4.4無人直升機飛行原理旋翼旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的拉力和阻力的大小，不僅取決于旋翼的轉(zhuǎn)速，而且取決于槳葉的槳距。調(diào)節(jié)旋翼的轉(zhuǎn)速和槳距都可以達(dá)到調(diào)節(jié)拉力大小的目的。但是旋翼轉(zhuǎn)速取決于發(fā)動機的主軸轉(zhuǎn)速，而發(fā)動機轉(zhuǎn)速有一個最佳的工作范圍，因此，拉力的改變主要靠調(diào)節(jié)槳葉槳距來實現(xiàn)。但是，槳距變化將引起阻力力矩變化，所以，在調(diào)節(jié)槳距的同時還要調(diào)節(jié)發(fā)動機油門，保持轉(zhuǎn)速盡量靠近最有利的工作轉(zhuǎn)速。圖4-314.4.1單旋翼無人機旋翼系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

旋翼是圓周運動，由于半徑的關(guān)系，翼尖處線速度已經(jīng)接近聲速時，圓心處線速度為零，所以旋翼靠近圓周的地方產(chǎn)生最大的升力，而靠近圓心的地方只產(chǎn)生微不足道的升力。4.4.2直升機的三大鉸鏈

槳葉向前滑行時，槳葉和空氣的相對速度高于旋轉(zhuǎn)本身所帶來的線速度；反之，槳葉向后滑行時，槳葉和空氣的相對速度就低于旋轉(zhuǎn)本身所帶來的線速度，這樣，旋翼兩側(cè)產(chǎn)生的升力還不均勻，不做任何補償?shù)脑?，升力差可以達(dá)到5：1。4.4.2直升機的三大鉸鏈

這個周期性的升力變化不僅使機身向一側(cè)傾斜，而且每片槳葉在圓周中不同方位產(chǎn)生不同的升力和阻力，周期性地對槳葉產(chǎn)生強烈的扭曲，既大大加速材料的疲勞，又引起很大的震動。所以旋翼的氣動設(shè)計可以比高性能固定翼飛機的機翼設(shè)計更為復(fù)雜。4.4.2直升機的三大鉸鏈

在實踐中發(fā)現(xiàn)這個問題的。模型旋翼機試飛很成功，但是全尺寸的旋翼機一上天就橫滾翻，開始以為是遇到突然的橫風(fēng)，第二架飛機上天同樣命運。4.4.2直升機的三大鉸鏈

經(jīng)過研究，發(fā)現(xiàn)模型旋翼機的槳葉是用藤條材料做的，有彈性，而全尺寸旋翼機的槳葉是剛性的鋼結(jié)構(gòu)，由此認(rèn)識到槳葉的揮舞鉸的必要性。4.4.2直升機的三大鉸鏈

具體來說，為了補償左右的升力不均勻和減少槳葉的疲勞，槳葉在翼根要采用一個容許槳葉回轉(zhuǎn)過程中上下?lián)]舞的銨鏈，這個鏈稱為揮舞鉸(也稱垂直鉸)。4.4.2直升機的三大鉸鏈

簡單地說，揮舞鉸是指直升機旋翼系統(tǒng)圍繞主軸和橫軸連接點為中心，在一定角度范圍內(nèi)可自適應(yīng)性上下?lián)]舞的鉸鏈機構(gòu)。其作用是在直升機前飛時補償左右的升力不均勻和減少槳葉的疲勞，槳葉在翼根要采用一個容許槳葉在回轉(zhuǎn)過程中上下?lián)]舞的鉸鏈。4.4.2直升機的三大鉸鏈

一方面槳葉在回轉(zhuǎn)過程中的上下?lián)]舞可相應(yīng)地起到減少或增加迎角的作用，有效平衡了左右升力的不均衡，另一方面可使不平衡的滾轉(zhuǎn)力矩?zé)o法傳到機身，從而避免了直升機前飛中產(chǎn)生滾轉(zhuǎn)。4.4.2直升機的三大鉸鏈

