直升機(jī)工作原理

直升機(jī)飛行原理涉及空氣動力學(xué)、飛行力學(xué)、機(jī)械結(jié)構(gòu)等多方面的知識。本文僅供感興趣的朋友“走馬觀花”，初步了解直升機(jī)飛行的一些基本原理。

拉力的產(chǎn)生

當(dāng)直升機(jī)停在地面上時，旋翼的葉片會因自身重量而自然下垂。直升機(jī)飛行時，旋翼不斷轉(zhuǎn)動，空氣流過槳葉上表面，流管變窄，流速加快，壓力降低；當(dāng)空氣流過葉片的下表面時，流管變得更厚，流速減慢，壓力增加。這樣，在葉片的上表面和下表面之間形成壓力差，并且在葉片上產(chǎn)生向上的拉力。張力的大小受許多方面的影響，如葉片和氣流之間的角度、空氣密度、機(jī)翼的大小和形狀以及葉片和氣流之間的相對速度。葉片拉力之和即為轉(zhuǎn)子拉力。

直升機(jī)飛行時，旋翼的葉片會形成一個有一定錐度、底部朝上的大錐體，稱為旋翼錐體。轉(zhuǎn)子的拉力垂直于轉(zhuǎn)子錐體的底部。向上拉力大于直升機(jī)自重時，直升機(jī)上升，小于直升機(jī)自重時，直升機(jī)下降，剛好相等，直升機(jī)懸停。

通過控制旋翼錐體向前、后、左、右方向的傾斜，可以改變旋翼拉力的方向，使直升機(jī)可以朝不同的方向飛行。

“惱人”的反作用力

牛頓第三定律告訴我們“兩個相互作用的物體之間的作用力和反作用力總是大小相等方向相反，作用在同一條直線上”。因此，當(dāng)直升機(jī)驅(qū)動旋翼旋轉(zhuǎn)時，旋翼必然會對直升機(jī)產(chǎn)生反作用力矩。如果只有一個旋翼，不采取其他措施，直升機(jī)機(jī)身會不由自主地旋轉(zhuǎn)。

為此，設(shè)計(jì)者想了很多辦法來控制反力矩，比如按照并排、前后柱、上下同軸、相交的布局，安裝兩個大小相同、旋轉(zhuǎn)方向相反的轉(zhuǎn)子來抵消彼此的反力矩。比如利用射流引射器與主旋翼下洗氣流的良好相互作用來抵消反作用力矩，但比較簡單的方法是在尾部安裝一個垂直旋轉(zhuǎn)的小旋翼，稱為尾旋翼，通過或“拉”或。本文指的是這種單旋翼、尾槳直升機(jī)，除了特別說明。

通過控制尾槳的“拉力”或“推力”，可以使直升機(jī)偏轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)直升機(jī)的轉(zhuǎn)彎。

槳葉揮舞

當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，它做圓周運(yùn)動。由于半徑的原因，葉尖的線速度很高，而靠近葉片中心的根部線速度很小，甚至幾乎為零。因此，單個葉片上產(chǎn)生的升力在地方都不相同。比較大升力產(chǎn)生在葉尖附近，而根部附近只產(chǎn)生很小的升力。

此外，當(dāng)直升機(jī)向前運(yùn)動時，旋翼內(nèi)前槳葉(槳葉向機(jī)頭旋轉(zhuǎn))的相對氣流速度高于后槳葉(槳葉向機(jī)尾旋轉(zhuǎn))，其產(chǎn)生的升力也大于后槳葉，導(dǎo)致兩側(cè)升力不均勻。

如果葉片與輪轂剛性連接，一方面，葉片上不均勻的升力會使葉片強(qiáng)烈扭轉(zhuǎn)，不僅會加速葉片材料的疲勞，還容易引起振動；另一方面，旋翼兩側(cè)不均勻的升力會使機(jī)身向一側(cè)滾動失去平衡。為了解決這些問題，設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)了一個鉸鏈裝置來連接葉片和輪轂，即“揮舞鉸”.

