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直升飞机的工作原理

大科学 ransiwen 2年前 (2016-11-02) 376次浏览 已收录 0个评论

直升飞机是当今功能最多的一种飞行器。 它的这种多功能性可使飞行员全面领略维空间,这是其他飞机做不到的。 如果乘坐过直升飞机,您就会知道它是如何让人感到兴奋!

直升飞机的工作原理

直升飞机高度的灵活性意味着它几乎可以飞到任何地方。 但是,这也意味着要驾驶它是非常复杂的。 飞行员必须具有三维观念,并且必须始终使用双臂和双腿才能使直升飞机停留在空中! 驾驶直升飞机需要经过长期大量培训以及高度注意力集中。

要想了解直升飞机的工作原理以及它是如何做出复杂飞行动作的,将直升飞机的能力与火车、汽车和飞机的能力进行比较会有所帮助。 通过比较,您会知道为何直升飞机具有如此强大的功能!

如果您进过火车的驾驶室,就会知道,驾驶火车相当容易。 毕竟火车只有两个行驶方向,不是向前就是向后。 火车上有一个制动器,但没有转向机构。 是铁轨将火车带到它需要到达的地方。

直升飞机的工作原理

由于火车只有两个行驶方向,因此用一只手就可以驾驶火车。

当然,汽车可以像火车一样向前和向后行驶。 当在任一方向行驶时,您还可以向左或向右转弯:

直升飞机的工作原理

要使汽车转向,就需要使用方向盘,驾驶员可以将它顺时针或逆时针旋转。 驾驶员可以用一只手和一只脚来驾驶汽车。

任何参加过飞行员培训或见过飞行员驾驶舱的人都知道,飞机的驾驶比汽车要复杂得多。 但其实它们也是很相似的:

直升飞机的工作原理

飞机可以向前运动并左右转向。 另外它还具有上升和下降的能力。 但它无法向后飞行。 因此,飞机具有五个不同运动方向,而汽车仅有四个。 上升和下降能力是飞机的一个全新特色,它是飞机区别于汽车的特点之一。 要控制飞机的向上和向下运动,需要用一个操纵杆取代方向盘,或者使方向盘能够向内和向外运动(除了顺时针和逆时针旋转之外)。 在大多数飞机上,飞行员还通过两个踏板来操纵方向舵。 因此,飞行员是用一只手和两只脚来驾驶飞机的。

直升飞机可以完成飞机所无法完成的三件事情:

直升飞机的工作原理

 

  • 直升飞机可以向后飞行。
  • 整个直升飞机可在空中旋转。
  • 直升飞机可在空中静止盘旋。

对于汽车或飞机来说,它们必须在移动中才能转向。 而直升飞机则可以向任一方向侧向移动,也可以旋转 360 度。 这些额外的运动自由度以及掌握这些运动需具备的技巧,正是直升飞机让人兴奋同时操作起来又很复杂的原因。

操纵直升飞机时,一只手要握住周期变距操纵杆,它用于控制直升飞机的侧方向(包括向前、向后、向左和向右)。 另外一只手握住总距操纵杆,它用于控制直升飞机的向上和向下运动(还控制发动机转速)。 飞行员的双脚放在用于操纵尾旋翼的踏板上,尾旋翼可使直升飞机围绕自身的轴在任一方向上旋转。 驾驶直升飞机需要使用双手和双脚!

您可以通过考虑前面所介绍的直升飞机的各种能力,开始了解直升飞机是如何飞行的。 让我们纵览一下直升飞机的各种能力,看一看它们是如何影响直升飞机的设计和控制的。

想像一下,我们要制造一架可轻而易举腾空而起的飞行器。 我们暂时不要担心如何降落,如何升到空中是我们关心的问题。 如果您想通过桨叶提供向上的力,那么要产生升力,桨叶必须处于运动之中。 桨叶通过将空气下压并利用由此获得的作用力产生升力旋转运动是保持桨叶处于连续运动状态的最简单方式。 您可以将两个或更多桨叶安装在中心轴上并使轴旋转,这与吊扇上的叶片十分相似。 直升飞机桨叶的形状与飞机螺旋桨的形状很相似,但直升飞机旋翼上的桨叶一般窄而薄,因为它们必须十分快速地旋转。 直升飞机的旋转桨叶总成称为主旋翼。 如果在轴上为主旋翼桨叶提供一个微小的迎角并使轴旋转,桨叶就开始产生升力。