槳葉在前行時，升力增加，槳葉自然向上揮舞。由于槳葉在旋轉(zhuǎn)過程中同時上升，槳葉的實際運動方向不再是水平的，而是斜線向上的。槳葉和水平面的夾角雖然不因為槳葉向上揮舞而改變，但槳葉和氣流的相對運動方向之間的夾角由于這斜線向上的運動而變小，這個夾角(而不是槳葉和水平面之間的夾角)才是槳葉真正的迎角。槳葉的迎角在升力作用下下降，降低升力。4.4.2直升機的三大鉸鏈

槳葉在后行時，槳葉的升力不足，自然下垂，變旋轉(zhuǎn)邊下降造成槳葉和氣流相對運方向之間的夾角増大，迎角増加，増加升力。4.4.2直升機的三大鉸鏈

由于離心力使槳葉有自然拉直的趨勢，槳葉不會在升力作用下無限升高或降低，機械設(shè)計上也采取措施，保證槳葉的揮舞不至于和機體發(fā)生碰撞。4.4.2直升機的三大鉸鏈

槳葉在環(huán)形過程中，不斷升高、降低，翼尖離圓心的距離不斷改變，引起科里奧利效應(yīng)，就像花祥滑冰運動員經(jīng)常把雙臂張開、收攏，以控制旋轉(zhuǎn)速度。要是一個手臂張開，一個手臂收攏，就不可能在原地旋轉(zhuǎn)，就要東倒西至了。所以槳葉在水平方向也要前后搖擺，以補償菜葉上下?lián)]舞所造成的科里奧利效應(yīng)。4.4.2直升機的三大鉸鏈

擺振鉸利用前行時阻力增加，使槳葉自然增加后掠角(即所謂“滯后”,因為槳葉在旋轉(zhuǎn)方向上的角速度低于圓心的旋轉(zhuǎn)速度)，這也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；在后行時，阻力減小，阻尼器(相當(dāng)于彈簧)使槳葉恢復(fù)到正常位置(即所謂“領(lǐng)先”,因為槳葉在旋轉(zhuǎn)方向上的角速度高于圓心的旋轉(zhuǎn)速度)，當(dāng)然也加強了增加迎角的作用，所以擺振鉸(也稱水平鉸)也稱領(lǐng)先-滯后鉸。4.4.2直升機的三大鉸鏈

4.4.2直升機的三大鉸鏈

簡單地說，擺振鉸是指直升機旋翼系統(tǒng)圍繞主軸和橫軸連接點為中心，在一定角度范圍內(nèi)可自適應(yīng)性前后擺振的鉸鏈機構(gòu)。其作用是為了補償槳葉揮舞鉸上下?lián)]舞造成的科里奧利效應(yīng)；4.4.2直升機的三大鉸鏈

擺振鉸利用前行時阻力增加，使槳葉自然增加后掠角，這也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；在后行時，阻力減小，阻尼器使槳葉恢復(fù)到正常位置，加強了增加迎角的作用；從而進(jìn)一步平衡左右升力的不均衡。4.4.2直升機的三大鉸鏈

揮舞較和擺振鉸是旋翼升力均衡、飛行平穩(wěn)的關(guān)鍵。由于槳葉在旋轉(zhuǎn)中容許上下?lián)]動和前后擺動，這種槳葉稱為柔性槳葉。除了用機械鉸鏈容許槳葉在環(huán)形過程中相對于其他槳葉有一定的揮舞外，材質(zhì)也必須具有彈性，這就是為什么直升機停在地面時槳葉總是“耷拉”著的原因。4.4.2直升機的三大鉸鏈