“拍動鉸鏈”，又稱“水平對比法”，是在葉片根部設(shè)置一個水平軸孔，通過螺栓與輪轂連接。這種連接方式允許刀片在一定范圍內(nèi)擺動。這樣，葉片向前運(yùn)動時，由于升力的增加，自然向上擺動，實(shí)際運(yùn)動方向不是水平，而是斜向上。由于這種運(yùn)動，葉片的實(shí)際迎角也減小，升力減小。鏟刀后退時，升力不足，自然下降。這種旋轉(zhuǎn)和下落的運(yùn)動使得葉片的實(shí)際迎角增加，升力增加。同時，由于離心力的存在，葉片會自然拉直，所以在升力的作用下不會無限上升或下降，也就是說葉片的揮舞幅度不是無限的。同時，設(shè)計(jì)師也在機(jī)械結(jié)構(gòu)上采取了相應(yīng)的措施，保證葉片不會因無限揮舞而與機(jī)身發(fā)生碰撞。

擺振的問題

葉片揮舞雖然解決了升力不均勻、材料疲勞等問題，但也帶來了新的問題。當(dāng)葉片向上擺動時，重心與旋轉(zhuǎn)軸之間的距離減小，科里奧利力矩加速了葉片的旋轉(zhuǎn)。當(dāng)葉片回到水平位置時，重心與旋轉(zhuǎn)軸之間的距離增加，科氏力力矩會減緩葉片的旋轉(zhuǎn)。科里奧利力力矩的大小和方向隨著葉片的擺動而周期性變化，葉片會在水平方向來回?cái)[動，以補(bǔ)償擺動引起的科里奧利效應(yīng)。如果不加以控制，對葉根的損傷會非常大。解決辦法是安裝一個“擺振鉸”.

“拖鉸”，又稱“豎鉸”，是在葉片根部設(shè)置一個豎軸孔，通過螺栓與輪轂的其他結(jié)構(gòu)連接。這種連接方式允許葉片在小范圍內(nèi)來回?cái)[動，從而避免葉片根部彎曲或疲勞斷裂。此外，為了給葉片繞阻力鉸鏈的擺振運(yùn)動提供阻尼，并確保足夠的穩(wěn)定裕度以防止“地面共振”，擺振阻尼器，稱為擺振阻尼器，通常安裝在阻力鉸鏈上。

由于阻力鉸鏈的存在，葉片向前運(yùn)動時自然增大后掠角(所謂“滯后”，是因?yàn)槿~片在旋轉(zhuǎn)方向上的角速度低于圓心的旋轉(zhuǎn)速度)，使葉片截面在氣流方向上的長度同相增大，加強(qiáng)了減小攻角的效果；當(dāng)向后轉(zhuǎn)時，減擺器將葉片恢復(fù)到正常位置(所謂的“”，因?yàn)槿~片在旋轉(zhuǎn)方向上的角速度高于圓心的旋轉(zhuǎn)速度)，這增強(qiáng)了增加攻角的效果，所以阻力鉸鏈有時被稱為-滯后鉸鏈。

變距的問題

葉片根部還有一個重要的鉸鏈裝置，即“變距鉸”,也被稱為“軸向鉸鏈”。其作用是使葉片在一定范圍內(nèi)繞其軸線偏轉(zhuǎn)，從而改變其安裝角度，從而調(diào)節(jié)葉片產(chǎn)生的升力。簡單來說就是實(shí)現(xiàn)葉片變槳距運(yùn)動的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。

揮舞鉸、擺振鉸和變距鉸是實(shí)現(xiàn)直升機(jī)控制和旋翼正常工作的關(guān)鍵。

其他形式

除了采用全鉸接旋翼(配有拍動鉸鏈、拖曳鉸鏈和變槳距鉸鏈)的直升機(jī)外，有的直升機(jī)采用球形彈性體軸承總成實(shí)現(xiàn)三個鉸接部件的功能，即真實(shí)拍動鉸鏈、拖曳鉸鏈和變槳距鉸鏈，有的采用非鉸接結(jié)構(gòu)，即取消獨(dú)立拍動鉸鏈和拖曳鉸鏈，通過葉片根部柔性元件的變形實(shí)現(xiàn)揮舞和擺振功能。

另外，主旋翼只有兩個槳葉的直升機(jī)通常采用蹺蹺板輪轂結(jié)構(gòu)，輪轂通過水平螺栓結(jié)構(gòu)與主軸連接，輪轂可以繞這個螺栓轉(zhuǎn)動。

操縱機(jī)構(gòu)

如上所述，通過控制旋翼和尾槳，直升機(jī)可以上升、下降、懸停、向前飛行、側(cè)向飛行和轉(zhuǎn)彎。所以，其實(shí)直升機(jī)的操縱機(jī)構(gòu)主要是針對旋翼和尾槳的。直升機(jī)的主要控制機(jī)構(gòu)包括轉(zhuǎn)向柱(也稱為周期變槳距桿)、總槳距桿、踏板等。

