第06章 直升机 航空概论

1、第六章 直升机 6.1直升机的历史直升机的历史 6.2直升机的结构直升机的结构 6.3直升机的原理直升机的原理 6.4直升机的分类直升机的分类 回总目录 退出 6.1 直升机的历史 古老的神话故事诉说着人类早年的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，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。例如阿拉伯空中，并且随意实现定点着陆。例如阿拉伯 人的飞毯，希腊神的战车，都是垂直起落飞人的飞毯，希腊神的战车，都是垂直起落飞 行器。行器。 可以说直升机的构想源于

2、我们中国。 我国东晋时，民间就有种叫“飞螺旋” 的玩具，又称“竹蜻蜓”。 “竹蜻蜓”是借双 手搓送的力量产生升 力而垂直上升的，这 与直升机借旋翼产生 升力而垂直上升的基 本原理完全一致。 直升机的渊源 直升机的起源 “竹蜻蜓”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。 15世纪达芬奇 的画是世界上最早 的直升机设计方案 图。因此， “竹 蜻蜓”和达芬奇的 画被公认是直升机 发展史的起始点。 直升机的发展（1） 1813年年“英国航空之父英国航空之父”乔治乔治凯利凯利在其在其 成功发明、试验了滑翔机后自制了一架直升成功发明、试验了滑翔机后自制了一架直升 机，

3、但因为直升机自身不带动力装置，因此机，但因为直升机自身不带动力装置，因此 实验失败了。实验失败了。 直升机的发展（2） 1826年法国人年法国人阿阿 米柯特米柯特制造了一架直制造了一架直 升机模型。它由一个升机模型。它由一个 汽缸引擎驱动，但旋汽缸引擎驱动，但旋 翼全速转动时，整个翼全速转动时，整个 模型只做上下晃动，模型只做上下晃动， 没有产生升力，但对没有产生升力，但对 直升机的发展是一个直升机的发展是一个 较大的刺激。较大的刺激。 直升机的发展（直升机的发展（3 3） 1842年，英国人年，英国人鲍恩鲍恩的工程师的工程师 用表的发条作动力设计出一个用表的发条作动力设计出一个“竹竹 蜻蜓蜻

4、蜓”。当发条上紧后，将。当发条上紧后，将“竹蜻竹蜻 蜓蜓”放手，它就螺旋上升。几年后，放手，它就螺旋上升。几年后， 皮乐利用鲍恩的原理制造了几个直皮乐利用鲍恩的原理制造了几个直 升机模型，经实验，这些模型上升升机模型，经实验，这些模型上升 的高度能达的高度能达27米。米。 直升机的发展（直升机的发展（4 4） 随着生产力的发展和人类文明的进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步，直升机的发展史由幻想时期进入了 探索时期。探索时期。 19071907年法国人年法国人柯纽柯纽 制造了一架大型直升制造了一架大型直升 机有两个旋翼分别装机有两个旋翼分别装 在驾驶员前后。该

5、直在驾驶员前后。该直 升机上升高度虽只有升机上升高度虽只有 几米，但柯纽仍成为几米，但柯纽仍成为 驾驶直升机升空第一驾驶直升机升空第一 人。人。 直升机的发展（直升机的发展（5 5） 19091909年，美国年，美国柏里勒柏里勒父子先造了一架父子先造了一架 同轴式直升机，之后又造了一架双旋翼并同轴式直升机，之后又造了一架双旋翼并 列式直升机。因为他们造的直升机成功地列式直升机。因为他们造的直升机成功地 解决了反扭矩问题，于解决了反扭矩问题，于19231923年获得专利。年获得专利。 直升机的发展（6） 20世纪20年代，西班牙科学家西尔西尔 华华设计了一架自动陀螺机，它对旋翼机 的产生有重要意

6、义，因此是直升机发展 史上一次重大的技术突破。 旋翼机的由来 在一次飞行中，一架飞机因为失去 动力而坠毁。西尔华设想如果把类似竹 蜻蜓的旋翼装在定翼机上，借它前进的 速度与风的影响来转动旋翼，旋翼必可 产生升力，即使飞机失去的动力也可安 全降落，几经试验，证明他的设想是可 能的，这就是旋翼机的由来了。 直升机的发展（7） 1937年德国福克福克博士制造了一架双旋 翼并列式直升机，其最大特点是在操纵 上可完全改变旋翼的角度，可以做前 后左右的飞 行，可以说 该机具有现 代直升机优 点的雏形。 直升机的发展（8） 福克式直升机试飞成功后，美国飞 机设计师西柯尔西柯尔基立即到德国参观了那 架飞机，并

