飛行器家族中的“鐵蜻蜓”

秦嘉政

在飛行器家族中，有一類飛行器是十分特殊的，它們不需要專門在跑道上起飛、降落，不僅可以從任何地方垂直起降，而且可以在天上懸停甚至倒飛，這就是飛行器家族中的“鐵蜻蜓”——直升機(jī)。

直-20戰(zhàn)術(shù)通用直升機(jī)

直升機(jī)是如何飛起來的？

直升機(jī)最引人注目的部分就在于它頭頂上巨大的螺旋槳，這個(gè)螺旋槳的專業(yè)名詞叫作旋翼，意思為“旋轉(zhuǎn)的機(jī)翼”。旋翼的基本原理和家用電風(fēng)扇、竹蜻蜓玩具差不多，是通過加速空氣的流動(dòng)來獲得空氣的反作用力。直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)旋翼將空氣向下加速，空氣對(duì)直升機(jī)的旋翼就有向上的反作用力，當(dāng)這種反作用力大于飛機(jī)所受的重力時(shí)，直升機(jī)就能飛起來了。

竹蜻蜓

復(fù)雜的旋翼系統(tǒng)

直升機(jī)的飛行原理看似簡(jiǎn)單，但是要控制它平穩(wěn)飛行卻是十分復(fù)雜的，需要我們了解直升機(jī)的旋翼系統(tǒng)是如何工作的。

在講旋翼之前，有一個(gè)專業(yè)名詞我們必須要了解，那就是“槳距”。從生活中，你可以觀察到電風(fēng)扇、吹風(fēng)機(jī)、電腦散熱器的風(fēng)扇上，每個(gè)葉片都是傾斜一定角度的，這樣當(dāng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)起來時(shí)才能夠使空氣向著一個(gè)方向流動(dòng)，葉片和風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)平面之間的角度，就叫作槳距角。

早期飛機(jī)的螺旋槳都是活塞發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的，槳距也是固定的。到了二戰(zhàn)期間，為了提升戰(zhàn)斗機(jī)的性能，設(shè)計(jì)師將機(jī)頭的螺旋槳設(shè)計(jì)成變距槳——螺旋槳的轉(zhuǎn)速是不變的，增加槳距會(huì)增加螺旋槳的推力，反之會(huì)降低螺旋槳的推力，這樣更便于飛行員控制飛機(jī)的動(dòng)力。而直升機(jī)的旋翼使用的就是一種更加復(fù)雜的變距槳。

直升機(jī)內(nèi)的旋翼控制機(jī)構(gòu)

那直升機(jī)是如何在天上保持平衡的？飛行員又是如何控制直升機(jī)向各個(gè)方向飛行的呢？奧妙就在改變旋翼的槳距上。直升機(jī)的旋翼旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，它的槳距并不是一個(gè)固定的值，假如飛行員想讓直升機(jī)向前飛，首先需要讓直升機(jī)“低頭”，此時(shí)他控制旋翼，讓旋翼轉(zhuǎn)到后面的時(shí)候槳距變大，轉(zhuǎn)到前面的時(shí)候槳距變小，也就是說，旋翼在轉(zhuǎn)到直升機(jī)后面的位置時(shí)，給飛機(jī)的升力變大，轉(zhuǎn)到前面時(shí)，給飛機(jī)的升力變小，旋翼不斷旋轉(zhuǎn)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)讓飛機(jī)“低頭”的力矩。

飛機(jī)“低頭”后，再將槳距變?yōu)楹愣ㄖ担瑲饬鲗?duì)旋翼的推力就是向斜前方的——可以分解為向上的升力和向前的推力，直升機(jī)就可以向前飛行了。同理，通過控制旋翼轉(zhuǎn)到哪一邊槳距大、哪一邊槳距小，便可以讓直升機(jī)向指定的方向飛行。而當(dāng)操縱每個(gè)方向的槳距一起變大或者一起變小時(shí)，直升機(jī)就會(huì)上升或者下降。

