人类有史以来就向往着能够自由飞行。古老的神话故事诉说着人类早年的飞行梦,而梦想的飞行方式都 是原地腾空而起,像现代直升机那样既能自由飞翔又,能悬停于空中,并且随意实现定点着陆。例如哪 阿拉伯人的飞毯,希腊神的战车,都是垂直起落飞行器。然而它们毕竞只存在于神话故事中,那个时代 J科学技术水平太低,不可能创造出载人的飞行器,可以说,那是人类飞行的幻想时期。 即使在幻想时期,仍然产生了直升机的基本思想,昭示了现代直升机的原理。最有价值、最具代表 性的是中国古代的玩具“竹蜻蜒”和意大利人达芬奇的画。 竹蜻蜓 达芬奇的画 竹蜻蜒有据可查的历史记载于晋朝(公元265-420“年)葛洪所著的《抱朴子》一书中。它利用螺旋 桨的空气动力实现垂直升空,演示了现代直升机旋翼的基本工作原理。这种玩具于14世纪传到欧洲,带 去了中国人的创造。欧洲人将它作为航空器来研究和发展。“英国航空之父”乔治凯利(1773-1857年 曾制造过几个竹蜻蜓,用钟表发条作为动力来驱动旋转,飞行高度曾达27M 15世纪达·芬奇的画是世界上最早的直升机设计方案图。大概也想仿照当时的提水机械,以阿基米 德螺线形状的翼面在空气中旋转,实现把人垂直提升到空中的构想。在古代,生产力和科技水平低下, 当然不能造出实际的直升机,然而中国人的竹蜻蜓和意大利人达·芬奇的直升机方案图画,为现代直升机 的发明提供了启示,指出了正确的思维方向,它们被公认是直升机发展史的起始点 随着生产力的发展和人类文明的进步,直升机的发展史由幻想时期进入了探索时期。欧洲产业革 PdfcreatedwithpdffactorYtrialversionwww.pdffactory.com
1 人类有史以来就向往着能够自由飞行。古老的神话故事诉说着人类早年的飞行梦，而梦想的飞行方式都 是原地腾空而起，像现代直升机那样既能自由飞翔又，能悬停于空中，并且随意实现定点着陆。例如哪 阿拉伯人的飞毯，希腊神的战车，都是垂直起落飞行器。然而它们毕竞只存在于神话故事中，那个时代 的科学技术水平太低，不可能创造出载人的飞行器，可以说，那是人类飞行的幻想时期。 即使在幻想时期，仍然产生了直升机的基本思想， 昭示了现代直升机的原理。最有价值、最具代表 性的是中国古代的玩具“竹蜻蜒”和意大利人达·芬奇的画。 竹蜻蜓 达·芬奇的画 竹蜻蜒有据可查的历史记载于晋朝(公元 265—420‘年)．葛洪所著的《抱朴子》一书中。它利用螺旋 桨的空气动力实现垂直升空，演示了现代直升机旋翼的基本工作原理。这种玩具于 14 世纪传到欧洲，带 去了中国人的创造。 欧洲人将它作为航空器来研究和发展。“英国航空之父”乔治·凯利(1773 一 1857 年) 曾制造过几个竹蜻蜓，用钟表发条作为动力来驱动旋转，飞行高度曾达 27M。 15 世纪达·芬奇的画是世界上最早的直升机设计方案图。大概也想仿照当时的提水机械，以阿基米 德螺线形状的翼面在空气中旋转，实现把人垂直提升到空中的构想。在古代，生产力和科技水平低下， 当然不能造出实际的直升机，然而中国人的竹蜻蜓和意大利人达·芬奇的直升机方案图画，为现代直升机 的发明提供了启示，指出了正确的思维方向，它们被公认是直升机发展史的起始点。 随着生产力的发展和人类文明的进步， 直升机的发展史由幻想时期进入了探索时期。欧洲产业革 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
