關(guān)于直升機(jī)，你應(yīng)該知道的那些事兒

汪鑫

1.直升機(jī)為什么不能稱(chēng)為“直升飛機(jī)”？

直升機(jī)是飛行器中一個(gè)獨(dú)具特色的門(mén)類(lèi)。它最大的特點(diǎn)是由繞固定軸旋轉(zhuǎn)的旋翼同時(shí)提供向上的升力和水平方向的推力。事實(shí)上，很多人都不是很清楚，雖然與固定翼飛機(jī)同屬于重于空氣的飛行器，但直升機(jī)卻不屬于“飛機(jī)”。

通常情況下，我們?cè)谔岬健帮w機(jī)”時(shí)，都是指通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生推力，通過(guò)固定機(jī)翼與空氣相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生升力實(shí)現(xiàn)飛行的飛行器。因此，一些人將直升機(jī)稱(chēng)為“直升飛機(jī)”是不對(duì)的。

圖1 AS365“海豚”直升機(jī)，經(jīng)典的單旋翼涵道式尾槳直升機(jī)

也是由于同樣的道理，直升機(jī)的旋翼，也不能被稱(chēng)為“螺旋槳”。原因也很簡(jiǎn)單，因?yàn)槁菪龢w機(jī)所使用的螺旋槳，是活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，用于向飛機(jī)提供水平方向的拉力。飛機(jī)的升力，依然是靠機(jī)翼與空氣的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的。而直升機(jī)的旋翼，提供的卻是垂直方向的升力，二者的作用截然不同。

2.直升機(jī)是怎么飛起來(lái)的？又是怎樣實(shí)現(xiàn)向不同方向飛行的？

直升機(jī)是通過(guò)旋翼的旋轉(zhuǎn)，與空氣相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生升力。這個(gè)升力的方向，總是向上垂直于旋翼的所在平面，航空工程師們通常稱(chēng)之為“槳盤(pán)平面”。當(dāng)向上的升力大于直升機(jī)自重時(shí)，直飛機(jī)就上升;小于自重，直升機(jī)就下降;剛好相等時(shí)，直升機(jī)就會(huì)懸停。

圖2 經(jīng)典的UH-60“黑鷹”直升機(jī)。單旋翼帶尾槳直升機(jī)是直升機(jī)的主流

如果我們想讓直升機(jī)向前飛行，該怎么辦呢？很簡(jiǎn)單，只需要向前傾斜旋翼的翼面，這時(shí)候升力會(huì)產(chǎn)生水平和垂直兩個(gè)方向的分量。只要保持垂直方向的升力分量能克服重量，直升機(jī)就可以向前飛行。同樣的道理，向后傾斜翼面，就可以讓直升機(jī)就向后飛行。而具備低速向后飛行的能力，是直升機(jī)相對(duì)于固定翼飛機(jī)的優(yōu)勢(shì)之一?？傊?，想讓直升機(jī)向哪個(gè)方向飛行，就向哪個(gè)方向傾斜“槳盤(pán)平面”。

圖3 CH-47“支奴干”直升機(jī)

3.直升機(jī)的飛行速度怎么樣？

現(xiàn)在還有一些關(guān)于直升機(jī)的說(shuō)法也是不正確的，比如“直升機(jī)飛得比固定翼飛機(jī)慢”。實(shí)際上，目前采用渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)的直升機(jī)，許多在速度超過(guò)了采用活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的老式飛機(jī)。

不過(guò)，由于自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，直升機(jī)永遠(yuǎn)不可能像先進(jìn)的噴氣飛機(jī)那樣，實(shí)現(xiàn)超聲速或者高超聲速飛行。從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，采用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的直升機(jī)，在速度上遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于采用渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)的固定翼飛機(jī)。

圖4 卡-52“短吻鱷”