其實(shí)這里面還含有一個(gè)冷知識(shí)：和許多人設(shè)想的不一樣，直升機(jī)飛行時(shí)旋翼轉(zhuǎn)速是基本不變的——飛機(jī)上升、下降或改變飛行方向，飛行員改變的只是旋翼的槳距。

變距旋翼是這樣工作的

長相奇特的直升機(jī)

大部分直升機(jī)的結(jié)構(gòu)大同小異，螺旋槳都是一大一小——機(jī)身上面有個(gè)大大的主槳，尾部還有個(gè)小小的尾槳，而且有一些尾槳是藏在洞里的。也有些直升機(jī)長相奇特，它們有的前后兩個(gè)都是主槳，縱列排列；有的兩個(gè)主槳摞起來，反向旋轉(zhuǎn)，尾部也沒有尾槳，這都是為什么呢？

美國CH-46“海騎士”運(yùn)輸直升機(jī)

俄羅斯Ka-29反潛直升機(jī)

咱們首先來了解尾槳存在的意義。大部分直升機(jī)都有尾槳，但是尾槳并不能產(chǎn)生升力，那它有什么用呢？

前面講過，螺旋槳在空氣中旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生升力，同時(shí)空氣會(huì)給螺旋槳一個(gè)阻力。螺旋槳受到的空氣阻力被轉(zhuǎn)化為了扭矩，這是一種“使物體旋轉(zhuǎn)”的驅(qū)動(dòng)力，扭矩沿著螺旋槳中間的軸傳送給了機(jī)身。如果螺旋槳向左轉(zhuǎn)，直升機(jī)的機(jī)身就會(huì)跟著向右轉(zhuǎn)。顯然，這樣直升機(jī)沒辦法飛行。所以，設(shè)計(jì)師在離旋翼較遠(yuǎn)的地方安裝了一個(gè)小小的尾槳，尾槳旋轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)力矩，正好能夠抵消機(jī)身旋轉(zhuǎn)的力矩，直升機(jī)才能直線飛行。尾槳對(duì)直升機(jī)飛行至關(guān)重要，這也就是為什么你在電影里看到直升機(jī)尾槳受損后，都是打著轉(zhuǎn)掉下去的。

如果直升機(jī)有兩個(gè)主槳，而且它們的轉(zhuǎn)速相同，旋轉(zhuǎn)方向相反，會(huì)有什么結(jié)果呢？結(jié)果是兩個(gè)主槳產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩正好抵消，直升機(jī)就不需要尾槳了。所以一些特殊構(gòu)型的直升機(jī)，比如縱列雙旋翼構(gòu)型、共軸反轉(zhuǎn)旋翼構(gòu)型的直升機(jī)，就見不到尾槳了。但是這些構(gòu)型的直升機(jī)也有不足之處，雙主槳的結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，研發(fā)和保養(yǎng)難度都更大，所以目前大部分直升機(jī)還是采用單旋翼帶尾槳的構(gòu)型。