由于機械鉸鏈磨損大，可靠性不好，可用彈性元件取代揮舞鉸，研制成功無鉸槳葉。4.4.2直升機的三大鉸鏈

前行槳葉可以在升力作用下向上有所揮舞，從而降低升力，達(dá)到平衡；后行槳葉則向下彎曲，從而提高升力，達(dá)到平衡。4.4.2直升機的三大鉸鏈

雙葉旋翼是一個采用剛性鉸鏈的特例，槳葉和圓心的槳轂剛性連接，用一個單一的“蹺蹺板”鉸鏈同時代替揮舞鉸和擺振鉸，所以也稱為半剛性槳葉。蹺蹺板鉸鏈在一側(cè)槳葉上揚時，將另一側(cè)槳葉自然下壓；在一側(cè)槳葉“領(lǐng)先”時，將另一側(cè)槳葉自然“滯后”,既簡化了機械設(shè)計，又完美地實現(xiàn)了更復(fù)雜的機械設(shè)計才能實現(xiàn)的功能。4.4.2直升機的三大鉸鏈

不過“蹺蹺板”設(shè)計只能用于雙葉旋翼。4.4.2直升機的三大鉸鏈

雙葉旋翼有無可置疑的簡潔性和由此而來的成本和可靠性上的優(yōu)勢,但雙葉旋翼也只有兩片槳葉可以產(chǎn)生升力，和多葉槳葉相比，曉蹺板式揮舞結(jié)構(gòu)旋翼要達(dá)到相同的升力效果則需要增加旋翼直徑和增加旋翼轉(zhuǎn)速，這樣來，前者增加了總體尺寸和阻力，后者則增加了噪聲。4.4.2直升機的三大鉸鏈

直升機還有第三個重要鉸鏈機構(gòu)即總距鉸(也稱變距鉸)?？偩嚆q是指直升機旋翼系統(tǒng)圍繞橫軸為旋轉(zhuǎn)中心可在一定角度范圍內(nèi)調(diào)整槳葉迎角的鉸鏈機構(gòu)。其作用是控制槳葉的螺距(迎角)，從而控制直升機的上升和下降。4.4.2直升機的三大鉸鏈

旋翼是直升機的關(guān)鍵部件。它由數(shù)片(至少兩片)槳葉和槳轂構(gòu)成，形狀像細(xì)長機翼的槳葉連接在槳轂上。槳轂安裝在旋翼軸上，旋翼軸方向接近于鉛垂方向，一般由發(fā)動機帶動旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)時，獎葉與周圍空氣相互作用，產(chǎn)生氣動力。直升機旋翼繞旋翼轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時，每個葉片的工作都與一個機翼類似。4.4.2直升機的三大鉸鏈

旋翼在空氣中旋轉(zhuǎn)，對周圍空氣產(chǎn)生一個作用力矩，根據(jù)牛頓第三定律，空氣必定以大小相等、方向相反的力矩作用于旋翼，然后傳到機體上。此時如果不采取平衡措施，這個反作用力矩會使機體向旋翼旋轉(zhuǎn)的相反方向旋轉(zhuǎn)。為了平衡這個反作用力矩，需要采用不同的直升機布局形式。1.直升機的布局特點

4.4.3

無人直升機的飛行與操縱

直升機的布局形式按旋翼數(shù)量和布局方式的不同可分為單旋翼直升機、共軸式雙旋翼直升機、縱列式雙旋翼直升機、橫列式雙旋翼直升機和帶翼式直升機等幾種類型。1.直升機的布局特點

4.4.3

無人直升機的飛行與操縱

(1)直升機的操作系統(tǒng)。直升機的操縱系統(tǒng)是指傳遞操縱指令、進(jìn)行總距操縱、變距操和腳操縱(或航向操縱)的操縱機構(gòu)和操縱線路。通過總距操縱來實現(xiàn)直升機的升降運動；道過變距操縱來實現(xiàn)直升機的前后左右運動；通過航向操縱來改變直升機的飛行方向。2.直升機的操縱性和穩(wěn)定性

