直升機原理詳解

時間：2011-04-05 10:12來源：藍(lán)天飛行翻譯 作者：航空 點擊：次

Freewing 是推力轉(zhuǎn)向的一個新思路，機身、機翼固定，但安裝發(fā)動機的前機身可以抬起來，提供額外的升力分量，縮短起飛距離。不過 Freewing 不可能實現(xiàn)垂直起落

到目前為止，F(xiàn)reewing 只用于無人機，由于前機身在起落時要高高揚起，載人的機艙布置在前機身恐怕有問題，而飛行員坐在后機身又有違傳統(tǒng)，看來 Freewing 概念要用到載人飛機還有一段日子

不過人們的想象力是無窮的，如果倒一個個兒，前機身和地面水平，后機身翹起來，水平滑跑一小段距離后，水平尾翼用氣動力量把尾巴壓下去…… / 這樣較重的前機身就抬了起來，可以利用向下的噴氣推力分量，增加升力，尾撐之間的水平尾翼還可以“捕獲”噴氣發(fā)動機的下洗氣流從地面的反彈，利用地效增升，實現(xiàn)短距起飛。事實上，這是利用機身的轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)推力轉(zhuǎn)向，對發(fā)動機的要求最低。起飛后，后機身放下來，和前機身平行，像普通飛機一樣飛行

這個就比較瘋狂了
旋翼也好，螺旋槳也好，產(chǎn)生推力的原理都是一樣的。如果把螺旋槳用涵道包覆起來，變成涵道螺旋槳（ducted fan），初看和普通螺旋槳沒有太大兩樣，但是涵道內(nèi)外的氣流有速度差，在貝努力原理的作用下，涵道內(nèi)的高度氣流可以拖動涵道外的低速氣流，可以產(chǎn)生比涵道內(nèi)氣流流動多至 50% 的額外推力。涵道本身在平飛狀態(tài)也產(chǎn)生升力，這時圓形的涵道實際上就構(gòu)成了環(huán)形機翼。平直翼、后掠翼、三角翼甚至前掠翼是人們所熟悉的，但環(huán)形翼也是產(chǎn)生升力的一個有效方法。環(huán)形翼可以想象成翼梢小翼的一個極端，由于制造和分析上不如平面翼簡單，一直沒有得到重視，在涵道風(fēng)扇上的應(yīng)用可算是歪打正著。涵道風(fēng)扇也可以傾轉(zhuǎn)，除了涵道本身也產(chǎn)生升力外，傾轉(zhuǎn)涵道風(fēng)扇（tilt ducted fan）具有和傾轉(zhuǎn)螺旋槳一樣的優(yōu)缺點，不過在涵道風(fēng)扇在傾轉(zhuǎn)過程中，唇部的迎角不斷變化，傾轉(zhuǎn)到一定程度時會引起失速，改變飛機的升力分布，帶來一定的飛行控制上的困難，同時造成風(fēng)扇進氣的紊亂，和很大的嗡嗡聲。Doak VZ-4 是傾轉(zhuǎn)涵道風(fēng)扇的先驅(qū)，但最重要的傾轉(zhuǎn)涵道風(fēng)扇飛機應(yīng)該是貝爾 X-22。盡管美國海軍這是三軍聯(lián)合的項目的一員，但海軍更中意短小的傾轉(zhuǎn)涵道風(fēng)扇方案，以便由航母升降機容納，也免除折疊機翼的必要。涵道風(fēng)扇也對甲板人員比較安全。于是海軍在參加 XC-142 的同時，推動貝爾 X-22 計劃。貝爾 X-22 采用四臺渦軸發(fā)動機，兩兩布置在垂尾兩側(cè)，通過交聯(lián)的同步軸，驅(qū)動所有四副涵道風(fēng)扇，每個涵道出口的一個氣動控制面提供垂直起落和平飛中的飛行控制。巨大的垂尾實際上沒有舵面，只是起方向穩(wěn)定作用。X-22 的涵道風(fēng)扇的有 35% 的剩余功率，只要三個涵道風(fēng)扇就能夠?qū)崿F(xiàn)垂直起落，只剩兩個了還能正常平飛，在跑道降落只需要一個涵道風(fēng)扇就夠了。海軍對 X-22 的試飛成果相當(dāng)滿意，責(zé)成負(fù)責(zé)研制 X-22 飛行控制的 Cornell Aeronautical Laboratory（后稱 Calspan 公司）繼續(xù)完善自動飛行增穩(wěn)控制系統(tǒng)。到 80 年 Calspan 完成項目，軍方已經(jīng)對垂直起落飛機失去耐心，X-22 計劃無疾而終。

