萬博士的航空講堂深入篇 [7]

萬志強(qiáng)

六、直升機(jī)的機(jī)動性

直升機(jī)的機(jī)動性是指其通過改變飛行速度、高度和航向達(dá)到改變自身空間狀態(tài)的特性。

越南戰(zhàn)爭期間，美軍先后投入了 4 000多架各種類型的直升機(jī)，共出動3 700萬架次，損失了2 000多架，可以說是直升機(jī)經(jīng)歷的一場大規(guī)模戰(zhàn)爭“洗禮”。經(jīng)過此次戰(zhàn)爭，所獲的經(jīng)驗之一就是：提高直升機(jī)的機(jī)動過載能力，能夠有效提高其對地攻擊的突防生存力。之后，在直升機(jī)研發(fā)中，一直強(qiáng)調(diào)過載能力，并將它作為直升機(jī)機(jī)動性的一條準(zhǔn)則。近30年來，在世界上發(fā)生的幾次重大軍事沖突中，直升機(jī)都被廣泛用于作戰(zhàn)，從對地攻擊、隱蔽突襲到空戰(zhàn)格斗。因此可以預(yù)見，直升機(jī)對直升機(jī)的空中對抗將在所難免，這種飛行器也會像固定翼飛機(jī)那樣進(jìn)行空戰(zhàn)。而為了取得空戰(zhàn)勝利，必須提高直升機(jī)的機(jī)動性。

與固定翼飛機(jī)的機(jī)動性類似，直升機(jī)的機(jī)動性本質(zhì)是由其產(chǎn)生過載的能力所決定?？v向過載引起直升機(jī)在鉛垂平面內(nèi)運(yùn)動軌跡的彎曲；側(cè)向過載引起直升機(jī)在水平面內(nèi)運(yùn)動軌跡的彎曲；航跡方向（前進(jìn)、后退方向）的過載則引起了沿航跡飛行速度的變化，也就是減慢或加快直升機(jī)的飛行速度。根據(jù)以上論述，可以認(rèn)為過載是判斷直升機(jī)機(jī)動性的主要準(zhǔn)則。過載的范圍及過載的變化速率越大，直升機(jī)的機(jī)動性越好。

直升機(jī)實施機(jī)動飛行時按其飛行軌跡可分成為：

①水平面內(nèi)的機(jī)動，如加速和減速、盤旋、轉(zhuǎn)彎、水平“S”字機(jī)動、蛇形機(jī)動等；

②鉛垂平面內(nèi)的機(jī)動，如急躍升和俯沖；

③空間立體機(jī)動，如盤旋下降、戰(zhàn)斗轉(zhuǎn)彎、躍升中的回旋和轉(zhuǎn)彎。

這些動作都屬于簡單特技。此外，還有一些復(fù)雜的特技動作：筋斗、橫滾、倒飛等。通常武裝直升機(jī)機(jī)動性好，可以完成上述機(jī)動動作；而普通的運(yùn)輸類直升機(jī)機(jī)動性一般，只能完成上述部分動作。

1、直升機(jī)典型的機(jī)動動作

下面介紹幾種典型的機(jī)動飛行。

（1）水平直線加速機(jī)動

做水平直線加速機(jī)動時，直升機(jī)高度保持不變，駕駛員通過操縱使槳盤向前傾斜，旋翼拉力F增大（圖1）。此時，F(xiàn)的鉛垂分力F1平衡直升機(jī)自身的重力；F的水平分力F2指向平飛方向，提供向前的加速度，使直升機(jī)水平加速飛行。

速度加大后，機(jī)身阻力也隨之增大，當(dāng)水平分力F2與阻力相等時，直升機(jī)的平飛加速度等于零，直升機(jī)會在一定的飛行速度下平飛。若要使其保持水平直線加速飛行，則要繼續(xù)增大槳盤傾斜角和旋翼拉力。