命之后,机械工业迅速倔起,尤其是本世纪初汽车和轮船的发展,为飞行器准备了发动机和可供借鉴的 螺旋桨。经过航空先驱者们勇敢而艰苦的创造和试验,1903年莱特(Wigh兄弟创造的固定翼飞机滑跑起 飞成功。在此期间,尽管在发展直升机方面他付出了很多的艰辛和努力,但由于直升机技术的复杂性和 发动机性能不佳,它的成功飞行比飞机迟了30多年。 20世纪初为直升机发展的探索期,多种试验性机型相继问世。由于直升机升空后,为实现其可控稳定 飞行,第一个需要解决的问题是配平旋翼旋转所引:起的反扭矩。因此,直升机早期的方案大多是多旋 翼式,靠旋翼彼此反转来解决配平问题,如下图所示。方案的多样性表明了探索阶段的技术不成熟性。 经过多年实践,这些方案中只有纵列式和共轴双旋翼式保留了下来,至今仍在应用。双桨横列式方案未 在直升机家族中延续,但在倾转旋翼/机翼式垂直起落飞行器中得到了继承和发展。 b法国人Cm的双浆装列式(197年1 和心制1 d俄国人 Sikorsky的共轴式直升机(1910年 2 PdfcreatedwithpdffactorYtrialversionwww.pdffactory.com
2 命之后，机械工业迅速倔起，尤其是本世纪初汽车和轮船的发展，为飞行器准备了发动机和可供借鉴的 螺旋桨。经过航空先驱者们勇敢而艰苦的创造和试验，1903 年莱特(Wright)兄弟创造的固定翼飞机滑跑起 飞成功。在此期间，尽管在发展直升机方面他付出了很多的艰辛和努力，但由于直升机技术的复杂性和 发动机性能不佳，它的成功飞行比飞机迟了 30 多年。 20 世纪初为直升机发展的探索期，多种试验性机型相继问世。 由于直升机升空后，为实现其可控稳定 飞行，第一个需要解决的问题是配平旋翼旋转所引；起的反扭矩。因此，直升机早期的方案大多是多旋 翼式，靠旋翼彼此反转来解决配平问题，如下图所示。方案的多样性表明了探索阶段的技术不成熟性。 经过多年实践，这些方案中只有纵列式和共轴双旋翼式保留了下来，至今仍在应用。双桨横列式方案未 在直升机家族中延续，但在倾转旋翼／机翼式垂直起落飞行器中得到了继承和发展。 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
e酉班牙人Pe的4桨其抽式直开机(1925年) 俄国人尤利耶夫另辟捷径,提出了利用尾桨来配平旋翼反扭矩的设计方案并于1912年制造出了试验机。 这种单旋翼带尾桨式直升机成为至今最流行的形式,占到世界直升机总数的95%以上。 此外,还有其他一些先驱者也为直升机的诞生做出了贡献包括丹麦人 Ellena-merl913年制造的 直升机 经过20世纪初的努力探索,为直升机发展积累了可贵的经验并取得显著进展,有多架试验机实现了 短暂的垂直升空和短距飞行,但离实用还有很大距离当时主要的障碍有两个:一是发动机的功率/重量 之比太低,而直升机对此指标特别敏感;二是旋翼技术过于原始,不能实现对直升机的有效控制,而且 振动非常严重 飞机工业的发展,使航空发动机的性能迅速提高,为直升机的成功提供了重要条件。旋翼技术的第 次突破,应归功于西班牙人 Cierva他为了创造“不失速”的飞机以解决固定翼飞机的安全问题,采用自 转旋翼代替机翼,发明了旋翼机。他在办定翼上采用挥舞铰和周期变距,从而使旋翼能在垂直飞行和前 进飞行中产生稳定的升力,又能产生俯仰和滚转操纵力矩。旋翼技术在旋翼机上的成功应用和发展,为 直升机的诞生提供了另一个重要条件。到30年代末期,在法国、德国、美国和苏联都有直升机试飞成 功,并迅速改进达到了能够实用的程度。第二次世界大战的军事需要,加速了这一进程,促使直升机发 展由探索期进入实用期,直升机开始投入生产线生产。到二战结束时,德国工厂已生产了30多架直升机, 美国交付的以、R5、R6直升机已达400多架20世纪的后半期是直升机的实用期,其主要特征,一是 PdfcreatedwithpdffactorYtrialversionwww.pdffactory.com