街道

集體俯仰桿通常位于駕駛員座椅的左側(cè)，由駕駛員左手操作。它通過控制線與自動傾翻器連接，所有葉片的攻角由自動傾翻器控制，從而可以改變?nèi)~片螺距，從而改變旋翼的升力。旋轉(zhuǎn)油門控制機(jī)構(gòu)設(shè)置在一些總距離操縱桿的手柄上，用于調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)油門的大小，使發(fā)動機(jī)的輸出功率能夠適應(yīng)轉(zhuǎn)子葉片變槳后轉(zhuǎn)子所需的功率；有的全槳距桿集成了發(fā)動機(jī)功率控制器，可以根據(jù)轉(zhuǎn)子葉片的槳距變化自動調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)的輸出功率；所以總距離杠桿也叫總距離油門杠桿。

自動調(diào)角器是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向桿和總距桿操作的重要部件，它由兩個主要部分組成：非旋轉(zhuǎn)環(huán)和旋轉(zhuǎn)環(huán)。非旋轉(zhuǎn)環(huán)安裝在轉(zhuǎn)子軸上，并通過控制線系統(tǒng)與轉(zhuǎn)向桿和集合距離桿連接。它可以向方向傾斜，并沿轉(zhuǎn)子軸上下垂直移動，但不能旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)環(huán)通過軸承安裝在非旋轉(zhuǎn)環(huán)上，并通過拉桿與變距鉸鏈(軸向鉸鏈)連接，變距鉸鏈不僅可以與轉(zhuǎn)子軸一起旋轉(zhuǎn)，還可以沿著非旋轉(zhuǎn)環(huán)傾斜，作為一個整體沿著旋轉(zhuǎn)軸上下垂直移動。

操縱的實(shí)現(xiàn)

駕駛員通過駕駛員對轉(zhuǎn)向桿的橫向和縱向操縱使自動傾角調(diào)節(jié)器的旋轉(zhuǎn)環(huán)和非旋轉(zhuǎn)環(huán)在相應(yīng)的方向上傾斜。由于轉(zhuǎn)環(huán)通過固定長度的拉桿與葉片的俯仰鉸鏈連接，自動傾翻器的傾斜會導(dǎo)致葉片的俯仰周期性變化，使得旋翼的氣動力不對稱，旋翼的錐體會向相應(yīng)方向傾斜，旋翼的拉矢方向也會向相應(yīng)方向傾斜，從而達(dá)到控制直升機(jī)橫向和縱向飛行的目的。如果轉(zhuǎn)向柱向前偏離中立位置，旋翼錐體向前傾斜，直升機(jī)低頭向前移動；向后，旋翼錐體向后傾斜，直升機(jī)抬頭后退；向左，旋翼錐體向左傾斜，直升機(jī)向左傾斜，向左移動；向右，旋翼錐體向右傾斜，直升機(jī)向右傾斜并向右移動。

駕駛員提升和降低集體俯仰桿的操作通過控制線系統(tǒng)使自動調(diào)角器的旋轉(zhuǎn)環(huán)和非旋轉(zhuǎn)環(huán)沿轉(zhuǎn)子軸向上下移動。另外，由于旋轉(zhuǎn)環(huán)通過固定長度的拉桿與葉片的俯仰鉸鏈連接，自動傾斜器的上下運(yùn)動將導(dǎo)致葉片的俯仰增加或減少，這將增加或減少轉(zhuǎn)子的升力。簡單來說，桅桿升起時，槳葉的螺距和發(fā)動機(jī)的輸出功率增大，旋翼的升力增大，直升機(jī)上升；當(dāng)桅桿下降時，葉片槳距和發(fā)動機(jī)輸出功率減小，旋翼升力減小，直升機(jī)下降。

踏板位于駕駛員座椅的前下部，由駕駛員的腳操縱，通過控制線系統(tǒng)與尾槳相連，實(shí)現(xiàn)尾槳的變槳，控制尾槳葉片的槳距，改變尾槳的“拉力”或“推力”。尾槳的結(jié)構(gòu)與旋翼相似，但比旋翼簡單得多。既沒有自動傾斜器，也沒有周期性的音調(diào)變化。一般來說，如果你在一側(cè)踩踏板，直升機(jī)機(jī)頭會偏向那一側(cè)。

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一般是40-50度，60度以上是游戲或者讀寫比較多的軟件。不過硬盤一般能達(dá)到80度以上，不用擔(dān)心普克特硬盤的溫度。

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