首先，從基本的飛行原理來(lái)說(shuō)，直升機(jī)的升力和推力，都是通過(guò)同一組發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)旋翼來(lái)實(shí)現(xiàn)的。相比之下，固定翼飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)，只負(fù)責(zé)提供水平方向的推力（或拉力），飛機(jī)的升力由機(jī)翼產(chǎn)生，在速度上固定翼飛機(jī)擁有天然的優(yōu)勢(shì)。

其次，直升機(jī)使用的通常是渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)，渦輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的功率，必須通過(guò)一個(gè)軸傳遞到旋翼上，這其中不可避免會(huì)有功率的損耗。工程師們無(wú)論怎樣設(shè)計(jì)，都只能做到減小這個(gè)損耗，不可能徹底根除這個(gè)損耗。

第三，直升機(jī)在飛行過(guò)程中，旋翼槳葉受到的升力會(huì)有所變化。舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)直升機(jī)前飛時(shí)，由于機(jī)身自身相對(duì)于空氣速度的存在，旋翼不同槳葉受到的升力是不同的。向前的槳葉的升力，總是比向后的槳葉受到的升力更大。直升機(jī)前飛的速度越快，前后槳葉之間的升力差越大。因此，當(dāng)飛機(jī)速度加快到一定程度后，理論上，有可能會(huì)造成旋翼槳葉的斷裂。在實(shí)際中，不等升力差易造成槳葉斷裂，僅槳葉因升力變化而產(chǎn)生的上下“揮舞”，在積累到一定程度就會(huì)造成直升機(jī)失速。因此，旋翼本身就決定了直升機(jī)的速度是有上限的。

圖5 K-MAX直升機(jī)，非常有特色的交錯(cuò)式雙旋翼直升機(jī)

根據(jù)目前公開(kāi)資料，按照目前的技術(shù)水平，直升機(jī)的最大平飛速度可達(dá)到約300千米/小時(shí)。

4.直升機(jī)的分類(lèi)包括哪些？

通常，直升機(jī)按照旋翼分類(lèi)，可分為單旋翼直升機(jī)，雙旋翼直升機(jī)和多旋翼直升機(jī)。

其中，單旋翼直升機(jī)是直升機(jī)的最主要的類(lèi)型，它使用單一的主旋翼（main rotor）生升力，但因?yàn)榻莿?dòng)量守恒的原因，必須配有一個(gè)反扭矩機(jī)制去抵消主旋翼旋轉(zhuǎn)造成的機(jī)體反向旋轉(zhuǎn)。

單旋翼直升機(jī)按照尾槳還可分為帶尾槳、涵道式尾槳和無(wú)尾槳三種類(lèi)型。最常見(jiàn)的直升機(jī)類(lèi)型都是單旋翼帶尾槳類(lèi)型。

涵道式尾槳是傳統(tǒng)尾旋翼的一個(gè)變種，用安裝在涵道式外殼內(nèi)的涵道風(fēng)扇代替了外置開(kāi)放式的傳統(tǒng)旋槳，優(yōu)點(diǎn)是安全性高、震動(dòng)和噪音小，缺點(diǎn)是重量大、造價(jià)高、推重比相對(duì)較低等等，典型機(jī)型包括EC120“蜂鳥(niǎo)”、AS365“海豚Ⅱ”、俄羅斯的卡-60“虎鯨”、日本陸上自衛(wèi)隊(duì)的川崎OH-1和中國(guó)的直-19直升機(jī)等等。

無(wú)尾槳直升機(jī)取消了尾槳設(shè)計(jì)，由機(jī)身尾部側(cè)面的排氣口排出空氣，與旋翼的下洗氣流相互作用產(chǎn)生側(cè)向力來(lái)抵消旋翼產(chǎn)生的反扭矩。典型機(jī)型有美國(guó)麥道直升機(jī)公司生產(chǎn)的MD520N直升機(jī)。

圖6 法國(guó)飛行器設(shè)計(jì)師保羅·科爾尼

雙旋翼直升機(jī)有并列式雙旋翼、共軸式雙旋翼和交錯(cuò)式雙旋翼三種類(lèi)型。并列式雙旋翼直升機(jī)的代表有CH-47“支奴干”等;共軸式雙旋翼的代表有卡-52“短吻鱷”等;交錯(cuò)式雙旋翼直升機(jī)代表有美國(guó)的K-MAX直升機(jī)等。

