十分鐘就能讀懂的直升機飛行原理

直升機飛行原理涉及空氣動力學、飛行力學以及機械構造等很多方面的知識，本文供感興趣的朋友初步了解直升機飛行的一些基本原理。旋翼的拉力垂直於旋翼椎體的底面，當向上的拉力大於直升機自重，直升機就上升，小於直升機自重，直升機就下降，剛好相等，直升機就懸停。

　 圖：直升機飛行拉力的產生。

直升機飛行原理涉及空氣動力學、飛行力學以及機械構造等很多方面的知識，本文供感興趣的朋友初步了解直升機飛行的一些基本原理。

拉力的產生

　　直升機在地面停放時旋翼的槳葉會因為自身重量的作用呈自然下垂狀態。直升機飛行時，旋翼不斷旋轉，空氣流過槳葉上表面，流管變細，流速加快，壓力減小；空氣流過槳葉下表面時，流管變粗，流速變慢，壓力增大。這樣以來槳葉的上下表面就形成了壓力差，槳葉上產生一個向上的拉力。拉力大小受到很多方面影響，比如槳葉與氣流向遇時的角度、空氣密度、機翼的大小和形狀，還有和氣流的相對速度等。各槳葉拉力之和就是旋翼的拉力。

直升機飛行時，旋翼的槳葉會形成一個帶有一定錐度的底面朝上的大錐體，將其稱為旋翼椎體。旋翼的拉力垂直於旋翼椎體的底面，當向上的拉力大於直升機自重，直升機就上升，小於直升機自重，直升機就下降，剛好相等，直升機就懸停。

　　通過控制旋翼椎體向前後左右各方向的傾斜，就可以改變旋翼拉力的方向，從而實現直升機向不同方向的飛行。

「惱人」的反作用力

　　牛頓第三定律告訴我們「相互作用的兩個物體之間的作用力和反作用力總是大小相等，方向相反，作用在同一條直線上」。所以當直升機驅動旋翼旋轉時，旋翼也必然會對直升機產生一個反作用力矩，如果只有一個旋翼，沒有其他措施，直升機機體會進入「不由自主」的旋轉。

　為此設計者想了很多控制反作用力矩的方法，比如按照左右並排，前後縱列，上下共軸，交叉互切等布局給直升機裝上兩個大小相等，旋轉方向相反的旋翼來抵消相互的反作用力矩，再比如用噴氣引射和主旋翼下洗氣流的有利交互作用抵消反作用力矩，但是最簡單的還是在機尾裝一個垂直旋轉的小旋翼，稱之為尾槳，通過或「拉」或「推」的方式抵消反作用力矩，這也是現代大多數直升機普遍採取的方式。本文在探討有關問題時，除特殊說明外，均是指這種單旋翼帶尾槳的直升機。

　　通過控制尾槳「拉力」或「推力」的大小，可以達到使直升機偏轉的目的，從而實現直升機的轉向。

　槳葉揮舞

　　旋翼旋轉時做圓周運動，由於半徑關係，槳葉尖處線速度很大，而槳葉靠近圓心處的根部線速度很小，甚至幾乎為零，所以單片槳葉上各處產生的升力並不相同，靠近槳尖的地方產生最大的升力，而靠近根部的地方只產生很小的升力。

此外當直升機前進時，旋翼中的前行槳葉（向機頭方向轉動的槳葉）的相對氣流速度高於後行槳葉（向機尾方向轉動的槳葉）的相對氣流速度，其產生的升力也大於後行槳葉，這就造成兩側升力的不均。

　　如果槳葉和槳轂剛性連接，一方面槳葉上不均的升力會使槳葉產生強烈的扭曲，既會加速槳葉材料的疲勞，又容易引起振動，另一方面旋翼兩側升力的不均會使機體失去平衡向一側翻滾。為了解決這些問題，設計者設計了一個鉸接裝置來連接槳葉和槳轂，即「揮舞鉸」。

　　「揮舞鉸」，也叫「水平較」，就是在槳葉的根部設置一個水平的軸孔，通過插銷與槳轂相連，這種連接方式允許槳葉在一定幅度範圍內揮舞。這樣以來槳葉在前行時，由於升力增加，自然向上揮舞，其運動的實際方向不再是水平，而是斜線向上的，槳葉實際的迎角也由於這種運動而減小，升力降低。槳葉在後行時，升力不足，自然下降，這種邊旋轉邊下降的運動，使槳葉的實際迎角增大，升力增加。同時由於離心力的存在，槳葉會有自然拉直的趨勢，因此不會在升力作用下無限升高或降低，也就是說槳葉的揮舞幅度不是無限的。同時設計者在機械構造上也採取了相應的措施，保證槳葉不至於因無限揮舞而碰撞機身。

擺振的問題

　　槳葉的揮舞雖然解決了升力不均材料疲勞等問題，但也帶來了新的問題。槳葉向上揮舞時，重心離旋轉軸的距離減小，產生的科氏力矩使槳葉加速旋轉，槳葉恢復水平時，重心離旋轉軸的距離增加，科氏力矩又會使槳葉減速旋轉。科氏力矩的大小和方向隨著槳葉的揮舞呈現出周期性變化，槳葉在水平方向也會前後搖擺，補償揮舞造成的科里奧利效應。如果不加控制，這種搖擺對槳葉根部的損傷會非常大，解決的辦法就是安裝「擺振鉸」。

「擺振鉸」，也叫「垂直鉸」，就是在槳葉的根部再設置一個垂直的軸孔，通過插銷與槳轂其他結構相連，這種連接方式允許槳葉前後小幅度擺動，從而避免槳葉根部變彎或疲勞斷裂。此外為了給槳葉繞擺振鉸的擺振運動提供阻尼以及保證其有足夠的穩定性裕度，防止出現「地面共振」，擺振鉸上通常都還裝有擺振阻尼器，稱為減擺器。