7、于1939年设计出一架VS-300 型直升机，试飞也非常成功，飞行时间 甚至超过了福克式直升机。 至此，直 升机已经初具 形态，发展也 日趋成熟。 总目录 6.2 直升机的结构 机载设备燃油箱起落架机身 减速器旋翼桨毂倾斜器发动机尾桨 传动装置 减速器减速器 直升机一般为齿轮 传动式主减速器，它有 发动机的功率输入端以 及与旋翼、尾桨附件传 动轴相联的功率输出端， 是直升机上主要传动部 件之一，也是传动装置 中最复杂、最大、最重 的一个部件。 结构目录 旋翼旋翼 旋翼系统中，桨叶是提供升力的重要部 件，对桨叶设计除去气动力方面的要求之外， 还有动力学和疲劳方面的要求。旋翼桨叶的 发展是建立在材

8、料、工艺和旋翼理论基础上 的。 结构目录 桨毂桨毂 旋翼系统由桨叶和桨毂组成。旋翼旋翼系统由桨叶和桨毂组成。旋翼 形式是由桨毅形式决定的。它随着材料、形式是由桨毅形式决定的。它随着材料、 工艺和旋翼理论的发展而发展。到目前工艺和旋翼理论的发展而发展。到目前 为止，已在实践中应用的旋翼形式有为止，已在实践中应用的旋翼形式有铰铰 接式接式、跷跷板式跷跷板式、无铰式无铰式和和无轴承式无轴承式。 结构目录 铰接式铰接式 铰接式（又称全铰接铰接式（又称全铰接 式）旋翼桨毂是通过桨式）旋翼桨毂是通过桨 毂上设置挥舞铰、摆振毂上设置挥舞铰、摆振 铰和变距铰来实现桨叶铰和变距铰来实现桨叶 的挥舞、摆振和变距运

9、的挥舞、摆振和变距运 动。典型的铰接式桨毂动。典型的铰接式桨毂 铰的布置顺序（铰的布置顺序（ 从里向从里向 外）是由挥舞铰、摆振外）是由挥舞铰、摆振 铰到变距铰，如图所示。铰到变距铰，如图所示。 40年代中期，全铰式旋年代中期，全铰式旋 翼得到广泛应用。翼得到广泛应用。 万向节式万向节式/ /跷跷板式旋翼跷跷板式旋翼 40年代中期，贝尔公司发展了万向 接头式旋翼，50年代中期又把万向接头 式进一步发展成跷跷板式。虽然这两种 族翼形式除了贝尔公司外很少采用，但 仅仅Bell 47型 及 UHl系列直升机产量 就很大，应用也很广泛。 万向节式万向节式/ /跷跷板式旋翼跷跷板式旋翼 Bell47 U

10、H-l 这两种桨毂形式与铰接式相比，这两种桨毂形式与铰接式相比， 其优点是桨毂构造简单，去掉了摆振其优点是桨毂构造简单，去掉了摆振 铰、减摆器，两片桨叶共同的挥舞铰铰、减摆器，两片桨叶共同的挥舞铰 不负担离心力而只传递拉力及旋翼力不负担离心力而只传递拉力及旋翼力 矩，轴承负荷比较小，没有矩，轴承负荷比较小，没有“地面共地面共 振振”问题。问题。 但是，这种旋翼操纵功效和角速但是，这种旋翼操纵功效和角速 度阻尼比较小，稳定性较差。度阻尼比较小，稳定性较差。 无铰式无铰式 经过长期的理论与试经过长期的理论与试 验研究，验研究，60年代末及年代末及70年年 代初无铰式旋翼进入了实代初无铰式旋翼进入了

11、实 用阶段。带有无铰式旋翼用阶段。带有无铰式旋翼 的直升机如德国的的直升机如德国的BO105， 英国的英国的“山猫山猫”(WG13) 等，它们取得了成功并投等，它们取得了成功并投 入了批生产。入了批生产。 无轴承式无轴承式 无轴承旋翼就是取消了挥舞铰、摆振铰和变无轴承旋翼就是取消了挥舞铰、摆振铰和变 距铰的旋翼，桨叶的挥舞、摆振和变距运动都距铰的旋翼，桨叶的挥舞、摆振和变距运动都 以桨叶根部的柔性元件来完成。如美国以桨叶根部的柔性元件来完成。如美国RAH- 66科曼奇直升机。科曼奇直升机。 倾斜器倾斜器 自动倾斜器是直升机操纵系统的一自动倾斜器是直升机操纵系统的一 个主要组成部分，旋翼的操纵都

