飛行模擬--4.直升機飛行與操縱原理

以下文章來源：微信公眾號 無風夜雪

1. 直升機的受力分析

牛頓第二定律揭示了力是改變物體運動狀態的根本原因，要理解直升機的飛行一操縱原理首先就要對直升機整體進行受力分析。《直升機飛行動力學》一書對直升機的受力狀態和分析做了較詳細的分析和說明，此處以典型單旋翼直升機為例，簡要概之。

按照力的性質分，直升機的合力是有各個部件的空氣動力與重力的的合成。在直升機飛行動力學中，把旋翼槳葉和槳轂上的空氣動力與離心力合成為槳心六力素。這六力素分別為拉力、側向力、後向力、反扭矩、槳轂力矩、離心力，部分力和力矩如下圖所示：

拉力T的定義是過槳轂中心垂直於槳尖平面，向上為正，是各片槳葉的升力和阻力在垂直於槳尖平面的軸方向上的合力。拉力主要受總距控制，對直升機的升降和垂向配平具有決定性作用。

側向力在槳尖平面上指向機體坐標系的Y軸，指向機頭右側為正，主要是槳盤平面傾斜、左右揮舞角導致的來流差產生的不對稱力造成的。側向力主要受橫向周期變距的控制，主要用於滾轉和傾側姿態的調整和配平。

後向力與側向力相似，只是位於縱剖面上指向機體尾梁方向為正，其產生主要有三部分原因，一是槳盤的前後傾側；二是前行與後行槳葉的阻力差；三是揮舞導致的來流差異產生的升力在槳尖平面的分。後向力主要受縱向周期變距的控制，主要用於俯仰姿態的調整和配平。

反扭矩幾乎是所有直升機的一大特性，因扭矩的方向總是與旋翼轉的方向相反，故稱反扭矩。其產生主要是由槳葉在槳尖平面的阻力分量對槳轂旋轉中心的矩導致的。反矩的平衡實際是由尾槳產生的拉力在對質心矩與反扭矩抵消而間接控制的，主要用於航向角的調整和配平。

所以，典型單旋翼直升機飛行模擬中的操縱輸入一般就有為油門總距、橫向周期變距、縱向周期變距、尾槳槳距。

2.直升機的操縱原理

旋翼是直升機產生升力的主要部件，整個飛行姿態和運動都依賴於對旋翼升力的控制，當然也離不開諸如尾槳、平尾等穩定性部件的操縱，但無疑旋翼是最主要的。旋翼產生升力的主要部件是槳葉，而槳葉產生升力的機制與固定翼飛機一樣，翼型上下表面流速不一樣導致翼面上下出現壓差即產生了升力。對於直升機來說，轉速主要是飛控系統和機械系統綜合控制的，正常飛行時一般是恆定的，所以旋翼升力的控制就是調節槳葉的槳距角的從而改變槳葉的迎角。值得一提的是槳葉的槳距角和迎角並不是一個角，槳距角與來流角的代數和方為迎角，其實質就是來流速度與氣動弦線的夾角如下圖所示：

儘管旋翼的控制結構複雜且多樣，但原理相似，均通過變距桿實現操縱輸入。操縱的本質都是通過輸入量改變氣動迎角或整個槳盤的姿態實現力和力矩的操縱，進而控制整機的運動姿態。以蹺蹺板式旋翼頭控制機構最為經典，如下圖所示：

飛行員通過操縱旋翼的總距桿操縱總距的輸入，且總距桿一般是拉放式，向上拉總距桿增加總距角，放總距桿則減小總距角。收放總距桿會通過一系列機械鉸鏈和連桿帶動總距套筒的上下運動，使整個自動傾斜器的上下盤一起上下運動，其結果就是使所有槳葉同時增加或減小一個槳距角。總距的效果是改變所有槳葉的升力，最終改變的是整個旋翼上的拉力大小。周期變距的輸入原理與總距相似，但是橫向和縱向周期變距的輸入在自動傾斜器的下盤中成90°周向分布，下轉盤不旋轉但可以傾斜。上盤的旋轉搖臂將總距與周期變距綜合為一個角作為槳葉的槳距角輸入量，實際的槳距角還包括旋翼製造設計的扭轉角。

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