　　由於擺振鉸的存在，槳葉前行時自然增加後掠角（即所謂「滯後」，因為槳葉在旋轉方向上的角速度低於圓心的旋轉速度），變相增加槳葉在氣流方向上剖面的長度，加強了減小迎角的作用；在後行時，減擺器使槳葉恢復的正常位置（即所謂「領先」，因為槳葉在旋轉方向上的角速度高於圓心的旋轉速度），加強了增加迎角的作用，所以擺振鉸有時也被稱為領先-滯後鉸。

變距的問題

　　槳葉根部還有一個重要的鉸鏈裝置，那就是「變距鉸」，也稱「軸向鉸」。它的作用是使槳葉繞其軸線在一定範圍內偏轉，實現改變其安裝角，從而調整槳葉產生的升力，簡單說就是實現槳葉變距運動的轉動關節。

　　揮舞鉸、擺振鉸和變距鉸是實現直升機控制和旋翼正常工作的關鍵。

其他形式

　　除了採取這種全鉸接式（裝有揮舞鉸、擺振鉸和變距鉸）旋翼的直升機外，有的直升機採用一個球面彈性體軸承組件來實現實揮舞鉸、擺振鉸、變距鉸三個鉸接組件的功能，還有的直升機採用的是無鉸接結構，即取消了獨立的揮舞鉸與擺振鉸，揮舞和擺振的功能由槳葉根部的柔性元件的變形來實現。

　　此外主旋翼只有兩片槳葉的直升機通常採用蹺蹺板式的槳轂結構，及槳轂與主軸通過一個水平插銷結構相連接，槳轂可以繞這個插銷轉動。

操縱機構

前面提到通過控制旋翼和尾槳就可以實現使直升機上升、下降、懸停、前飛、側飛以及轉彎等，因此實際上直升機的操縱機構主要是針對旋翼和尾槳的。直升機的主要操縱機構包括駕駛桿（又稱周期變距桿）、總距桿、腳蹬等。

　　駕駛桿位於駕駛員座椅前面，通過操縱線系與自動傾斜器連接，通過自動傾斜器來實現對旋翼椎體傾斜方向的控制。

　　總距桿通常位於駕駛員座椅的左方，由駕駛員左手操縱，通過操縱線系與自動傾斜器連接，通過自動傾斜器來控制所有槳葉的迎角，實現槳葉變距，從而改變旋翼升力的大小。有的總距操縱桿的手柄上設置旋轉式油門操縱機構，用來調節發動機油門的大小，使發動機輸出功率與旋翼槳葉變距後的旋翼需用功率相適應；有的總距桿上則集成了發動機功率控制器，可根據旋翼槳葉變距情況自動對發動機的輸出功率進行調整；因此，總距桿又被稱為總距油門桿。

自動傾斜器是實現駕駛桿和總距桿操縱的重要部件，由兩個主要零件組成：一個不旋轉環和一個旋轉環。不旋轉環安裝在旋翼軸上，並通過操縱線系與駕駛桿和總距桿相連。它能夠向任意方向傾斜，也能沿旋翼軸上下垂直移動，但是不能轉動。旋轉環通過軸承被安裝在不旋轉環上，通過拉杆與變距鉸（軸向鉸）相連，不但能夠同旋翼軸一起旋轉，而且能夠作為一個單元體隨不旋轉環同時傾斜和沿旋轉軸上下垂直移動。

操縱的實現

　　駕駛員對駕駛桿的橫向和縱向操縱通過操縱線系或液壓助力裝置使自動傾斜器的旋轉環和不旋轉環一起向相應的方向傾斜。由於旋轉環同槳葉的變距鉸之間有固定長度的拉杆相連，所以自動傾斜器的傾斜會導致槳葉的槳距發生周期變化，使得旋翼空氣動力不對稱，旋翼椎體將向相應方向傾斜，旋翼的拉力矢量方向也向相應方向傾斜，這樣就達到操縱直升機橫向和縱向飛行的目的。如果駕駛桿偏離中立位置向前，旋翼椎體向前傾斜，直升機低頭並向前運動；向後，旋翼椎體向後傾斜，直升機抬頭並向後退；向左，旋翼椎體向左傾斜，直升機向左傾斜並向左側運動；向右，旋翼椎體向右傾斜，直升機向右傾斜並向右側運動。

駕駛員對總距桿上提和下放的操縱通過操縱線系使自動傾斜器的旋轉環和不旋轉環一起沿著旋翼軸向上或向下移動。同樣由於旋轉環同槳葉的變距鉸之間有固定長度的拉杆相連，所以自動傾斜器的上下移動會導致槳葉的槳距增大或減小，使得旋翼的升力增加或減小。簡單來說，上提總距桿，槳葉的槳距和發動機輸出功率增加，旋翼升力增加，直升機上升；下放總距桿，槳葉的槳距和發動機輸出功率減小，旋翼升力減小，直升機下降。

　腳蹬位於駕駛員座椅前下方，由駕駛員雙腳操縱，通過操縱線系與尾槳連接，實現對尾槳的變距，控制尾槳槳葉的槳距，改變尾槳的「拉力」或「推力」。尾槳的構造同旋翼相似，不過比旋翼要簡單得多，既沒有自動傾斜器，也不存在周期變距問題。一般來說，蹬某一側腳蹬，直升機機頭就會向該側偏轉。

　以上就是單旋翼帶尾槳直升機飛行的一些基本原理，「走馬觀花」式的敘述難免錯漏之處，不作為任何依據，僅供大家了解參考，深入學習還請翻閱相關著作。

（部分資料來源：天天飛ttfly平台、通航資源網）