增大。

當(dāng)攻角增大，壓力中心向前移動(dòng)，如果它移動(dòng)到旋轉(zhuǎn)支點(diǎn)之前，槳盤傾斜度減小。由于槳葉的攻角在它旋轉(zhuǎn)的過程中會(huì)不斷變化，槳葉就會(huì)揮舞，擺震越來(lái)越嚴(yán)重。當(dāng)提到一個(gè)翼型件，翼展是指從槳榖的轉(zhuǎn)子到翼尖的距離。槳葉扭轉(zhuǎn)角是指弦線從槳葉根部到尖部扭轉(zhuǎn)過的角度。 使槳葉有一個(gè)扭轉(zhuǎn)角使得槳葉產(chǎn)生更大的升力。這是有必要的，因?yàn)闃~的線速度是有翼根到翼尖逐漸增大的。翼尖是最先接觸到來(lái)流空氣的部分。后緣是上 下翼面空氣重新匯集的地方。弦線是一條假想的連接翼尖與后緣的直線，弧度是翼型上下翼面的形狀。相對(duì)來(lái)流是指流過槳葉的氣流。相對(duì)來(lái)流的方向與槳葉的位置 有關(guān)，經(jīng)常與飛行器的飛行方向平行反向，攻角是翼型弦線與來(lái)流方向之間的夾角。

相對(duì)來(lái)流 相對(duì)來(lái)流是由于槳葉在空氣中移動(dòng)而產(chǎn)生的，可能只是槳葉做絕對(duì)運(yùn)動(dòng)，也可能二者都有絕對(duì)運(yùn)動(dòng)。相對(duì)來(lái)流可能受到一部分因素的影響，這些因素包括槳葉 的轉(zhuǎn)動(dòng)，直升機(jī)水平位置的變化，槳葉的揮舞，以及風(fēng)速和風(fēng)向。對(duì)于一架直升機(jī)，相對(duì)來(lái)流是指流過槳葉的空氣流。如果槳葉靜止，風(fēng)吹過槳葉將形成一個(gè)相對(duì)來(lái) 流。如果直升機(jī)懸停在一個(gè)無(wú)風(fēng)的條件下，相對(duì)來(lái)流是由槳葉在空氣中的的轉(zhuǎn)動(dòng)生成的。如果直升機(jī)懸停在風(fēng)中，相對(duì)來(lái)流是風(fēng)和槳葉的運(yùn)動(dòng)的疊加形成的。當(dāng)直升 機(jī)是在向前飛行，相對(duì)來(lái)流是前飛速度和槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)疊加形成的。

葉片槳距角 葉片槳距角是它的弦線與槳榖平面之間的夾角，你利用飛行控制系統(tǒng)控制槳葉的槳距，改變槳葉的總距，每片槳葉的槳距產(chǎn)生相同的變化，這被用來(lái)改變槳葉 的拉力，周期變距操作改變的每片槳葉的槳距取決于它轉(zhuǎn)動(dòng)到哪個(gè)位置，這項(xiàng)操作被用于平衡前飛以及其他飛行條件下俯仰和滾轉(zhuǎn)方向的力矩。 攻角 當(dāng)攻角增加時(shí)，空氣流過翼型件轉(zhuǎn)移的范圍更大，從而導(dǎo)致空氣流速和升力的提升，隨著攻角的繼續(xù)增大，空氣想要平穩(wěn)地流過槳葉頂部會(huì)變得越來(lái)越困難。

在某點(diǎn)氣流開始在槳葉后發(fā)散而進(jìn)入湍流模式，這種現(xiàn)象會(huì)大大地增加升力，并且導(dǎo)致湍流區(qū)域的升力減少，在達(dá)到這個(gè)點(diǎn)之前，升力隨著攻角的增大而增大。攻角 超過這個(gè)點(diǎn)的話，會(huì)導(dǎo)致失速以及升力劇烈減小的現(xiàn)象。不能把槳距角與攻角的概念混淆，攻角取決于相對(duì)來(lái)流的方向，但你也可以通過改變槳距角來(lái)改變攻角，他 們兩個(gè)一同增大，一同減小。 升力的馬格努斯效應(yīng) 要解釋升力是如何產(chǎn)生的，應(yīng)該看一看在氣流中旋轉(zhuǎn)的圓筒，圓筒附近氣流的當(dāng)?shù)厮俣葢?yīng)該是圓筒那點(diǎn)的速度和來(lái)流速度的合成。

在圓筒上，頂端點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)速 度和來(lái)流方向一致，而底端點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)速度和來(lái)流速度方向相反。在圓筒前部有一個(gè)上洗流，在尾部有一個(gè)下洗流。表面氣流速度的不同造成了壓強(qiáng)的差別，頂部的壓 強(qiáng)要比下部的壓強(qiáng)小，低壓區(qū)產(chǎn)生了一個(gè)向上的力，這就是“馬格納斯效應(yīng)”。這個(gè)解釋了渦和升力之間的關(guān)系。 一片帶有正攻角的槳葉能夠產(chǎn)生渦，這是因?yàn)樗h利的后緣使它的后駐點(diǎn)保持在后緣，而使前駐點(diǎn)的位置在翼型前緣點(diǎn)之下。