3 俄国人尤利耶夫另辟捷径，提出了利用尾桨来配平旋翼反扭矩的设计方案并于 1912 年制造出了试验机。 这种单旋翼带尾桨式直升机成为至今最流行的形式，占到世界直升机总数的 95％以上。 此外，还有其他一些先驱者也为直升机的诞生做出了贡献 包括丹麦人 E11eham—merl913 年制造的 直升机。 经过 20 世纪初的努力探索，为直升机发展积累了可贵的经验并取得显著进展，有多架试验机实现了 短暂的垂直升空和短距飞行，但离实用还有很大距离 当时主要的障碍有两个：一是发动机的功率/重量 之比太低，而直升机对此指标特别敏感；二是旋翼技术过于原始，不能实现对直升机的有效控制，而且 振动非常严重。 飞机工业的发展，使航空发动机的性能迅速提高，为直升机的成功提供了重要条件。旋翼技术的第 一次突破，应归功于西班牙人 Ciervao 他为了创造“不失速”的飞机以解决固定翼飞机的安全问题，采用自 转旋翼代替机翼，发明了旋翼机。他在办定翼上采用挥舞铰和周期变距，从而使旋翼能在垂直飞行和前 进飞行中产生稳定的升力，又能产生俯仰和滚转操纵力矩。旋翼技术在旋翼机上的成功应用和发展，为 直升机的诞生提供了另一个重要条件。 到 30 年代末期，在法国、德国、美国和苏联都有直升机试飞成 功，并迅速改进达到了能够实用的程度。第二次世界大战的军事需要，加速了这一进程，促使直升机发 展由探索期进入实用期，直升机开始投入生产线生产。到二战结束时，德国工厂已生产了 30 多架直升机， 美国交付的以、 R5、 R6 直升机已达 400 多架 20 世纪的后半期是直升机的实用期，其主要特征，一是 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
应用领域不断扩展,数量迅速增加,至今已有几万架直升十机服务于国民经济的各个部门和军事领域 另一特征是技术上不断有重大突破,使其应用效能和飞行性能不断改善,从而更适合于使用的拓展,而 且技术上逐步趋于成熟。 直升机进入实用期后,其重大技术进展仍然像探索期的突破点一样,是在动力装置和旋翼方面。首 先是涡轴发动机的采用20世纪50年代在军用飞机上开始发展了涡喷发动机,使飞机的速度和其他性能 发生了飞跃。以涡喷发动机为基础,在尾喷口气流中安置了动力涡轮将喷流的动能转换为轴功率,创造 了适用于驱动直升机旋翼旋转的涡轴发动机。当代涡轴发动机的功率重量比大约是活塞式发动机的两倍, 耗油率低于活塞式,而且能够制造大功率的发动机。直升机采用涡轴发动机代替活塞式发动机,不仅使 直升机的飞行性能上了一个台阶,而且使制造大型或重型的、航程远、航时长的直升机成为可能,应用 领域大为扩展。 第二项重要的技术进展是采用复合材料的旋翼桨叶。早期的旋翼桨叶为木质或金属/木质混合结构 060年代发展了全金属桨叶,70年代开始使用复合材料桨叶,并且很快发展和普及,不仅新机采用, 些原装有金属桨叶的现有直升机也纷纷换用。复合材料桨叶的应用,不仅显著改善了气动性能,而且使 直升机的适用性更佳,维护大为简化,而最大的优势是其疲劳性能特别好,桨叶的寿命从早期的几百小 时增加到上万小时.或无限寿命。 另一项重大进展是桨毂的结构形式。早期的全金属铰接式桨毅结构复杂,重量大且维护工作量大 而且寿命仅几百小时。在实用期的几十年中,桨毂结构不断改进,出现了许多种型式,进步点集中在用 弹性铰或其他柔性元件取代金属轴承,直到近期出现了全复合材料的无轴承旋翼,达到了简化、长寿、 无维护的要求,是直升机发展阶段的又一里程碑。 