（2）水平轉(zhuǎn)彎

直升機(jī)水平轉(zhuǎn)彎指其在保持一定高度和一定速度的情況下進(jìn)行轉(zhuǎn)彎，即所謂的等高、等速水平轉(zhuǎn)彎（圖2）。這種情況下，駕駛員通過操縱使直升機(jī)槳盤側(cè)傾，使旋翼拉力F增加。此時，F(xiàn) 的鉛垂分力F1平衡直升機(jī)所受重力，以保持高度不變；F的水平分力F2指向一側(cè)（左轉(zhuǎn)彎時指向左側(cè)，右轉(zhuǎn)彎時指向右側(cè)），充當(dāng)“向心力”——直升機(jī)作水平轉(zhuǎn)彎所需要的側(cè)力。超過360°的水平轉(zhuǎn)彎稱為盤旋。

值得注意的是，上面所說的直升機(jī)水平盤旋（轉(zhuǎn)彎）與固定翼的類似，但與直升機(jī)在懸停狀態(tài)下的懸?；剞D(zhuǎn)，則完全不同。懸?；剞D(zhuǎn)是通過直升機(jī)航向操縱完成的（對于單旋翼直升機(jī)來說是通過改變尾槳拉力/推力大小實現(xiàn)的）。

（3）垂直機(jī)動飛行

垂直機(jī)動飛行通常需要改變高度、速度、總距以及飛行姿態(tài)和航跡曲率半徑。做純圓的垂直筋斗（圖3），對于大多數(shù)直升機(jī)來說是較難辦到的。有的直升機(jī)為了展示筋斗飛行，僅僅能做一個在變化速度下的非圓形軌跡（圖4）。

實際飛行中的直升機(jī)在進(jìn)行各種機(jī)動飛行時，很難被限定在純垂直或純水平面內(nèi)，包括爬升/下滑、轉(zhuǎn)彎、加速/減速。

2、直升機(jī)貼地飛行

作為一種能在較長時間內(nèi)做超低空飛行的航空器，貼地飛行是直升機(jī)特有的飛行模式。特別是軍用武裝直升機(jī)，利用地形、地物作掩護(hù)，在貼近地面的高度上（一般稱作“一樹之高”）隱蔽接近攻擊目標(biāo)，常常能取得最佳的作戰(zhàn)效果。

貼地飛行一般有三種情況（圖5）：

①直升機(jī)在貼近地面的高度上飛行，一般離地面不超過10米，以不變的速度作低空飛行；

②隨地形起伏做跟蹤飛行；

③利用地形、地物作掩護(hù)以不同高度、不同速度做掠地飛行。

掠地飛行的難度最大，常常被用作武裝直升機(jī)的戰(zhàn)術(shù)動作，在戰(zhàn)爭中實用價值也較大。這種飛行要求駕駛員必須時刻準(zhǔn)確判斷直升機(jī)與地面之間的距離，并及時改變飛行高度與速度，有時甚至要采用迅猛操縱動作。因為飛行高度很低，通常氣流也比較亂（圖6），又難以依靠機(jī)載設(shè)備和地面設(shè)備導(dǎo)航，所以掠地飛行時駕駛員工作負(fù)荷很重，也具有較大的危險性。

3、模型直升機(jī)的機(jī)動飛行

模型直升機(jī)由于尺寸小、動力足，因此具有比載人直升機(jī)更好的機(jī)動性。遙控特技模型直升機(jī)和花式飛行模型直升機(jī)是其中機(jī)動性最好的。以下是幾個比較典型的模型直升機(jī)特技動作：眼鏡蛇橫滾、后退空翻、古巴8字、上升倒轉(zhuǎn)帶360°自轉(zhuǎn)（圖7）、自旋著陸帶180°轉(zhuǎn)彎（圖8）。

