直升机的升降与飞行原理ppt课件.ppt

直升机的飞行原理 1 直升机的发展简史 直升机的飞行原理 直升机旋翼的操纵 2 中国的竹蜻蜓中国的竹蜻蜓和意大利人达 芬奇的直升机草图 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点 竹蜻蜓又叫飞螺旋和 中国陀螺 这是我们祖先的奇特发明 有人认为 中国在公元前400年就有了竹蜻蜓 另一种比较保守的估计是在明代 公元1400年左右 这种叫竹蜻蜓的民间玩具 一直流传到现在 现代直升机尽管比竹蜻蜓复杂千万倍 但其飞行原理却与竹蜻蜓有相似之处 现代直升机的旋翼就好象竹蜻蜓的叶片 旋翼轴就像竹蜻蜓的那根细竹棍儿 带动旋翼的发动机就好像我们用力搓竹棍儿的双手 竹蜻蜓的叶片前面圆钝 后面尖锐 上表面比较圆拱 下表面比较平直 当气流经过圆拱的上表面时 其流速快而压力小 当气流经过平直的下表面时 其流速慢而压力大 于是上下表面之间形成了一个压力差 便产生了向上的升力 当升力大于它本身的重量时 竹蜻蜓就会腾空而起 直升机旋翼产生升力的道理与竹蜻蜓是相同的 3 达芬奇的画 意大利人达 芬奇在1483年提出了直升机的设想并绘制了草图 19世纪末 在意大利的米兰图书馆发现了达芬奇在1475年画的一张关于直升机的想象图 这是一个用上浆亚麻布制成的巨大螺旋体 看上去好象一个巨大的螺丝钉 它以弹簧为动力旋转 当达到一定转速时 就会把机体带到空中 驾驶员站在底盘上 拉动钢丝绳 以改变飞行方向 西方人都说 这是最早的直升机设计蓝图 达 芬奇 4 人类第一架直升机1907年8月 法国人保罗 科尔尼研制出一架全尺寸载人直升机 并在同年11月13日试飞成功 这架直升机被称为 人类第一架直升机 这架名为 飞行自行车 的直升机不仅靠自身动力离开地面0 3米 完成了垂直升空 而且还连续飞行了20秒钟 实现了自由飞行 保罗 科尔尼研制的直升机带两副旋翼 主结构为一根V形钢管 机身由V形钢管和6个钢管构成的星形件组成 并采用钢索加强 以增加框架结构的刚度 V形框架中部安装一台24马力的Antainette发动机和操作员座椅 机身总长6 20米 重260千克 V形框架两端各装一副直径为6米的旋翼 每副旋翼有2片桨叶 5 世界上第一种试飞成功的直升机1938年 年轻的德国姑娘汉纳赖奇驾驶一架双旋翼直升机在柏林体育场进行了一次完美的飞行表演 这架直升机被直升机界认为是世界上第一种试飞成功的直升机 该机旋翼直径7米 动力装置是一台功率140马力的活塞发动机 这是世界上第一架具有正常操纵性的直升机 该机时速100 120公里 航程200公里 起飞重量953千克 第一架实用直升机1939年春 美国的伊戈尔 西科斯基完成了VS 300直升机的全部设计工作 同年夏天制造出一架原型机 世界上第一种投入批生产的直升机R 4是美国沃特 西科斯基公司20世纪40年代研制的一种2座轻型直升机 是世界上第1种投入批量生产的直升机 也是美国陆军航空兵 海军 海岸警卫队和英国空军 海军使用的第一种军用直升机 早期的活塞式发动机和木质桨叶直升机在20世纪40年代至50年代中期是实用型直升机发展的第一阶段 这一时期的典型机种有 美国的S 51 S 55 H 19 贝尔47 苏联的米 4 卡 18 英国的布里斯托尔 171 捷克的HC 2等 这一时期的直升机可称为第一代直升机 6 涡轴发动机和金属桨叶直升机20世纪50年代中期至60年代末是实用型直升机发展的第二阶段 