多旋翼直升機(jī)是指有三個(gè)或三個(gè)以上的旋翼產(chǎn)生升力的直升機(jī)，今日廣為普及的“大疆”無(wú)人機(jī)就是比較典型的多旋翼直升機(jī)。

5.直升機(jī)是如何誕生的？

直升機(jī)的起源，可以追溯到人類(lèi)最古老的飛行夢(mèng)想：原地騰空而起，可以在空中滯留，俯瞰大地的景色，還能在任意地點(diǎn)降落。

世界各國(guó)的古代神話(huà)，從古埃及的飛行戰(zhàn)車(chē)，到古代阿拉伯人的飛毯，再到《西游記》中騰云駕霧的孫悟空，故事背景雖然各不相同，但對(duì)于“垂直起降”的追求卻是高度一致的。古代中國(guó)勞動(dòng)人民也是依據(jù)這一設(shè)想，發(fā)明了“竹蜻蜓”這樣的玩具。

圖7 德國(guó)?？斯局圃斓腇W-61雙旋翼直升機(jī)

隨著生產(chǎn)力的發(fā)展和人類(lèi)技術(shù)的進(jìn)步，直升機(jī)的發(fā)展史由幻想時(shí)期進(jìn)入了探索時(shí)期。在1903年，萊特兄弟的飛機(jī)升空使人類(lèi)進(jìn)入了航空時(shí)代。那時(shí)候的工程師們開(kāi)始意識(shí)到，直升機(jī)的飛行方式，比固定翼飛機(jī)更加復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)的工藝也難度更高。

從20世紀(jì)開(kāi)始，盡管一代代航空先驅(qū)前赴后繼，付出了艱巨的努力，但直到萊特兄弟成功試飛后三十多年，直升機(jī)的成功飛行依然遲遲未能到來(lái)。

圖8 納粹德國(guó)年輕的女性飛行員漢娜·里奇

1907年8月，法國(guó)人保羅 · 科爾尼研制出一架全尺寸載人直升機(jī)，并在同年11月13日進(jìn)行了試飛。這次試飛并不成功，直升機(jī)只在距地30厘米左右的地方懸停了大約20秒左右便摔在了地上，而且完全不能操作。盡管如此，科爾尼依然被認(rèn)為研制出了“人類(lèi)第一架直升機(jī)”。

圖9 1944年，西科斯基本人乘坐R-4直升機(jī)

1938年，納粹德國(guó)年輕的女性飛行員漢娜 · 萊赤（Hanna Reitsch）駕駛著一架德國(guó)福克公司制造的FW-61雙旋翼直升機(jī)，在柏林體育場(chǎng)進(jìn)行了一次出色的飛行表演。這架直升機(jī)被認(rèn)為是世界上第一種試飛成功的直升機(jī)。

隨后，1939年，伊戈?duì)?· 西科斯基研制的VS-300直升機(jī)在美國(guó)成功試飛。這是第一架成功試飛的單旋翼直升機(jī)，其“單旋翼+尾槳”的布局至今是直升機(jī)設(shè)計(jì)的主流布局。

VS-300直升機(jī)隨后進(jìn)行了量產(chǎn)，并被美軍采購(gòu)，用于搜救飛行員，軍隊(duì)給它的代號(hào)是R-4直升機(jī)，這是人類(lèi)歷史上第一款量產(chǎn)的直升機(jī)。

R-4最早出現(xiàn)在戰(zhàn)場(chǎng)上是在1944年的二戰(zhàn)戰(zhàn)場(chǎng)，但其大量使用是在朝鮮戰(zhàn)爭(zhēng)中。也是從朝鮮戰(zhàn)爭(zhēng)開(kāi)始，直升機(jī)的發(fā)展真正進(jìn)入了實(shí)用階段。