直升機

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直升機
服役於洛杉磯警察局的貝爾206型直升機。
航空器專題
單純利用空氣浮力(浮升器
無動力 動力
空氣浮力和空氣動力混合
無動力 動力
單純利用空氣動力
無動力 動力
無動力固定翼 動力固定翼
半固定翼和旋翼
無動力旋翼 動力旋翼
撲翼
其他
無動力 動力
旋翼
Antitorque.jpg
直升機旋翼運作說明
蘇俄ka-50雙旋翼機

直升機是一種由一個或多個水平旋轉的旋翼提供向上升力和推進力而進行飛行航空器。直升機具有大多數固定翼航空器所不具備的垂直升降、懸停、小速度向前或向後飛行的特點。這些特點使得直升機在很多場合大顯身手。直升機與固定翼飛機相比,其弱點是速度低、耗油量較高、航程較短。

飛行原理[編輯]

固定翼航空器的飛行升力源自固定在機身上的機翼。當固定翼航空器向前飛時,機翼與空氣之間發生相對運動,進而產生升力。直升機的升力產生原理與機翼相似,只不過這個升力是來自於繞固定軸旋轉的「旋翼」。旋翼不像飛機那樣依靠整個機體向前飛行來使機翼與空氣產生相對運動,而是依靠自身旋轉產生與空氣的相對運動。但是,在旋翼提供升力的同時,直升機機身也會因反扭矩(與驅動旋翼旋轉等量但方向相反的扭矩,即反作用扭矩)的作用而具有向反方向旋轉的趨勢。對於單旋翼直升機,為了平衡反扭矩,常見的做法是以另一個小型旋翼,即尾槳,在機身尾部產生抵消反向運動的力矩。對於多旋翼直升機,多採用旋翼之間反向旋轉的方法來抵消反扭矩的作用。

歷史[編輯]

人類有史以來就嚮往著能夠自由飛行。古老的神話故事訴說著人類早年的飛行夢,而夢想的飛行方式都是原地騰空而起,像現代直升機那樣既能自由飛翔又能懸停於空中,並且隨意實現定點著陸。例如阿拉伯人的飛毯,希臘神的戰車,都是垂直起落飛行器。其中最有價值、最具代表性的是中國古代玩具竹蜻蜓和義大利人達·文西關於垂直起降航空器的畫作。

李約瑟誤以為中國晉朝葛洪所著的《抱朴子》有紀錄類似竹蜻蜓最早的動力機械[1],但實際上文章說的是服丹修練成仙成功時,人可以飛行[2]

簡明不列顛百科全書》第9卷寫道:「直升機是人類最早的飛行設想之一,多年來人們一直相信最早提出這一想法的是達·文西,但現在都知道,中國人比中世紀的歐洲人更早做出了直升機玩具。」這種玩具於14世紀傳到歐洲。「英國航空之父」喬治·凱利(1773年-1857年)曾製造過幾個竹蜻蜓,用鐘錶發條作為動力來驅動旋轉,飛行高度曾達27米。

隨著生產力的發展和人類文明的進步,直升機的發展史由幻想時期進入了探索時期。歐洲產業革命之後,機械工業迅速倔起,尤其是本世紀初汽車和輪船的發展,為飛行器準備了發動機和可供借鑒的螺旋槳。經過航空先驅者們勇敢而艱苦的創造和試驗,1903年萊特兄弟(Wright brothers)製造的固定翼飛機飛行成功。在此期間,儘管在發展直升機方面,航空先驅們付出了相當的艱辛和努力,但由於直升機技術的複雜性和發動機性能不佳,它的成功飛行比飛機遲了30多年。


20世紀初為直升機發展的探索期,多種試驗性機型相繼問世。試驗機方案的多樣性表明了探索階段的技術不成熟性。經過多年實踐,這些方案中只有縱列式和共軸雙旋翼式保留了下來,至今仍在應用。雙槳橫列式方案未在直升機家族中延續,但在傾轉旋翼飛機中得到了繼承和發展。

俄國人尤利耶夫另闢捷徑,提出了利用尾槳來配平旋翼反扭矩的設計方案並於1912年製造出了試驗機。這種單旋翼帶尾槳式直升機成為至今最流行的形式。

經過20世紀初的努力探索,為直升機發展積累了可貴的經驗並取得顯著進展,有多架試驗機實現了短暫的垂直升空和短距飛行,但離實用還有很大距離。

飛機工業的發展使航空發動機的性能迅速提高,為直升機的成功提供了重要條件。旋翼技術的第一次突破,歸功於西班牙人Ciervao,他為了創造「不失速」的飛機以解決固定翼飛機的安全問題,採用自轉旋翼代替機翼,發明了自轉旋翼機。旋翼技術在自轉旋翼機上的成功應用和發展,為直升機的誕生提供了另一個重要條件。