12、要通个主要组成部分，旋翼的操纵都要通 过过 它来实现。下图所示为某直升机的自动它来实现。下图所示为某直升机的自动 倾斜器。倾斜器。 结构目录 自动倾斜器由两个斜盘组成（即固定斜盘自动倾斜器由两个斜盘组成（即固定斜盘 和旋转斜盘），分别用蓝色和红色表示和旋转斜盘），分别用蓝色和红色表示 发动机（发动机（1 1） 直升机的动力装置大体上分为两类，直升机的动力装置大体上分为两类， 即航空活塞式发动机和航空涡轮轴发动即航空活塞式发动机和航空涡轮轴发动 机。在直升机发展初期，均采用技术上机。在直升机发展初期，均采用技术上 比较成熟的航空活塞式发动机作为直升比较成熟的航空活塞式发动机作为直升 机的动力装置

13、。但由于其振动大，功率机的动力装置。但由于其振动大，功率 质量比和功率体积比小、控制复杂等许质量比和功率体积比小、控制复杂等许 多问题，人们就利用已经发展起来的涡多问题，人们就利用已经发展起来的涡 轮喷气技术寻求性能优良的直升机动力轮喷气技术寻求性能优良的直升机动力 装置，从而研制成功直升机用涡轮铀发装置，从而研制成功直升机用涡轮铀发 动机。动机。 发动机（2） 活塞式发动机 （早期直升机/小型直升机） 美国蜂鸟 260L 发动机（3） 涡轴发动机（见第九章） 直9WE型武装直升机直升机 尾桨（1） 尾桨是用来平衡反扭矩和对直升机 进行航向操纵的部件。旋转着的尾桨相 当于一个垂直安定面，能对直

14、升机航向 起稳定作用。尾桨的结构形式有跷跷板 式、万向接头式、铰接式、无轴承式、 “涵道尾桨” 式等等。 机载设备 直升机机载设备是指在直升机上为直升机机载设备是指在直升机上为 保障飞行、完成各种任务的设备和系统保障飞行、完成各种任务的设备和系统 的总称。直升机机载设备品种繁多，包的总称。直升机机载设备品种繁多，包 括电气、显示和控制、导航、通信及电括电气、显示和控制、导航、通信及电 子对抗、故障诊断等。随着现代直升机子对抗、故障诊断等。随着现代直升机 技术发展，机载设备的地位越来越重要。技术发展，机载设备的地位越来越重要。 机载设备性能的优劣已成为现代直升机机载设备性能的优劣已成为现代直升机

15、 先进与否的重要标志之一，先进的机载先进与否的重要标志之一，先进的机载 设备在提高直升机的使用效能和保证经设备在提高直升机的使用效能和保证经 济性、安全性方面具有不可替代的突出济性、安全性方面具有不可替代的突出 作用。作用。 结构目录 燃油系统燃油系统 涡轮轴发动涡轮轴发动 机的燃油系统由机的燃油系统由 燃油泵、燃油滤、燃油泵、燃油滤、 喷油嘴等组成，喷油嘴等组成， 以保证发动机在以保证发动机在 各种工作状态和各种工作状态和 各种飞行条件下各种飞行条件下 所需要的燃油流所需要的燃油流 量。量。 结构目录 起落架（起落架（1 1） 直升机起落装置的主要作用是吸收直升机起落装置的主要作用是吸收 在

16、着陆时由于有垂直速度而带来的能量，在着陆时由于有垂直速度而带来的能量， 减少着陆时撞击引起的过载，以及保证减少着陆时撞击引起的过载，以及保证 在整个使用过程中不发生在整个使用过程中不发生“地面共振地面共振”。 此外，起落装置往往还用此外，起落装置往往还用 来使直升机具来使直升机具 有在地面运动的能力，有在地面运动的能力， 减少滑行时由于减少滑行时由于 地面不平而产生的撞击与颠簸。地面不平而产生的撞击与颠簸。 在陆地上使用的直升机起落装置有在陆地上使用的直升机起落装置有 轮式起落架轮式起落架和和滑橇式起落架滑橇式起落架。 结构目录 轮式起落架 滑橇式起落架 机身 机体用来支持和固定直升机部件系

17、统，把它们连接成一个整体，并用来装 载人员、物资和设备，使直升机满足既 定技术要求。机体是直升机的重要部件。 上图为 UH60A直升机的机身分段图。 结构目录 传动装置 在直升机上传动装置可分为传动轴 和联轴节。 总目录 6.3 直升机的原理 6.3.1 空气动力学原理空气动力学原理 6.3.2 飞行原理飞行原理 6.3.3 直升机的操纵直升机的操纵 6.3.1 空气动力学原理空气动力学原理 当气流流过一定的气流通道时，它的速 度、压力一定遵守伯努力方程。 伯努力方程： Const=P1+1V12/2=P2+2V22/2 由方程可见，方程总等于常数，假设流 过通道前后的气流密度不变，当压力P上