4.4.3

無人直升機的飛行與操縱

1)總距操縱?？偩嗖倏v是用來操縱旋翼的總槳距，使各片槳葉的安裝角同時增大或減小，從而改變旋翼拉力的大小。當(dāng)拉カ大于直升機重力時，直升機就上升，反之，直升機則下降，如圖4-39(a)所示。2.直升機的操縱性和穩(wěn)定性

4.4.3

無人直升機的飛行與操縱

2.直升機的操縱性和穩(wěn)定性

4.4.3

無人直升機的飛行與操縱

旋翼總槳距改變時，旋翼的需用功率也隨著改變。因此，必須相應(yīng)地改變發(fā)動機的油門，使發(fā)動機的輸出功率與旋翼的需用功率相匹配以保持旋翼速度不變。為減輕駕駛員負(fù)擔(dān)，發(fā)動機油門操縱和總距操縱通常是交聯(lián)的。改變總距時，油門開度也相應(yīng)地改變。因此，總距操縱一般又稱為總槳距-油門操縱。2.直升機的操縱性和穩(wěn)定性

4.4.3

無人直升機的飛行與操縱

2)變距操縱。變距操縱即為周期變距操縱，它通過自動傾斜器使槳葉的安裝角周期改變，從而使槳葉升力周期改變，并由此引起槳葉周期揮舞，最終導(dǎo)致旋翼錐體相對于機體向著駕駛桿運動的方向傾斜。由于拉力基本上垂直于槳盤平面，因而拉力也向駕駛桿運動方向傾斜，從而實現(xiàn)縱向(包括俯仰)及橫向(包括滾轉(zhuǎn))運動。例如，當(dāng)拉力前傾時，產(chǎn)生向前的分力，直升機向前運動，當(dāng)拉力后傾時，產(chǎn)生向后的分力，直升機向后運動，如圖4-39(b)所示。2.直升機的操縱性和穩(wěn)定性

4.4.3

無人直升機的飛行與操縱

2.直升機的操縱性和穩(wěn)定性

4.4.3

無人直升機的飛行與操縱

3)航向操縱。航向操縱是用方向舵操縱尾槳的錐力(或拉力)的大小，實現(xiàn)航向操縱。當(dāng)尾的錐力(或拉力)改變時，此力對直升機重心的力矩與旋翼的反作用力矩不再平衡，直升機繞立軸轉(zhuǎn)動，使航向發(fā)生變化。2.直升機的操縱性和穩(wěn)定性

4.4.3

無人直升機的飛行與操縱

直升機操縱性是指直升機的運動狀態(tài)對駕駛員操縱動作的反應(yīng)能力。駕駛員通過操縱駕駛桿的縱向或橫向位移，來改變自動傾斜器的傾斜角，以實現(xiàn)縱向和橫向力矩操縱。通過操縱腳蹬的位移、來改變尾槳距以實現(xiàn)航向力矩操縱。2.直升機的操縱性和穩(wěn)定性

4.4.3

無人直升機的飛行與操縱

(2)直升機的穩(wěn)定性。直升機的穩(wěn)定性是指直升機受到擾動后能夠自己恢復(fù)其原來狀態(tài)的能力。通常分為靜穩(wěn)定性和動穩(wěn)定性。一般情況下，直升機受到擾動后偏離原來的平衡狀態(tài)，當(dāng)擾動消失后，直升機的運動狀態(tài)一般發(fā)生變化。2.直升機的操縱性和穩(wěn)定性

4.4.3

無人直升機的飛行與操縱

(1)直升機的前飛。直升機的前飛，特別是平飛，是其最基本的一種飛行狀態(tài)。直升機作為一種運輸工具，主要依靠前飛來完成其作業(yè)任務(wù)。為了更好地了解有關(guān)直升機前飛時的飛行特點，從無側(cè)滑的等速直線平飛入手。直升機的水平直線飛行簡稱平飛。4.4.3

