直升機垂直飛行（Climbs and Descents)概談

來自專欄旋翼飛行器：理論、設計、未來24 人贊了文章

註：

1. 題圖來自pixabay 網站；

2. 本文所有試驗相關內容皆出自美國著名直升機專家 R. W. Prouty。

圖——CH-53K垂直起飛

與其他飛行器相比，直升機與生俱來的垂直升降能力乃是它獨特本領——所謂「直升」，不外如是。

本文將從直升機垂直爬升及下降過程中的氣動和性能問題入手，對直升機垂直升降的一些特點進行論述。

1.氣流的狀態

先來看看美國著名直升機工程師 R.W.Prouty 為探究直升機垂直上升和下降所設計的風洞試驗，先上試驗結果圖，再進行詳細說明。

圖——模型直升機各垂直飛行狀態的風洞試驗；從左往右依次是：懸停、垂直爬升、緩降、渦環狀態、風車狀態

試驗所用的風洞是一個垂直風洞，風洞風扇在風洞底部，模型直升機將通過操縱（主要是改變總距，因是垂直飛行狀態，基本不需要周期變距操縱）來保持其升力不變——始終與直升機總重平衡，以此來保持其高度和姿態。在本試驗中，主要目的是觀察不同狀態下直升機周圍的氣流狀態，因而改變的只是風洞吹風的強度和方向。

懸停狀態：這時候，風洞風扇關機，直升機旋翼如常規懸停狀態一樣，誘導氣流穿過槳盤流向下方。

垂直爬升狀態：風洞風扇開機，吸引氣流向下流動，對於直升機旋翼而言，就有了一個向下的初始軸流速度，相對於爬升。

垂直下降狀態分為三個部分：緩降、渦環、風車。

緩降狀態：反轉風洞風扇的槳距，使其產生向上的強度較小的氣流，這就相當於直升機旋翼有了一個較小的向上軸向來流，但是這個軸流大小相對於向下的誘導速度（下洗流）大小而言還是比較小，誘導流動還是能夠主導旋翼周圍的氣流狀況，因而這個情況實則和懸停差別不大（除了需用功率的輕微降低）。

渦環狀態：將風洞風扇的風力加大一級，使向上的氣流速度接近於旋翼的誘導速度，這時候，旋翼槳葉的槳尖渦將無法離開槳盤，很快，氣流將會繞著旋翼槳盤形成一種類似於「吸煙吐出的那種圓環」，環繞著槳盤的外邊緣。這種狀況最為複雜，後文再細講。

風車狀態：將風洞風扇動力全開，吹起強大的向上氣流，這時候，軸向氣流已經遠大於旋翼的誘導速度，在這種情況下，旋翼可以說完全處於向上的軸流控制下，流經旋翼槳盤平面的氣流流速將會略有降低，其原因就是氣流的一部分能量被旋翼吸收用於驅動旋轉，這時候，旋翼就像是一個風車（但是它沒有任何能量轉換的手段??，不能發電、不能抽水、不能磨面( ﹁ ﹁ ) ~→）。

試驗結果圖中除了氣流流線示意圖，還有槳葉葉素剖面的平均氣動力示意圖，從這些翼型氣動力示意圖中可以看到不同的氣流改變了旋翼保持拉力不變所需槳距的改變：

• 垂直爬升過程中，氣流從上而下，槳距增大，旋翼氣動力合力相對懸停而言後傾，因而增大了旋翼扭矩從而增大了需用功率；
• 垂直緩降過程中，氣流從下而上，槳距減小，旋翼氣動力合力相對懸停而言朝前傾，因而減小了旋翼扭矩從而減小了需用功率；
• 在風車狀態，旋翼槳距放平，氣動力合力完全前傾，使其合扭矩能夠直接驅動旋翼自轉。

渦環狀態是最難說描述清楚其平均氣動力方向的狀態，就現有的試驗而言，渦環狀態下，槳距和需用功率都會比較高，大致上類似於爬升狀態的槳距和功率需求。

2.垂直爬升和下降的需用功率

垂直爬升的功率優勢：

• 在懸停狀態下，前一片槳葉的槳尖渦往往會直接打到高速旋轉而來的後一片槳葉，但是，再垂直爬升過程中，後一片槳葉轉過來的時候，前一片槳葉的槳尖渦早已運動到槳盤下方，因而，相比於懸停，垂直爬升的直升機，旋翼槳渦干擾會小很多；
• 垂直爬升的直升機，旋翼槳盤的誘導速度分布將對尾槳帶來的干擾影響要小於懸停狀態的直升機