Doak VZ-4 是采用傾轉(zhuǎn)涵道風(fēng)扇的先驅(qū) / 水平的涵道本身可以產(chǎn)生升力，但傾轉(zhuǎn)過程中，涵道唇部會出現(xiàn)失速

Doak VZ-4 從起飛到平飛的轉(zhuǎn)換過程

貝爾 X-22 又是一個三軍聯(lián)合的項目 / 由于采用涵道風(fēng)扇，沒有不對稱升力和后行槳葉失速的問題，可以放心采用剛性槳葉

四
個大水桶一樣的涵道風(fēng)扇在空中翻轉(zhuǎn)，也是一景 / 法國的 Nord（后并入 Aerospatiale）也研制了 Nord 500 Cadet，發(fā)動機推力和涵道出口的菱形導(dǎo)流片提供懸停狀態(tài)下的姿態(tài)控制
　　如果不傾轉(zhuǎn)涵道風(fēng)扇，而是把涵道風(fēng)扇固定在機翼或機身內(nèi)重心附近，用于在垂直起落時提供升力，在平飛的時候覆蓋起來，減少阻力，這就是升力風(fēng)扇的方案了。升力風(fēng)扇方案并不新穎，二戰(zhàn)后期納粹德國熱衷于一劍定乾坤的秘密武器，垂直起落戰(zhàn)斗機是其中的一部分，升力風(fēng)扇就是以研制號稱二戰(zhàn)中德國最優(yōu)秀戰(zhàn)斗機 FW 190 戰(zhàn)斗機著名的 Focke-Wulf 的方案。但首先實現(xiàn)這個概念的，還是 Vanguard Omniplane。Vanguard 是由 Piasecki 分出來的一些人建立的，Omniplane 時運不佳，完成系留試驗后，機械可靠性的問題就早早終止了 Omniplane 的生涯。不久，制造航空發(fā)動機出生的通用電氣希望涉足垂直起落領(lǐng)域，和 Ryan 合作，研制了 XV-5 研究機。XV-5 比 Omniplane 要接近實用化多了，升力風(fēng)扇依然埋在機翼里，但在平飛的時候，可以由蓋板蓋起來，減小阻力。上蓋板是背對背打開的兩個半圓形，下蓋板是百葉窗形，打開時用作懸停狀態(tài)下的偏航控制。機首有一個由百葉窗遮蓋的小型升力風(fēng)扇，用于俯仰控制。XV-5 的升力風(fēng)扇有 31% 的剩余功率。XV-5 暴露了升力風(fēng)扇的一些問題：升力風(fēng)扇占用體積過大，載油和機載設(shè)備很受限制。另外飛行控制響應(yīng)不靈敏，懸停到平飛的轉(zhuǎn)換只有很小的操作窗口，越界的話，容易失事。由于機翼內(nèi)的風(fēng)扇使機翼很厚，XV-5 遇到很大的阻力問題，盡管是噴氣式飛機，實際平飛速度不比二戰(zhàn)時的螺旋槳飛機快。XV-5 在 70 年代頭上就下馬了。不過升力風(fēng)扇在 90 年代再現(xiàn)輝煌，入選的洛克希德 F-35 采用的就是升力風(fēng)扇。F-35 的故事容后再述。

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