無人直升機的飛行與操縱

3.直升機的飛行分析

(1)直升機的前飛。平飛是直升機使用最多的飛行狀態(tài)，旋翼的許多特點在平飛時表現(xiàn)得更為明顯。直升機平飛的許多性能決定于旋翼的空氣動力特性，因此需要首先說明這種飛行狀態(tài)下直升機的力和旋翼的需用功率。4.4.3

無人直升機的飛行與操縱

3.直升機的飛行分析

廢4.4.3

無人直升機的飛行與操縱

3.直升機的飛行分析

(2)直升機的側(cè)飛側(cè)飛是直升機特有的又一種飛行狀態(tài)，它與懸停、小速度垂直飛行及后飛一起是實施某些特殊作業(yè)不可缺少的飛行性能。一般側(cè)飛是在懸?；A(chǔ)上實施的飛行狀態(tài)。其特點是要多注意側(cè)向力的變化和平衡。由于直升機機體的側(cè)向投影面積很大，機體在側(cè)飛時其空氣動力阻力特別大，因此直升機側(cè)飛速度通常很小。4.4.3

無人直升機的飛行與操縱

3.直升機的飛行分析

(2)直升機的側(cè)飛側(cè)飛是直升機特有的又一種飛行狀態(tài)，它與懸停、小速度垂直飛行及后飛一起是實施某些特殊作業(yè)不可缺少的飛行性能。一般側(cè)飛是在懸?；A(chǔ)上實施的飛行狀態(tài)。其特點是要多注意側(cè)向力的變化和平衡。4.4.3

無人直升機的飛行與操縱

3.直升機的飛行分析

(2)直升機的側(cè)飛由于直升機機體的側(cè)向投影面積很大，機體在側(cè)飛時其空氣動力阻力特別大，因此直升機側(cè)飛速度通常很小。由于單旋翼帶尾槳直升機的側(cè)向受力是不對稱的，因此左側(cè)飛和右側(cè)飛受力各不相同。4.4.3

無人直升機的飛行與操縱

3.直升機的飛行分析

(2)直升機的側(cè)飛向后行槳葉一側(cè)側(cè)飛，旋翼拉力向后行槳葉一側(cè)的水平分量大于向前行槳葉一側(cè)的尾槳推力，直升機向后方向運動，會產(chǎn)生與水平分量反向的空氣動力阻力Z。當(dāng)側(cè)力平衡時，水平分量等于尾槳推力與空氣動力阻力之和，能保持等速向后行槳葉一側(cè)側(cè)飛。4.4.3

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3.直升機的飛行分析

(2)直升機的側(cè)飛向前行槳葉一側(cè)側(cè)飛時，旋翼拉力的水平分量小于尾槳推力，在剩余尾槳推力作用下，直升機向尾槳推力方向一側(cè)運動，空氣動力阻力與尾槳推力反向，當(dāng)側(cè)力平衡時，保持等速向前行槳葉一側(cè)飛行。4.4.3

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3.直升機的飛行分析

（1）旋翼的錐體在前面的分析中，假定槳葉未在槳轂旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)。實際上，目前的直升機都具水平鉸。旋翼不旋轉(zhuǎn)時，槳葉受垂直向下的本身重力的作用（見圖4-40（a））。4.4.3

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4.直升機旋翼的空氣動力特點

（1）旋翼的錐體旋翼旋轉(zhuǎn)時，每片上的作用力除自身重力外，還有空氣動力和慣性離心力?？諝鈩恿ο蛏系姆至Γ═）方向與重力相反，它繞垂直鉸構(gòu)成的力矩，使槳葉上揮。慣性離心力（Fx）相對水平鉸所形成的力矩，力矩使槳葉在槳轂旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)（見圖4-40（b））。4.4.3