雖然直升機垂直爬升過程中，相比於懸停狀態需要增大總距，但實際飛行中，小速度爬升的需用功率往往要比懸停狀態來得低。

而在垂直下降中，飛行員必須要控制垂直下降的速率，以免速度過快而陷入渦環狀態，而垂直下降過程中，直升機旋翼同樣能從空氣中吸收能量來降低需用功率的大小，但是上述在垂直爬升過程中的兩個優勢在垂直下降過沉重就變成了缺點，並且會導致需用功率的增加，這也是實際飛行中，直升機緩降需用功率往往比理論計算值要高的原因。

3.在渦環狀態中飛行

圖——從渦環狀態脫險的AS350

進入渦環狀態之後，旋翼周圍的氣流呈現出非均勻、非定常兩種特性，因而相比於其他的飛行狀態，這種狀態在理論分析上相當艱難，因而現有的關於渦環狀態的絕大部分經驗都是來自於試驗而非理論推導。

基於試驗經驗，我們一般認為，渦環狀態帶來的不穩定效應開始於下降率約為1/4懸停誘導速度的時候，大約在3/4懸停誘導速度的時候達到峰值，如果下降率達到1.25倍的懸停誘導速度，渦環狀態消失。

無論如何，在渦環狀態中的任何一秒鐘的飛行都是一件不容易的事情，有些理論認為，斜70°的下降比90°的垂直下降更容易陷入渦環狀態，其準確性未經證明，不過，斜50°左右、30~60千米時前飛速度狀況下的下降飛行能夠給直升機帶來足夠多的新鮮空氣，使其吹散旋翼槳盤周圍的槳尖渦，從而將直升機從渦環狀態中解救出來。

Prouty同樣做了渦環狀態下旋翼煙尾跡的試驗，試驗結果圖如下：

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圖——渦環狀態煙尾跡示意圖

如圖所示，旋翼持續不斷地向已經形成的渦環泡中吸入空氣，渦環泡逐漸膨脹，之後破裂朝外吹氣，釋放一定的空氣之後又重新形成原始渦環，整個過程都發生在數秒之內，使得旋翼始終處於一種相當不穩定的氣流之內，不僅直接改變了旋翼的拉力，也會影響到旋翼變距操縱帶來的揮舞響應，使得旋翼在俯仰和滾裝方向也難以控制——這一切都對直升機飛行員的操縱意識和反應靈敏度提出了極高的要求。

4.「Power settling」 滿功率下降（自己翻的??，有好的翻譯歡迎提出）

渦環狀態除了帶了種種不穩定之外，另一個主要影響就是導致了維持相同拉力下需用功率的增加。極限情況下，飛行員一般稱之為「Power settling」，在「Vortex ring state」的維基百科中，也將渦環狀態稱為「settling with power」。

之所以叫這個名字是因為飛行員在下降過程中發現在某些狀況下，即便直升機輸出功率已經達到發動機極限，其仍然保持持續下降的狀態，Prouty發現，功率的變化與總距的變化基本同步，因此，滿功率下降是一種相當危險的狀況，如果直升機最後著陸的時候，可用功率較低，操縱性變差，其著陸載荷將會變得極大，直接導致事故的發生。

當然「滿功率下降」不是僅僅只會發生在渦環狀態下，急停、急轉彎等會導致旋翼進入自身尾流中的機動動作都會導致需用功率的突增，從而有可能會進入「滿功率下降」的狀態。

5.尾槳渦環狀態

雖然渦環狀態是在主旋翼中發現的，但是尾槳在懸停轉彎或者側飛的時候，也可能會進入渦環狀態。尾槳進入渦環狀態並不常見，但是一旦尾槳進入渦環狀態，直升機的轉彎速度將會突然增加，有些飛行員在經歷過這種狀態之後表示「感覺被甩進了一個漩渦」。

6.垂直自轉下滑

關於直升機的自轉下滑，作者此前一篇文章<直升機自轉下滑與著陸（迫降）理論基礎與實際操縱>已經有詳細的介紹和說明，此處不再贅述。