为了使轴旋转,就需要某种类型的发动机。 往复式汽油发动机和燃气涡轮发动机是两种最常见的发动机。 在离地前,发动机的传动轴通过变速器连接到主旋翼轴上。在离地后,发动机将与主旋翼轴同步运转。 这样,在没有任何阻力的情况下,机身将在与主旋翼旋转方向相反的方向上旋转。 为抑制机身旋转,您需要对它施加力。

向机身施加力的方式通常是在长尾桁上安装另外一组旋转桨叶。 这些桨叶称为尾旋翼。 尾旋翼的作用类似于飞机螺旋桨。 通过在侧面产生推力,抵消发动机使机身旋转的趋势,尾旋翼可抑制机身旋转。 通常,尾旋翼由一个长传动轴驱动。该轴经由主旋翼变速器、尾桁一直延伸到尾旋翼处的一个小型变速器。

这样就可以得到与下图类似的直升飞机:

直升飞机的工作原理
为了对灵活直升飞机进行操纵,主旋翼和尾旋翼都需是可调节的。 以下两节将介绍如何对其进行调节。

调节尾旋翼非常简单,您只需改变尾旋翼桨叶的迎角,就可以通过尾旋翼使直升飞机在主传动轴所在轴线上旋转。

驾驶员可通过两个脚踏板来控制迎角。

直升飞机的工作原理
您可以在驾驶员座舱的这个画面中看到踏板

直升飞机的工作原理
尾旋翼桨叶的长度只有大约 61 厘米。
直升飞机的工作原理
尾旋翼的桨毂可使飞行员改­变旋翼桨叶的迎角。

主旋翼是直升飞机上最重要的部件。 它提供了直升飞机飞行的升力,并可控制直升飞机的侧向运动、转向和飞行高度的改变。

为完成所有这些动作,首先要求旋翼要非常坚固。 它还必须能够通过桨毂的每圈旋转来调节旋翼桨叶的角度。 这种调节是通过自动倾斜器总成完成的。

直升飞机的工作原理
自动倾斜器总成

自动倾斜器总成主要有两个作用:

  • 在总距操纵方向上,自动倾斜器总成可以同时改变两个桨叶的角度。 这样就可以增加或降低主旋翼提供给直升飞机的升力,使直升飞机升高或降低。
  • 在周期变距操纵方向上,自动倾斜器总成可以单独改变旋转时桨叶的角度。 这样就可使直升飞机在任意方向上实现 360 度运动。
直升飞机的工作原理

自动倾斜器总成由两个斜盘组成(即固定斜盘和旋转斜盘),上图中分别用蓝色和红色部分所示。

 

  • 由于连接装置(紫色)将旋转斜盘与传动轴连接在一起,因此旋转斜盘随传动轴(绿色)和旋翼桨叶(灰色)一起旋转。
  • 桨距操纵杆(橙色)可使旋转斜盘改变旋翼桨叶的桨距。
  • 固定斜盘的角度通过与固定斜盘相连的操纵杆(黄色)而发生改变。
  • 若飞行员对周期距控制和总距控制实施操纵,固定斜盘的操纵杆将受到影响。
  • 固定斜盘和旋转斜盘通过这两个斜盘之间的一组轴承相连接。 这些轴承可使旋转斜盘在固定斜盘上方旋转。
直升飞机的工作原理
自动倾斜器总成可随桨叶的旋转改变主旋翼桨叶的迎角。
迎角越陡,提供的升力越大。

总距控制可同时改变两个桨叶上的迎角:

直升飞机的驾驶需要经验和技巧。 驾驶员需对周期距控制进行调节,以使直升飞机保持在地面上方的某一点。 驾驶员需对总距操纵进行调节,以使其保持在固定高度。 驾驶员需对脚踏板进行调节,以使直升飞机保持前进。 您可以想象,在风力很大的情况下,驾驶直升飞机在空中盘旋是一个多么大的挑战!周期距控制可使自动倾斜器总成倾斜,从而使直升飞机一侧的迎角大于另一侧,如图所示:

一般而言:

  • 总距控制可将自动倾斜器总成作为一个整体进行提升。 这可以起到同时改变两个桨叶桨距的效果。
  • 周期距控制可将自动倾斜器总成的一侧向上或向下推。 这可以起到根据桨叶在旋转中的位置而均匀改变桨叶桨距的作用。 周期距控制可使旋翼的桨叶在直升机的一侧具有较大迎角(因而获得较大的升力),而在另一侧具有较小迎角(因而获得较小的升力)。 这种升力的不平衡可使直升机倾斜,并侧向移动。

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