直升機的一字葉片和十字葉片各有什麼優勢特點?


前面都是鋪墊,答案請見最後。

此外,強力推薦樓下@skywalkerhan的答案

圖都是百度、古狗搜來的,不樂意轉的請告訴俺。

答案大部分都是自己平時看書上網自己總結來的,如有錯誤歡迎指正。尤其歡迎@黃昱 這種好人。為什麼好請見:http://www.zhihu.com/question/20476740

1,直升機不是只有兩片或者四片槳葉的。

CH-47前後各有三片槳葉:

Mi-24和Mi-28都是五片槳葉:

MH-53早期型號是七片槳葉:

MH-53後期型號的槳葉經過重新設計,變成了六片:

世界上最大的量產直升機,Mi-26總共是八片槳葉:

2,通常來說,直升機起飛重量越大,槳葉數量也就越多。

最典型的就是AH-1眼鏡蛇直升機。早期型號的AH-1一直是兩片槳葉,最新型的AH-1Z超級眼鏡蛇,則由於增加了起飛重量,所以重新設計了槳葉,槳葉數量提升至四片。

早期型號的AH-1,最大起飛重量大概是4.5噸的樣子:

這是AH-1Z(左下),最大起飛重量標稱6.9噸,據說能達到8噸:

3,展開來講直升機槳葉的知識

由於直升機在前進,那麼兩片槳葉在左邊和右邊的相對於空氣的速度是不一樣的:

如圖所示,左側槳葉尖端的速度是V1+V2,右側槳葉的速度是V1-V2。

由於槳葉是會產生升力的(原理類似飛機,http://www.zhihu.com/question/20085950/answer/13927381),而速度越大,升力越大,這就會造成左右兩側的升力不同,左側升力大於右側升力,導致直升機的滾轉。

為了解決這個問題,神奇的發明家發明了一個叫做「揮舞鉸」的東西,允許槳葉在左右兩側分別向上、向下斜線運動。紫色葉片斜向上運動,葉片與水平面夾角不變,但運動軌跡斜向上,與空氣的夾角變小,產生的升力變小;紅色葉片斜向下運動,葉片與水平面夾角不變,但運動軌跡斜向上,與空氣的夾角增大,產生的升力變大。這樣,左右的升力就平衡了。

右側的紅色槳葉如圖所示:

左側的紫色槳葉,就是角度2變成負的,於是實際迎角變小了。

(其實僅僅解決升力平衡問題還遠遠不夠,還有一個叫做科里奧利效應的東西需要解決,於是還有個「擺振鉸」,但是那玩意兒我也沒有弄得十分清楚,就不展開說了。)

此外,除了用"揮舞鉸"讓槳葉上下飛舞以外,槳葉本身也必須是柔性的,否則會造成鉸鏈的巨大磨損,槳葉本身也會承受不住葉尖與葉根巨大的升力差而折斷,所以我們會看到直升機在地面停放著的時候,槳葉都是耷拉下來的。

地面停放的AH-64,槳葉很明顯下垂了(攝影專家們:這不完全是廣角鏡造成的透視效果):

這下不是廣角鏡頭造成的透視效果導致的槳葉下垂了:

飛行中的阿帕奇,槳葉被「甩」直,甚至有一定的上反角。

此外,槳葉的長度不可以無限制的增加。原因引用評論里@skywalkerhan 的表述:

在翼形的設計上,槳葉切面迎角隨著r的增加會逐漸減小,這就克服了翼尖的上揚。不能過長的原因一是尺寸大了不好起降,二是翼尖運動速度過大了會產生激波,而為了避免激波又要降低轉速,成了矛盾,所以就取了一個合適的尺寸實現效率最大化。