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4.直升機旋翼的空氣動力特點

（1）旋翼的錐體在懸?；虼怪憋w行狀態(tài)中，這三個力矩綜合的結(jié)果，使得槳葉保持在與槳轂旋轉(zhuǎn)平面成某一角度的位置上，旋翼形成一個倒立的錐體。槳葉從槳轂旋轉(zhuǎn)平面揚起的角度叫錐角。槳葉產(chǎn)生的拉力約為槳葉本身重量的10~15倍，但槳葉的慣性和離心力更大（通常約為槳葉拉力的十幾倍），所以錐角實際上并不大，僅有3°~5°。旋翼錐體如圖4-40所示。4.4.3

無人直升機的飛行與操縱

4.直升機旋翼的空氣動力特點

（2）懸停時功率分配從能量轉(zhuǎn)換的觀點分析，直升機在懸停狀態(tài)時，發(fā)動機輸出的軸功率，其中約90%用于旋翼，分配給尾槳、傳動裝置等消耗的軸功率加起來約占10%。旋翼所得到的90%的功率當(dāng)中，旋翼型阻功率又用去20%，旋翼用于轉(zhuǎn)變成氣流動能以產(chǎn)生拉力的誘導(dǎo)功率僅占70%。4.4.3

無人直升機的飛行與操縱

4.直升機旋翼的空氣動力特點

直升機不同于固定翼飛機，一般都沒有在飛行中供操縱的專用活動舵面。這是由于在小速度飛行或懸停中，其作用也很小，因為只有當(dāng)氣流速度很大時舵面或副翼才會產(chǎn)生足夠的空氣動力。單旋翼帶尾槳的直升機主要靠旋翼和尾槳進(jìn)行操縱，而雙旋翼直升機靠兩副旋翼來操縱。由此可見，旋翼還起著飛機的舵面和副翼的作用。4.4.3

無人直升機的飛行與操縱

5.直升機操作特點

為了說明直升機操縱特點，先介紹直升機駕駛艙內(nèi)的操縱機構(gòu)。直升機駕駛員座艙操縱機構(gòu)及配置直升機駕駛員座艙主要的操縱機構(gòu)是:駕駛桿（又稱周期變距桿）、腳蹬、油門總距桿。此外還有油門調(diào)節(jié)環(huán)、直升機配平調(diào)整片開關(guān)及其他手柄。4.4.3

無人直升機的飛行與操縱

5.直升機操作特點

駕駛桿位于駕駛員座椅前面，通過操縱線系與旋翼的自動傾斜器連接。駕駛桿偏離中立位置表示：向前——直升機低頭并向前運動；向后——直升機拾頭并向后退；向左——直升機向左傾斜并向左側(cè)運動；向右——直升機向右傾斜并向右側(cè)運動。4.4.3

無人直升機的飛行與操縱

5.直升機操作特點

腳蹬位于座椅前下部，對于單旋翼帶尾槳的直升機來說，駕駛員蹬腳蹬操縱尾槳變距改變尾槳推（拉）力，對直升機實施航向操縱。油門總距桿通常位于駕駛員座椅的左方，由駕駛員左手操縱，此桿可同時操縱旋翼總距和發(fā)動機油門，實現(xiàn)總距和油門聯(lián)合操縱。4.4.3

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5.直升機操作特點

自動傾斜器構(gòu)造如圖4-41所示。自動傾斜器的主要零件包括：旋轉(zhuǎn)環(huán)連接槳葉拉桿，旋轉(zhuǎn)環(huán)利用滾珠軸承連接在不旋轉(zhuǎn)環(huán)上，不旋轉(zhuǎn)環(huán)壓在套環(huán)上；套環(huán)帶有橫向操縱拉桿和縱向操縱拉桿；操縱總槳距的滑筒。直升機的駕駛桿動作時，旋轉(zhuǎn)環(huán)和不旋轉(zhuǎn)環(huán)隨同套環(huán)一起向前后、左、右傾斜或任意方向傾斜。4.4.3