直升機飛行原理與操縱

庹宗康 · 發表於 2012-11-10 20:24:54

直升機的飛行原理

直升機的起飛、飛行、降落等各動作主要是依靠各旋翼來完成的。主旋翼槳葉轉動時會產生與空氣相對的上升氣流，自然形成上升力。在利用旋翼的旋轉速度與各槳葉的角度變換，致使飛機完成起飛、升高、降落等多種不同的飛行動作。直升機向前飛行，是由於各槳葉的角度在不同位置時，按固定規律變化所產生的。旋翼產生的拉力相對於旋轉軸向前傾斜，拉動直升機前進。使直升機向左或向右飛行也是同樣的道理。直升機飛行方向改變時，基本原理是利用尾旋翼的可變角度或（帶尾馬達的、速度）產生的。因為主旋翼旋轉時機身會產生扭力作用，扭力作用使機身不停的轉圈，無法正常飛行。所以必須加設一個尾旋翼來抵消扭力，平衡機身不旋轉，但單靠尾旋翼來平衡是不夠的，這就需要使用陀螺儀了，它可以根據機身的擺動多少，自動作出補償給伺服器（舵機），去改變尾旋翼角度，平衡機身。

直升機維持飛行的動力，來自於其不斷旋轉的旋翼。旋翼旋轉產生升力：當旋翼葉片與相對氣流之間的角度變大，發動機同時加大功率，旋翼產生的升力大於飛機重量，於是上升；反之，則下降；相同，則處於懸停或平飛狀態。要使直升機前進一般是操縱遙控桿使各槳葉的角度在不同位置時按一定規律變化，旋翼產生的拉力相對於旋轉軸向前傾，拉動直升機前進。使直升機向左或向右飛行也是同樣的道理。平衡翼對靈敏度影響很大，在旋轉的過程中，平衡翼因週期性的攻角變化而作週期性的上下細微擺動，平衡翼上下擺動幅度越大，主旋翼攻角差也就越大，攻角差越大，升力差也就越大機體的動作量也越大，而能改變平衡翼上下擺動幅度的就是平衡翼攻角、重量、面積、平衡桿長度平衡翼片中心軸位置、轉速 ... 等,一般情況下大面積、輕量的平衡翼片，重量較輕，陀螺效應越小，越容易上下擺動，拉動的主旋翼角度越大，升力差也就越大，翻滾動作也就越快速。

固定翼航空器的飛行升力源自固定在機身上的機翼。當固定翼航空器向前飛時，機翼與空氣之間發生相對運動，進而產生升力。直升機的升力產生原理與機翼相似，只不過這個升力是來自於繞固定軸旋轉的「旋翼」。旋翼不像飛機那樣依靠整個機體向前飛行來使機翼與空氣產生相對運動，而是依靠自身旋轉產生與空氣的相對運動。但是，在旋翼提供升力的同時，直升機機身也會因反扭矩（與驅動旋翼旋轉等量但方向相反的扭矩，即反作用扭矩）的作用而具有向反方向旋轉的趨勢。對於單旋翼直升機，為了平衡反扭矩，常見的做法是以另一個小型旋翼，即尾槳，在機身尾部產生抵消反向運動的力矩。對於多旋翼直升機，多采用旋翼之間反向旋轉的方法來抵消反扭矩的作用。

(簡單來說)：
基本上是藉著上面的大螺旋槳旋轉將空氣往下吹而使直昇機飛起

方向的控制就是螺旋槳的角度改變所控制

但若螺旋槳順時鐘方向轉..反作用力會使直昇機逆時鐘方向轉

故機尾有一個小螺旋槳將這反作用力抵銷而穩定

或是大型運輸用直昇機上面是兩個大螺旋槳..一順一逆的旋轉

飛行操作

升降　有些讀者可能會認為，直升機在垂直方向上的升降是通過改變主螺旋槳的轉速來實現的。誠然，改變主螺旋槳的轉速也不失為實現機體升降的方法之一，但直升機設計師們很早之前便發現，提升主螺旋槳輸出功率會導致機身整體負荷加大。所以，目前流行的方法是在保持主螺旋槳轉速一定的情況下依靠改變主螺旋槳槳葉的傾角來調整機身升力的大小。駕駛員可通過總距杆完成這項操作。當把總距杆向上提時，主螺旋槳的槳葉傾角增大，直升機上升；反之，直升機下降。需要保持當前高度時，一般將總距杆置於中間位置。

平移　直升機最大飛行優勢之一是：可以在不改變機首方向的情況下，隨時向各個方向平移。這種移動是通過改變主螺旋槳的旋轉傾角來實現的。當駕駛員向各個方向扳動週期變距杆時，主螺旋槳的主軸也會發生相應的傾斜。此時，主螺旋槳所產生的推力分解為垂直和水平兩個方向的分力，垂直方向的分力依舊用於保持飛行高度，水平方向上的分力可使機身在該方向上產生平移。

需要指出的是，以上分析是將主螺旋槳看作一個整體而得出的。如果我們把目光投向每一片槳葉的受力情況，將呈現出更為複雜的情況。直升機螺旋槳的橫截面與普通飛機機翼的橫截面類似，均為頭粗尾尖的紡錘型或半紡錘型。當槳葉劃過空氣時的切入角度發生變化時，槳葉所產生的升力也會隨之改變。而在直升機主螺旋槳的旋轉面偏離水平面的情況下，單片槳葉劃過空氣的切入角度將隨著螺旋槳的轉動而發生週期性的變化。同理，該片槳葉所產生的升力也會表現為週期性的改變。這也是駕駛艙中控制主螺旋槳主軸角度的操縱杆被稱為週期變距杆的由來。以四槳葉結構的螺旋槳為例，當其旋轉面發生傾斜時，相對的兩片槳葉所產生的升力差同樣會對機身的飛行姿態和移動方向造成影響。事實上，設計師正是利用了這種升力差，才能夠使直升機在空中靈活自如地飛行。

旋轉　那麼直升機又是如何在水平面上進行旋轉的呢？這個功能是通過直升機的尾螺旋槳來完成的。對於只裝有一具主螺旋槳的直升機來說，如果把機身和主螺旋槳看作一對施力和受力物體的話，主螺旋槳旋轉所產生的反作用力必然會使機身向相反的方向轉動。要保持機身的穩定，就必須增加一個額外的力矩來抵消這種旋轉，這也是設計師在直升機尾部安裝尾螺旋槳的原因。當直升機處於直線飛行時，尾槳的推力力矩與主槳的反作用力矩剛好構成一對平衡力矩，而只需改變尾槳的輸出功率機身就可以在水平面上進行旋轉。大多數直升機都是通過駕駛席前方的一對腳踏板來調整機頭方向。有了上面的分析，我們就不難理解這對踏板實際控制的是尾槳的功
率。

　　
通過上面的介紹，相信讀者已經對直升機的駕駛和飛行原理有了初步的瞭解。事實上，直升機的每一個動作都是上述三個基本控制系統共同作用的結果。以起飛為例，直升機在起飛時通常是先啟動主螺旋槳，使飛機垂直升至1～1.5米的高度，然後駕駛員會一方面加大主螺旋槳的槳葉傾角來加快爬升，另一方面還會讓主螺旋槳向前傾斜以提升飛行速度。隨著主螺槳旋功率的增加，駕駛員還需不斷調整尾螺旋槳的功率使機身保持直線飛行。可以說直升機在飛行中的每時每刻都貫穿著數個力的平衡與失衡，所以直升機的作業系統看似簡單，要想真正掌握卻絕非易事。