1907年8月,法國人保羅·科爾尼研製出一架全尺寸載人直升機,並在同年11月13日試飛成功。這架直升機被稱為「人類第一架直升機」。1938年,年輕的德國人漢納賴奇駕駛一架雙旋翼直升機在柏林體育場進行了一次完美的飛行表演。這架直升機被直升機界認為是世界上第一種試飛成功的直升機。1936年,德國福克公司在對早期直升機進行多方面改進之後,公開展示了自己製造的FW-61直升機,1年後該機創造了多項世界紀錄。

從聖西高地起飛的法國憲兵救援直升機

1939年春,美國的伊戈爾·伊萬諾維奇·西科爾斯基完成了VS-300直升機的全部設計工作,同年夏天製造出一架原型機。這種單旋翼帶尾槳直升機構型成為現在最常見的直升機構型。

20世紀40年代,美國沃特-西科斯基公司研製的一種2座輕型直升機R-4,它是世界上第一種投入批量生產的直升機,也是美國陸軍航空兵、海軍、海岸警衛隊和英國空軍、海軍使用的第一種軍用直升機。該機的公司編號為VS-316,VS-316A。美國陸軍航空兵的編號為R-4,美國海軍海岸警衛隊的編號為HNS-1,英國空軍將其命名為「食蚜虻1」(Hoverfly 1),英國海軍將其命名為「牛虻」(Gadfly)。

到30年代末期,在法國、德國、美國和前蘇聯都有直升機試飛成功,並迅速改進達到了能夠實用的程度。第二次世界大戰的軍事需要,加速了這一進程,促使直升機發展由探索期進入實用期,直升機開始投入生產線生產。到二戰結束時,德國工廠已生產了30多架直升機,美國交付的R5、R6直升機已達400多架。

20世紀的後半期直升機進入航空實用期,直升機的應用領域不斷擴展,數量迅速增加。

常見類型[編輯]

  • 單旋翼直升機
  • 帶尾槳(Tail rotor)
最常見的直升機類型,又稱反扭矩尾槳(Anti-torque rotor),由一個水平旋翼負責提供升力,尾部一個小型垂直旋翼(尾槳)負責抵消主旋翼產生的反扭矩
  • 涵道式尾槳(Ducted fan,又稱Fenestron、Fantail或Fan-in-fin)
傳統尾旋翼的一個變種,用安裝在涵道式外殼內的吹風扇代替了外置開放式的傳統旋槳,優點是安全性高、震動和噪音小,缺點是重量大、造價高、推重比相對較低等等。最早由歐洲直升機公司的前身南方飛機公司(後合併成為法國宇航公司)於20世紀60年代構思設計,首先出現在SA341瞪羚直升機上。現今歐直的許多機型,如EC120「蜂鳥」、EC130、EC-135AS365「海豚Ⅱ」系列等等,都是涵道式尾槳設計。除了歐直之外,美國流產的RAH-66「卡曼契」俄羅斯的卡-60「虎鯨」、日本陸上自衛隊川崎OH-1中國直-19直升機等也採用了涵道式設計。
  • 無尾槳(NOTAR,即NO TAil Rotor)
一個水平旋翼負責提供升力,機身尾部側面有空氣排出,與旋翼的下洗氣流相互作用產生側向力來抵消旋翼產生的反扭矩。例如,美國麥道直升機公司生產的MD520N直升機。
  • 雙旋翼直升機
  • 縱列式Tandem
兩個旋翼前後縱向排列,旋轉方向相反,多見於大型運輸直升機。例如,美國波音公司製造的CH-47「契努克」運輸直升機。
  • 橫列式Transverse
兩個旋翼左右橫向排列,旋翼軸間隔較遠,旋轉方向相反。例如,前蘇聯米里設計局研製的Mi-12直升機。
  • 共軸式Coaxial
兩個旋翼上下排列,在同一個軸線上反向旋轉。例如,前蘇聯卡莫夫設計局研製的卡-27直升機卡-50攻擊直升機
  • 交叉式Intermeshing
兩個旋翼左右橫向排列,旋翼軸間隔較小,並且不平行,旋轉方向相反。例如,Kaman公司製造的K-MAX起重直升機。