这个阶段的典型机种有 美国的S 61 贝尔209 AH 1 贝尔204 UH 1 苏联的米 6 米 8 米 24 法国的SA321 超黄蜂 等 这个时期开始出现专用武装直升机 如AH 1和米 24 这些直升机称为称为第二代直升机 第三代直升机20世纪70年代至80年代是直升机发展的第三阶段 典型机种有 美国的S 70 UH 60 黑鹰 S 76 AH 64 阿帕奇 苏联的卡 50 米 28 法国的SA365 海豚 意大利的A129 猫鼬 等 现代直升机20世纪90年代是直升机发展的第四阶段 出现了目视 声学 红外及雷达综合隐身设计的武装侦察直升机 典型机种有 美国的RAH 66和S 92 国际合作的 虎 NH90和EH101等 称为第四代直升机 R 7 平飞 8 直升机旋翼的工作原理直升机旋翼绕旋翼转轴旋转时 每个叶片的工作类同于一个机翼 旋翼的截面形状是一个翼型 如图所示 翼型弦线与垂直于桨毂旋转轴平面 称为桨毂旋转平面 之间的夹角称为桨叶的安装角 以j表示 有时简称安装角或桨距 各片桨叶的桨距的平均值称为旋翼的总距 驾驶员通过直升机的操纵系统可以改变旋翼的总距和各片桨叶的桨距 根据不同的飞行状态 总距的变化范围约为2 14 9 气流V与翼弦之间的夹角即为该剖面的迎角a 显然 沿半径方向每段叶片上产生的空气动力在桨轴方向上的分量将提供悬停时需要的升力 在旋转平面上的分量产生的阻力将由发动机所提供的功率来克服 旋翼旋转时将产生一个反作用力矩 使直升机机身向旋翼旋转的反方向旋转 前面提到过 为了克服飞行力矩 产生了多种不同的结构形式 如单桨式 共轴式 横列式 纵列式 多桨式等 对于最常见的单桨式 需要靠尾桨旋转产生的拉力来平衡反作用力矩 维持机头的方向 使用脚蹬来调节尾桨的桨距 使尾桨拉力变大或变小 从而改变平衡力矩的大小 实现直升机机头转向 转弯 操纵 10 物体在流体中运动时 在正对流动运动的方向的表面 流体完全受阻 此处的流体速度为0 其动能转变为压力能 压力增大 其压力称为全受阻压力 简称全压或总压 用P表示 它与未受扰动处的压力 即静压 用P静表示 之差 称为动压 用P动表示 即 P动 P P静 V V 1 2其中 为密度 V为速度推导 先看看势能的推导势能 F S m g h Q g h g h QF为力大小 S为面积 m为质量 g为重力加速度 h为高度 Q为体积即势能 压强 体积动能 m V V 1 2 Q V V 1 2 V V Q 1 2 动压 体积体积为Q 所以动压为1 2 V V 11 飞机飞行的原理就是运用机翼上下气流速度是不一样而产生的压力差托起飞机的 注意机翼上下的空气速度是不一样的 它是由机翼的结构和飞机的迎角所决定的 平飞时力的平衡X轴 T2 X身Y轴 T1 GZ轴 T3约等于T尾其中Tl T2 T3分别为旋翼拉力在X Y Z三个方向的分量 对于单旋翼带尾桨直升机 由于尾桨轴线通常不在旋翼的旋转平面内 为保持侧向力矩平衡 直升机稍带坡度角r 故尾桨推力与水平面之间的夹角为y T尾与T3方向不完全一致 因为y角很小 即cosr约等于1 故Z向力采用近似等号 平飞需用功率及其随速度的变化平飞时 飞行速度垂直分量Vv 0 旋翼在重力方向和Z方向均无位移 在这两个方向的分力不做功 此时旋翼的需用功率由三部分组成 型阻功率 P型 诱导功率 P诱 废阻功率 P废 其中第三项是旋翼拉力克服机身阻力所消耗的功率 从上图可以看出 旋翼拉力的第二分力T2可平衡机身阻力X身 