七、直升機(jī)旋翼的槳葉

旋翼系統(tǒng)是為直升機(jī)提供升力的部件。因為升力產(chǎn)生于旋翼槳葉與空氣的相對運(yùn)動，所以在設(shè)計槳葉時對空氣動力特性有嚴(yán)格要求。此外，由于旋翼在旋轉(zhuǎn)過程中震動比較嚴(yán)重，因此對其槳葉還有動力學(xué)和疲勞方面的要求。

旋翼槳葉的發(fā)展建立在旋翼理論以及材料和工藝的基礎(chǔ)上。依據(jù)槳葉發(fā)展的先后順序，有混合式槳葉、金屬槳葉和復(fù)合材料槳葉三種形式。混合式槳葉是指由金屬材料和木材混合制成的槳葉，在20世紀(jì)50年代后期逐漸被全金屬槳葉所代替。而目前，先進(jìn)的直升機(jī)大多采用復(fù)合材料槳葉。本文重點(diǎn)介紹金屬槳葉與復(fù)合材料槳葉的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。因尾槳槳葉與旋翼槳葉類似，這里不再贅述。

1. 金屬槳葉

金屬槳葉由鋁合金大梁和膠接在后緣上的后段件組成。后段件外面包有金屬蒙皮，中間墊有泡沫塑料或蜂窩支持件（圖9）。這種槳葉較之早期的混合式槳葉氣動效率高、剛度好，而且加工比較簡單、疲勞壽命較高，因此逐漸替代了混合式槳葉。第二代直升機(jī)的旋翼基本上都使用金屬槳葉。根據(jù)大梁的形狀和成型工藝不同，金屬槳葉又可分為空心擠壓梁槳葉、C形擠壓梁槳葉、管梁槳葉和多閉腔組合梁槳葉。

2. 復(fù)合材料槳葉

20世紀(jì)70年代初，復(fù)合材料開始在旋翼槳葉中使用，使旋翼槳葉進(jìn)入了一個新的發(fā)展階段。根據(jù)大梁典型剖面結(jié)構(gòu)形式的不同，復(fù)合材料槳葉構(gòu)型可分為C形梁單閉腔結(jié)構(gòu)、D形梁雙閉腔結(jié)構(gòu)和多閉腔結(jié)構(gòu)等。

圖10是“海脈”直升機(jī)的復(fù)合材料槳葉結(jié)構(gòu)，為多閉室結(jié)構(gòu)。主承力件C形大梁主要承受離心力并提供大部分彎曲剛度。它由抗拉和抗彎曲方面比剛度和比強(qiáng)度較高的零度單向玻璃纖維預(yù)浸帶構(gòu)成。翼型前部和后部各布置一個Z形梁，與蒙皮膠接在一起，使槳葉剖面形成多閉室結(jié)構(gòu)承擔(dān)扭矩；另外，全部采用與槳葉展向成±45°的碳纖維布作為蒙皮，以提高槳葉的扭轉(zhuǎn)剛度。槳葉主體則使用泡沫塑料作為內(nèi)部支持件，前緣包有不銹鋼片防止磨蝕。

復(fù)合材料槳葉根部連接的方式是一個突出的問題。為了不切斷纖維，通常是將纖維纏繞在金屬件上，以使槳根結(jié)構(gòu)干凈光滑，沒有明顯的應(yīng)力集中，不僅提高了疲勞強(qiáng)度，也大大減少了維護(hù)工作量。

第三、第四代直升機(jī)的旋翼基本上都使用復(fù)合材料槳葉。

模型直升機(jī)方面，受技術(shù)和成本限制，以前大都使用木質(zhì)旋翼槳葉，外覆熱縮膜；而目前，高級別模型直升機(jī)基本都采用碳纖維復(fù)合材料旋翼槳葉和尾槳槳葉，其構(gòu)造與載人直升機(jī)有相似之處（圖11-圖13）；一些玩具類的模型直升機(jī)則使用塑料旋翼槳葉和尾槳槳葉（圖14）。（未完待續(xù)）