從@skywalkerhan 的評論里也能看出,槳葉的旋轉速度也不能無限增加。

既然槳葉的長度不可能無限增加,槳葉的旋轉速度也不能無限增加,那麼自然就要增加槳葉的數量,來提高槳葉所能帶來的升力。

4,特殊的雙槳葉旋翼

剛才介紹過了,直升機的葉片需要揮舞鉸來保證葉片上下飛舞,平衡升力,而實際上旋翼的結構遠沒有那麼簡單。一個完整的槳葉根部需要周期距控制(控制旋翼整體傾斜)、一個總距控制(控制漿距,也就是控制升力)、一個揮舞鉸(剛才說過了)、一個擺振鉸和相應的擺振阻尼器(太複雜我也沒太明白),當然,還有旋轉的漿榖(就是中間的軸)。

而雙葉漿有一個特殊的地方:只有兩片槳葉,那麼一片槳葉在左側,另一片槳葉必然在右側,沒有其他的葉片干擾。於是科學家發明了一個叫做「蹺蹺板」的東西(這東西,玩直升機航模的人應該耳熟能詳),把兩片槳葉強制與漿榖連接在一起,強迫一側槳葉上升的時候另一側槳葉必須下降,簡單地設計就完美的解決了揮舞鉸和擺振鉸這倆麻煩玩意兒。

這是原理圖:

找了半天也沒找到UH-1的蹺蹺板連接的詳細照片,淘寶上隨便搜了個模型用的蹺蹺板,看起來跟上面那示意圖裡的差不多,湊合看吧:

於是,雙葉旋翼有著獨到的好處:結構簡單、可靠,成本低,但輸出的升力受限。想要提升升力要麼增大旋翼直徑(前面說了不可能無限增加,超過一定限度也會導致阻力上升);要麼提高轉速(也不是無限提升,葉尖會受不了的,雜訊也會大的驚人)。

最典型的,就是之前出現過的AH-1早期型號:

以及AH-1的大哥,越戰中露臉最多的UH-1:

終於說完了,歸結起來有這麼兩點:

  1. 旋翼多通常代表起飛重量大。
  2. 雙葉比起多葉來說,有著結構簡單可靠成本低的特點,但直升機總重量受限。


謝謝邀請。首先修正概念。

樓主所說的一字葉片,正式名稱應該叫做「蹺蹺板」式旋翼,是貝爾的專利,使用最多的是貝爾系列直升機,基本也只有他一家在使用。代表機型是UH-1休伊,和AH-1眼鏡蛇。

蹺蹺板旋翼系統最大的優點,就是結構簡單,製造成本低,故障率低,維護方便。

十字葉片,沒有這個稱呼,四片槳葉也沒有固定的稱呼,就是四片槳葉結構的單旋翼系統。其實旋翼槳葉的數量是隨著直升機最大起飛重量的增加而增加的,比如輕型、小型的3-4片,如松鼠3片,貝爾406,4片,海豚4片,中型如米-8、米6、EH101是5片,CH53是6片,重型,米-26是8片。

槳葉增加,目的就是三個,一是減輕每片槳葉承受的力,從而增加整個旋翼系統的效能;二是降低旋翼轉速;三是操縱性變好了。缺點當然就是結構複雜,製造成本相應提高。新的AH-1Z也從蹺蹺板旋翼系統更換為四片槳葉了,就是追求性能的提升。

總體來說沒有什麼各自的優缺點,就像三輪車你沒必要給它多裝一個輪子一樣,經濟夠用的就是適合這個機型的。


補充skywalkerhan

蹺蹺板式旋翼另外一個好處就是便於運輸(空運或者艦載),UH-1因為其在越戰過程中便於運輸,使其成為生產量最大的直升機。儘管如今的多片槳葉的直升機都有旋翼摺疊設計,但是其摺疊必然帶來旋翼槳轂設計複雜,以及摺疊槳葉安全性方面的考慮。而蹺蹺板式旋翼可以直接沿著機身方向放置,減少佔用空間。

蹺蹺板式旋翼的UH-1

槳葉向後摺疊的黑鷹

裝載中黑鷹,可以看到其槳葉摺疊。

抱歉沒有找到UH-1的裝載圖。

此外,噪音也是考慮的因素。


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