操縱系統[編輯]

直升機的操縱系統有別於固定翼航空器,通常由以下部分組成:

  • 總距操縱桿(Collective Pitch Control)軍方稱為集體桿。
簡稱總距桿,用來控制旋翼槳葉總距變化。總距操縱桿一般布置在駕駛員座位的左側,繞支座軸線上、下轉動。駕駛員左手上提桿時,使自動傾斜器整體上升而增大旋翼槳葉總距(即所有槳葉的槳距同時增大相同角度)使旋翼拉力增大,反之拉力減小,由此來控制直升機的升降運動。通常在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,以便使發動機輸出功率與旋翼槳葉總距變化後的旋翼需用功率相適應。因此,該操縱桿又被稱為總距油門桿。
  • 周期變距操縱桿(Cyclic Control)軍方稱為巡迴操縱桿
簡稱駕駛桿。與固定翼航空器的駕駛桿作用相似,通過操縱線系與自動傾斜器相連接。一般位於駕駛員座椅的中央前方。駕駛員沿橫向和縱向操縱周期變距操縱桿時,自動傾斜器會出現相應方向的傾斜,從而導致旋翼拉力方向也發生相應方向的傾斜,由此得到需要的推進力以及橫向和縱向操縱力,進而改變直升機的運動狀態和自身姿態。
  • 腳蹬(Anti-torque Pedals)軍方稱為尾舵。
與固定翼航空器的方向舵腳蹬作用相似,都是控制航向工具。由於直升機的類型比較多,腳蹬起作用的方式也各不相同。對於單旋翼帶尾槳直升機,腳蹬經操縱線系與尾槳的槳距控制裝置相連,通過控制尾槳槳距的大小來調節尾槳產生的側向力,達到控制航向的目的。對於單旋翼無尾槳直升機,則是通過腳蹬控制機身尾部出氣量的大小來調節側向力。對於雙旋翼直升機,腳蹬控制的則是兩旋翼總槳距的差動,即一個增大一個減小,使得兩旋翼反扭矩不能平衡,從而使機身發生航向偏轉。


單旋翼帶尾槳直升機的操縱系統說明表

名稱 直接操縱對象 主要作用 副作用 前飛時的用途 懸停時的用途
周期變距桿-橫向 改變旋翼前後槳葉的槳距 通過自動傾斜器橫向傾斜旋翼槳盤 增加下降率 使航空器轉彎 側向移動
周期變距桿-縱向 改變旋翼左右槳葉的槳距 通過自動傾斜器縱向傾斜旋翼槳盤 增加下降率 操縱俯仰姿態 前後移動
總距操縱桿 通過自動傾斜器同步改變旋翼槳葉槳距 增加和減小旋翼拉力 增加和減小扭矩和發動機轉速 調整垂直速度 調整懸停高度和垂直速度
腳蹬 尾槳總距 產生偏航速率 增加或降低扭矩和發動機轉速(小於旋翼總距操縱的影響) 調整側滑角 控制偏航速率和航向

用途類型[編輯]

在陰天下起飛的直-15全天候直升機,該款機有軍民兩用功能。
AH-64攻擊直升機

直升機依照用途可分為民用與軍用兩種。

民用[編輯]

作為民間工作,沒有武裝僅有該用途所需的裝備即為民用直升機。依其用途目前主要可分為下列幾種:

  • 救護直升機(Doctor Helicoptor,或稱醫療直升機
  • 救災直升機
  • 採訪直升機(或稱新聞直升機
  • 觀測直升機
  • 觀光直升機
  • 貨運直升機
  • 農用直升機
  • 郵件直升機

軍用[編輯]

增加裝甲和武器,同時加強性能以供軍事用途的直升機便為軍用直升機。依其用途目前主要可分為下列五種:

外部連結[編輯]

參考資料[編輯]

  1. ^ Joseph Needham and Ling Wang (1965), Science and civilisation in China: Physics and physical technology, mechanical engineering Volume 4, Part 2, page 583.
  2. ^ 抱朴子》:「若能乘蹻者,可以周流天下,不拘山河。凡乘蹻道有三法:一曰龍蹻、二曰虎蹻、三曰鹿盧蹻。或服符精思,若欲行千里,則以一時思之。若晝夜十二時思之,則可以一日一夕行萬二千里,亦不能過此,過此當更思之,如前法。或用棗心木為飛車,以牛革結環劍以引其機,或存念作五蛇六龍三牛交罡而乘之,上升四十里,名為太清。」