18、升 时，速度V会下降；当压力P下降时，速度V 会上升。 因此，对直升机而言由旋翼带动空气 向下运动，每一片旋翼叶片都产生升力， 这些升力的合力就是直升机的升力。 6.3.2飞行原理飞行原理 旋翼拉力是保持直升机飞行的基本因旋翼拉力是保持直升机飞行的基本因 素，飞行员操纵直升机改变飞行状态也是素，飞行员操纵直升机改变飞行状态也是 靠改变旋翼拉力的大小和方向来实现的。靠改变旋翼拉力的大小和方向来实现的。 因此，研究直升机飞行必须首先研究旋翼因此，研究直升机飞行必须首先研究旋翼 拉力的产生及其变化规律。拉力的产生及其变化规律。 桨叶的挥舞运动桨叶的挥舞运动 桨叶的挥舞运动桨叶的挥舞运动 直升机飞行时

19、会受到重力、升力、 拉力、阻力和反扭矩。 直升机的飞行（1） 重力升力 拉力阻力 反扭矩靠尾桨来平衡。 直升机的飞行（2） 在以上力和力矩的配合下直升机才在以上力和力矩的配合下直升机才 能进行悬停、垂直飞行、前后飞行、侧能进行悬停、垂直飞行、前后飞行、侧 飞等飞行。飞等飞行。 总目录 6.3.6.3.3 3直升机的操纵直升机的操纵 脚踏板：脚踏板：调头调头 总距杆：总距杆：升降升降 周期变距杆：周期变距杆： 前后左右前后左右 总目录 总目录 最大平飞速度最大平飞速度 巡航速度巡航速度 使用升限使用升限 最大爬升速度最大爬升速度 航程航程 续航时间续航时间 垂直爬升速度垂直爬升速度 悬停升限悬停

20、升限 6.4 直升机的分类 按飞行用途分按飞行用途分 按结构形式分按结构形式分 按起飞重量分按起飞重量分 按飞行用途分 武装直升机 军用 运输直升机 战斗勤务直升机 通用运输直升机 旅客运输直升机 公共服务直升机 民用 特种直升机 起重直升机 教练直升机 按结构形式分 平衡旋翼反扭矩的不同方式：单旋翼式、 双旋翼式（含纵列式、横列式、共轴式、 交叉式）、多旋翼式。 驱动旋翼的不同方式：机械驱动、喷气 驱动。 提供升力及推进力的不同方式：正常形 式、带翼式、倾转旋翼式、复合式。 现在又发展了单旋翼无尾桨式直升机。 按起飞重量分 小型直升机 最大起飞重量小于2t 轻型直升机 最大起飞重量大于2t小

21、于4t 中型直升机 最大起飞重量大于4t小于10t 大型直升机 最大起飞重量大于10t小于20t 重型直升机 最大起飞重量大于20t 单旋翼带尾桨直升机单旋翼带尾桨直升机 旋翼反作用扭矩靠尾桨推力平衡。旋翼反作用扭矩靠尾桨推力平衡。 优点：构造优点：构造 简单，操纵系统简单，操纵系统 简单，成本较低。简单，成本较低。 缺点：尾部缺点：尾部 螺旋桨造成功率螺旋桨造成功率 损失，重心定位损失，重心定位 范围窄，尾部长，范围窄，尾部长， 尺寸大。尺寸大。 共轴式双桨直升机共轴式双桨直升机 两个旋转方向相反的旋翼安装在一根轴两个旋转方向相反的旋翼安装在一根轴 上，旋翼的反作用扭矩相互平衡。上，旋翼的反

22、作用扭矩相互平衡。 优点：机身优点：机身 短外形好，正面短外形好，正面 阻力小，外廓尺阻力小，外廓尺 寸小。寸小。 缺点：操纵缺点：操纵 系统及传动系统系统及传动系统 复杂，旋翼有相复杂，旋翼有相 互干扰，方向稳互干扰，方向稳 定性不够。定性不够。 纵列式双桨直升机纵列式双桨直升机 两个旋翼安装在机身的前后端，后面的两个旋翼安装在机身的前后端，后面的 旋翼通常高于前面旋翼的旋转平面。旋翼通常高于前面旋翼的旋转平面。 优点：纵向稳定优点：纵向稳定 性好，重心定位范围性好，重心定位范围 广，重量效率高，机广，重量效率高，机 身有效容积大。身有效容积大。 缺点：传动系统缺点：传动系统 复杂，平飞时诱导损复杂，平飞时诱导损 失大，利用旋翼自转失大，利用旋翼自转 进行滑翔降落困难。进行滑翔降落困难。 并列式双桨直升机并列式双桨直升机 两个旋翼位于机身两侧并在同一平面两个旋翼位于机身两侧并在同一平面 内，转向相反。内，转向相反。 优点：操纵优点：操纵 性、稳定性较好性、稳定性较好 平飞诱导损失小，平飞诱导损失小， 经济性较