揭秘直升機的空氣力學原理

飛行中的直升機上共有四個作用力，它們是升力，重力，推力和阻力。升力是旋翼在空氣中運動所產(chǎn)生的向上的力，重力與升力方向相反，是由地心引力產(chǎn)生 的。推力是驅(qū)動直升機在空氣中前進的力。阻力抵消升力和推力，這是由于升力的產(chǎn)生和機體在空氣中的運動而產(chǎn)生的阻礙力。在開始討論升力之前，你需要知道一 些空氣動力學的術(shù)語來描述一個翼型件和它的周圍的氣流的相互作用。

翼型是一個表面，例如飛機的機翼或者是直升機旋翼槳葉，當他們與氣流產(chǎn)生相對運動時產(chǎn)生氣動力。雖然旋翼槳葉翼型多種多樣，但在大多數(shù)飛行條件下，所有的 槳葉都按相同的方式工作。設計第一架直升機的工程師們由于考慮到它的結(jié)構(gòu)特點而選擇了相對厚度較厚的翼型。因為旋翼的槳葉非常細長，因此有必要提高他們的 剛度，這樣可以避免靜止時旋翼槳葉的過度下垂，并盡量減少飛行時槳葉的扭曲。槳葉同時也被設計為對稱翼型，這意味著他們的上下翼面有相同的曲率。

對稱葉片是非常穩(wěn)定的，有助于保持葉片扭曲和飛行控制負載到最低限度。這種穩(wěn)定性是通過這樣的一種方式達到的：當攻角改變時，壓力中心幾乎不變。壓力中心 是一個弦線上的假想點，所有氣動力都被認為作用在該點上。今天，設計師們采用復合材料，用相對厚度較小的翼型也能達到所要求的剛度。另外，槳葉也不是對稱 翼型了，這意味著上下翼面的曲率不同。

通常情況下，這些翼型變得不再穩(wěn)定了，但這可以通過彎曲的后緣產(chǎn)生于對稱翼型一樣的特點來矯正。這被稱為“反射性”。應用這種槳葉可以是旋翼系統(tǒng)在更高的 前進速度下運轉(zhuǎn)。 不對稱槳葉不穩(wěn)定的原因之一，是壓力中心隨著攻角的變化而變化。當升力的作用點在槳葉旋轉(zhuǎn)中心之后時，會使槳盤傾斜度增大。

當攻角增大，壓力中心向前移動，如果它移動到旋轉(zhuǎn)支點之前，槳盤傾斜度減小。由于槳葉的攻角在它旋轉(zhuǎn)的過程中會不斷變化，槳葉就會揮舞，擺震越來越嚴重。當提到一個翼型件，翼展是指從槳榖的轉(zhuǎn)子到翼尖的距離。槳葉扭轉(zhuǎn)角是指弦線從槳葉根部到尖部扭轉(zhuǎn)過的角度。 使槳葉有一個扭轉(zhuǎn)角使得槳葉產(chǎn)生更大的升力。這是有必要的，因為槳葉的線速度是有翼根到翼尖逐漸增大的。翼尖是最先接觸到來流空氣的部分。后緣是上 下翼面空氣重新匯集的地方。弦線是一條假想的連接翼尖與后緣的直線，弧度是翼型上下翼面的形狀。相對來流是指流過槳葉的氣流。相對來流的方向與槳葉的位置 有關(guān)，經(jīng)常與飛行器的飛行方向平行反向，攻角是翼型弦線與來流方向之間的夾角。

相對來流 相對來流是由于槳葉在空氣中移動而產(chǎn)生的，可能只是槳葉做絕對運動，也可能二者都有絕對運動。相對來流可能受到一部分因素的影響，這些因素包括槳葉 的轉(zhuǎn)動，直升機水平位置的變化，槳葉的揮舞，以及風速和風向。對于一架直升機，相對來流是指流過槳葉的空氣流。如果槳葉靜止，風吹過槳葉將形成一個相對來 流。如果直升機懸停在一個無風的條件下，相對來流是由槳葉在空氣中的的轉(zhuǎn)動生成的。如果直升機懸停在風中，相對來流是風和槳葉的運動的疊加形成的。當直升 機是在向前飛行，相對來流是前飛速度和槳葉轉(zhuǎn)動疊加形成的。

葉片槳距角 葉片槳距角是它的弦線與槳榖平面之間的夾角，你利用飛行控制系統(tǒng)控制槳葉的槳距，改變槳葉的總距，每片槳葉的槳距產(chǎn)生相同的變化，這被用來改變槳葉 的拉力，周期變距操作改變的每片槳葉的槳距取決于它轉(zhuǎn)動到哪個位置，這項操作被用于平衡前飛以及其他飛行條件下俯仰和滾轉(zhuǎn)方向的力矩。 攻角 當攻角增加時，空氣流過翼型件轉(zhuǎn)移的范圍更大，從而導致空氣流速和升力的提升，隨著攻角的繼續(xù)增大，空氣想要平穩(wěn)地流過槳葉頂部會變得越來越困難。

在某點氣流開始在槳葉后發(fā)散而進入湍流模式，這種現(xiàn)象會大大地增加升力，并且導致湍流區(qū)域的升力減少，在達到這個點之前，升力隨著攻角的增大而增大。攻角 超過這個點的話，會導致失速以及升力劇烈減小的現(xiàn)象。不能把槳距角與攻角的概念混淆，攻角取決于相對來流的方向，但你也可以通過改變槳距角來改變攻角，他 們兩個一同增大，一同減小。 升力的馬格努斯效應 要解釋升力是如何產(chǎn)生的，應該看一看在氣流中旋轉(zhuǎn)的圓筒，圓筒附近氣流的當?shù)厮俣葢撌菆A筒那點的速度和來流速度的合成。

在圓筒上，頂端點的旋轉(zhuǎn)速 度和來流方向一致，而底端點的旋轉(zhuǎn)速度和來流速度方向相反。在圓筒前部有一個上洗流，在尾部有一個下洗流。表面氣流速度的不同造成了壓強的差別，頂部的壓 強要比下部的壓強小，低壓區(qū)產(chǎn)生了一個向上的力，這就是“馬格納斯效應”。這個解釋了渦和升力之間的關(guān)系。 一片帶有正攻角的槳葉能夠產(chǎn)生渦，這是因為它鋒利的后緣使它的后駐點保持在后緣，而使前駐點的位置在翼型前緣點之下。