新型直升機(jī)：打破飛不快的魔咒

直升機(jī)最大的長處就是能夠垂直起降，但是它也有一個(gè)致命的缺點(diǎn)——飛不快。

直升機(jī)飛不快，并不是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力不夠，而是因?yàn)橹鄙龣C(jī)飛行原理的“先天不足”。直升機(jī)在靜止不動(dòng)時(shí)，旋翼上任何相同半徑位置上的槳葉和空氣的相對(duì)速度都是一致的?？僧?dāng)直升機(jī)向前飛起來之后，單旋翼直升機(jī)總有一側(cè)的旋翼槳葉是相對(duì)于機(jī)身向后轉(zhuǎn)的，而另一側(cè)是向前轉(zhuǎn)的，這會(huì)導(dǎo)致在直升機(jī)左右兩側(cè)對(duì)稱的位置，旋翼和空氣相對(duì)速度不一樣，升力也不一致。雖然直升機(jī)可以依靠槳距調(diào)節(jié)器來平衡左右的升力差距，但效果是有限的。直升機(jī)的最大時(shí)速很少能夠超過300 千米，因?yàn)檫^高的速度會(huì)導(dǎo)致直升機(jī)左右對(duì)稱位置處的旋翼速度差距過大，從而失去升力，甚至有發(fā)生翻滾的危險(xiǎn)。為了避免出現(xiàn)這種情況，單旋翼直升機(jī)的速度會(huì)有一個(gè)上限——這被稱為直升機(jī)的臨界速度。你看，不到300 千米的時(shí)速甚至比不過現(xiàn)在的高鐵呢。

為了突破臨界速度，近年來出現(xiàn)了若干種混合式高速直升機(jī)。這些直升機(jī)水平飛行時(shí)，有的依靠固定機(jī)翼提供升力，有的使用一對(duì)共軸反轉(zhuǎn)旋翼來提供升力。它們都是直升機(jī)的發(fā)展方向。

旋翼飛行器大家族

除了直升機(jī)，實(shí)際上還有很多其他通過旋翼來飛行的飛行器。

比如現(xiàn)在最先進(jìn)的垂直起降飛行器——傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)。嚴(yán)格來說，傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)屬于橫列式雙旋翼直升機(jī)的變種。在起降時(shí)，它的兩副旋翼垂直向上，這時(shí)對(duì)它的操控和對(duì)直升機(jī)的一致；在起飛后，它的兩副旋翼會(huì)轉(zhuǎn)向前方變成一對(duì)螺旋槳，此時(shí)飛機(jī)將作為固定翼飛機(jī)飛行。

這種飛行器不受直升機(jī)臨界速度的影響，既能夠像直升機(jī)那樣垂直起降，還兼具傳統(tǒng)固定翼飛機(jī)速度快和省油的優(yōu)勢(shì)。但是它價(jià)格昂貴，且由于升力系統(tǒng)需要變形，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以事故率居高不下。目前，美國投入了大量人力與資金對(duì)此進(jìn)行研發(fā)，已經(jīng)初見成效。

還有一種很像直升機(jī)的飛行器，叫作旋翼機(jī)。這種飛機(jī)上也有一副旋翼，還有一個(gè)用于推進(jìn)的螺旋槳。但和直升機(jī)不同，它的旋翼沒有動(dòng)力，只由空氣推動(dòng)來旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生升力。旋翼機(jī)不需要反扭矩用的尾槳，但同時(shí)也失去了垂直起飛的能力，需要像固定翼飛機(jī)一樣滑跑起飛，好在它滑跑的距離非常短。由于沒有發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的復(fù)雜的旋翼系統(tǒng)，所以旋翼機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操縱它自然也十分簡(jiǎn)單。它的飛行速度只有幾十千米每小時(shí)，和街上的汽車差不多快。因?yàn)楹?jiǎn)單的外形、緩慢的速度和低廉的價(jià)格，它被稱為“空中三蹦子”，在軍事和民用領(lǐng)域都很受歡迎。

直升機(jī)因其可以垂直起降的特性，除了在軍事上有應(yīng)用外，在民用運(yùn)輸、抗震救災(zāi)、森林滅火、維護(hù)治安等領(lǐng)域也能大顯身手。目前直升機(jī)制造業(yè)是世界各國爭(zhēng)相發(fā)展的熱門產(chǎn)業(yè)，我國在直升機(jī)研發(fā)領(lǐng)域起步較晚，但是發(fā)展迅速，目前軍用、民用直升機(jī)都已接近或達(dá)到世界先進(jìn)水平。未來，隨著無人直升機(jī)、電動(dòng)直升機(jī)等新技術(shù)、新產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用，直升機(jī)將成為飛行器家族中一顆耀眼的明星。