当然,旋翼(桨毂、桨叶)的更新换代必然包含着空气动力学和结构动力学及其他学科领域的新成就 直升机的技术发展往往是这样:改善飞行性能的要求使得人们在空气动力学方面提出新伪方案(例如旋翼 的异型桨尖),或改善使用效能的要求:推动了新结构型式的产生(例如无轴承桨毂方案)o而气动和结构 设计方面的新思想会给动力学以及工艺等方面带来新的课题,解决了这些难题;气动或设计方面的新方 案才能得以实用,使直升机技术提高到一个新的水平。 旋翼的空气动力特点 (1)产生向上的升力用来克服直升机的重力。即使直升机的发动机空中停车时,驾驶员可通过操纵 旋翼使其自转,仍可产生一定升力,减缓直升机下降趋势。 (2)产生向前的水平分力克服空气阻力使直升机前进,类似于飞机上推进器的作用(例如螺旋桨或喷 气发动机) (3)产生其他分力及力矩对直升机;进行控制或机动飞行,类似于飞机上各操纵面的作用。旋翼由 数片桨叶及一个桨毂组成。工作时,桨叶与空气作相对运动,产生空气动力;桨毂则是用来连接桨叶 和旋翼轴,以转动旋翼。桨叶一般通过铰接方式与桨毂连接(如下图所示)。 PdfcreatedwithpdffactorYtrialversionwww.pdffactory.com
4 应用领域不断扩展，数量迅速增加，至今已有几万架直升十机服务于国民经济的各个部门和军事领域； 另一特征是技术上不断有重大突破，使其应用效能和飞行性能不断改善，从而更适合于使用的拓展，而 且技术上逐步趋于成熟。 直升机进入实用期后，其重大技术进展仍然像探索期的突破点一样，是在动力装置和旋翼方面。首 先是涡轴发动机的采用 20 世纪 50 年代在军用飞机上开始发展了涡喷发动机，使飞机的速度和其他性能 发生了飞跃。以涡喷发动机为基础，在尾喷口气流中安置了动力涡轮将喷流的动能转换为轴功率，创造 了适用于驱动直升机旋翼旋转的涡轴发动机。当代涡轴发动机的功率重量比大约是活塞式发动机的两倍， 耗油率低于活塞式，而且能够制造大功率的发动机。直升机采用涡轴发动机代替活塞式发动机，不仅使 直升机的飞行性能上了一个台阶，而且使制造大型或重型的、航程远、航时长的直升机成为可能，应用 领域大为扩展。 第二项重要的技术进展是采用复合材料的旋翼桨叶。早期的旋翼桨叶为木质或金属/木质混合结构 060 年代发展了全金属桨叶，70 年代开始使用复合材料桨叶，并且很快发展和普及，不仅新机采用，一 些原装有金属桨叶的现有直升机也纷纷换用。复合材料桨叶的应用，不仅显著改善了气动性能，而且使 直升机的适用性更佳，维护大为简化，，而最大的优势是其疲劳性能特别好，桨叶的寿命从早期的几百小 时增加到上万小时．或无限寿命。 另一项重大进展是桨毂的结构形式。早期的全金属铰接式桨毅结构复杂，重量大且维护工作量大， 而且寿命仅几百小时。在实用期的几十年中，桨毂结构不断改进，出现了许多种型式，进步点集中在用 弹性铰或其他柔性元件取代金属轴承，直到近期出现了全复合材料的无轴承旋翼，达到了简化、长寿、 无维护的要求，是直升机发展阶段的又一里程碑。 当然，旋翼(桨毂、桨叶)的更新换代必然包含着空气动力学和结构动力学及其他学科领域的新成就。 直升机的技术发展往往是这样：改善飞行性能的要求使得人们在空气动力学方面提出新伪方案(例如旋翼 的异型桨尖)，或改善使用效能的要求：推动了新结构型式的产生(例如无轴承桨毂方案)o 而气动和结构 设计方面的新思想会给动力学以及工艺等方面带来新的课题，解决了这些难题；气动或设计方面的新方 案才能得以实用，使直升机技术提高到一个新的水平。 旋翼的空气动力特点 (1)产生向上的升力用来克服直升机的重力。 即使直升机的发动机空中停车时， 驾驶员可通过操纵 旋翼使其自转，仍可产生一定升 力，减缓直升机下降趋势。 (2)产生向前的水平分力克服空气阻 力使直升机前进，类似于飞机上推进器的作用(例 如螺旋桨或喷 气发动机)。 (3)产生其他分力及力矩对直升机； 进行控制或机动飞行，类似于飞机上各操纵面的作用。 旋翼由 数片桨叶及一个桨毂组成。工作时，桨叶与空气作相对 运动，产生空气动力；桨毂则是用来连接 桨叶 和旋翼轴，以转动旋翼。桨叶一般通过铰接方式与桨毂连接(如下图所示)。 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com
: 轴向铰 轴套 水平铰 垂直铵、 轴套 万向接头 轴向饺 轴向饺 桨轴 a钦接式旋翼 b万向接头式旋翼 图2.1-2典型的饺接式旋翼 http://asp2.6to23.com/ehelicopter/principle/sl/p06.gif700x386 旋翼的运动与固定翼飞机机翼的不,因为旋翼的桨叶除了随直升机一同作直线或曲线动外,还要绕 旋翼轴旋转,因此桨叶空气动力现象要比机翼的复杂得多 先来考察一下旋翼的轴向直线运动这就是直升机垂直飞行时旋翼工作的情况,它相当于飞机上螺旋 桨的情况。由于两者技术要求不同,旋翼的直径大且转速小;螺旋桨的直径小而转速大。在分析、设计 上就有所区别设一旋冀,桨叶片数为k,以恒定角速度Ω绕轴旋转,并以速度Vo沿旋转轴作直线运 动。如果在想象中用一中心轴线与旋翼轴重合,而半径为r的圆柱面把桨叶裁开(参阅图2,1--3),并 将这圆柱面展开成平面,就得到桨叶剖面。既然这时桨叶包括旋转运动和直线运动,对于叶剖面来说, 应有用向速度(等于9r)和垂直于旋转平面的速度(等于Vo),而合速度是两者的矢量和。显然可以看出 如图2.1-3),用不同半径的圆柱面所截出来的各个桨叶剖面,他们的合速度是不同的:大小不同, 方向也不相同。如果再考虑到由于桨叶运动所激起的附加气流速度(诱导速度)),那么桨叶各个剖面与 空气之间的相对速度就更加不同。与机翼相比较,这就是桨叶工作条件复杂,对它的分析比较麻烦的 PdfcreatedwithpdffactorYtrialversionwww.pdffactory.com
5 http://asp2.6to23.com/ehelicopter/principle/s1/p06.gif | 700 × 386 旋翼的运动与固定翼飞机机翼的不，因为旋翼的桨叶除了随直升机一同作直线或曲线动外，还要绕 旋翼轴旋转，因此桨叶空气动力现象要比机翼的复杂得多。 先来考察一下旋翼的轴向直线运动这就是直升机垂直飞行时旋翼工作的情况，它相当于飞机上螺旋 桨的情况。由于两者技术要求不同，旋翼的直径大且转速小；螺旋桨的直径小而转速大。在分析、设计 上就有所区别设一旋冀，桨叶片数为 k，以恒定角速度 Ω 绕轴旋转，并以速度 Vo 沿旋转轴作直线运 动。如果在想象中用一中心轴线与旋翼轴重合，而半径为 r 的圆柱面把桨叶裁开(参阅图 2，1—3)，并 将这圆柱面展开成平面，就得到桨叶剖面。 既然这时桨叶包括旋转运动和直线运动，对于叶剖面来说， 应有用向速度 (等于 Ωr)和垂直于旋转平面的速度(等于 Vo)， 而合速度是两者的矢量和。显然可以看出 (如图 2．1—3)，用不同半径的圆柱面所截出来的各个桨叶剖面，他们的合速度是不同的： 大小不同， 方向也不相同。如果再考虑到由于桨叶 运动所激起的附加气流速度(诱导速度) )，那么桨叶各个剖面与 空气之间的相对速度就更加 不同。与机翼相比较，这就是桨叶工作 条件复杂，对它的分析比较麻烦的 PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com