对旋翼而言 其分力T2在X轴方向以速度V作位移 显然旋翼必须做功 P T2V或P废 X身V 而机身废阻X身在机身相对水平面姿态变化不大的情况下 其值近似与V的平方成正比 这样废阻功 12 平飞需用功率随速度的变化率P废就可以近似认为与平飞速度的三次方成正比 如上图中的点划线 所示 平飞时 诱导功率为P诱 TV 其中T为旋翼拉力 vl为诱导速度 当飞行重量不变时 近似认为旋翼拉力不变 诱导速度271随平飞速度V的增大而减小 因此平飞诱导功率P诱随平飞速度V的变化如上图中细实线 所示 平飞型阻功率尸型则与桨叶平均迎角有关 随平飞速度的增加其平均迎角变化不大 所以P型随乎飞速度V的变化不大 如图中虚线 所示 图中的实线 为上述三项之和 即总的平飞需用功率P平需随平飞速度的变化而变化 它是一条马鞍形的曲线 小速度平飞时 废阻功率很小 但这时诱导功率很大 所以总的乎飞需用功率仍然很大 但比悬停时要小些 在一定速度范围内 随着平飞速度的增加 由于诱导功率急剧下降 而废阻功率的增量不大 因此总的平飞需用功率随乎飞速度的增加呈下降趋势 但这种下降趋势随V的增加逐渐减缓 速度继续增加则由于废阻功率随平飞速度增加急剧增加 平飞需用功率随V的增加在达到平飞需用功率的最低点后增加 总的平飞需用功率随V的变化则呈上升趋势 而且变得愈来愈明显 13 侧飞 14 直升机的侧飞侧飞是直升机特有的又一种飞行状态 它与悬停 小速度垂直飞行及后飞一起是实施某些特殊作业不可缺少的飞行性能 一般侧飞是在悬停基础上实施的飞行状态 其特点是要多注意侧向力的变化和平衡 由于直升机机体的侧向投影面积很大 机体在侧飞时其空气动力阻力特别大 因此直升机侧飞速度通常很小 由于单旋翼带尾桨直升机的侧向受力是不对称的 因此左侧飞和右侧飞受力各不相同 向后行桨叶一侧侧飞 旋翼拉力向后行桨叶一例的水平分量大于向前行桨叶一侧的尾桨推力 直升机向后方向运动 会产生与水平分量反向的空气动力阻力Z 当侧力平衡时 水平分量等于尾桨推力与空气动力阻力之和 能保持等速向后行桨叶一侧侧飞 向前行桨叶一例侧飞时 旋翼拉力的水平分量小于尾桨推力 在剩余尾桨推力作用下 直升机向民桨推力方向一例运动 空气动力阻力与尾桨推力反向 当侧力平衡时 保持等速向前行桨叶一侧飞行 R 15 直升机旋翼的操纵直升机的飞行控制与飞机的飞行控制不同 直升机的飞行控制是通过直升机旋翼的倾斜实现的 直升机的控制可分为垂直控制 方向控制 横向控制和纵向控制等 而控制的方式都是通过旋翼实现的 具体来说就是通过旋翼桨毂朝相应的方向倾斜 从而产生该方向上的升力的水平分量达到控制飞行方向的目的 直升机体放在地面时 旋翼受其本身重力作用而下垂 发动机开车后 旋翼开始旋转 桨叶向上抬 直观地看 形成一个倒立的锥体 称为旋翼锥体 同时在桨叶上产生向上的升力 随着旋翼转速的增加 升力逐渐增大 当升力超过重力时 直升机即铅垂上升 图2 5 2 若升力与重力平衡 则悬停于空中 若升力小于重力 则向下降落 旋转旋翼桨叶所产生的拉力和需要克服阻力产生的阻力力矩的大小 不仅取决于旋翼的转速 而且取决于桨叶的桨距 从原理上讲 调节转速和桨距都可以调节拉力的大小 但是旋翼转速取决于发动机 通常用的是涡轮轴发动机或活塞式发动机 主轴转速 而发动机转速有一个最有利的值 在这个转速附近工作时 发动机效率高 寿命长 因此 拉力的改变主要靠调节桨叶桨距来实现 但是 桨距变化将引起阻力力矩变化 所以 在调节桨距的同时还要