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我们中国。我国东晋时，民

2、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，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

3、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，

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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

9、。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Bell47UH-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

10、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

11、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

12、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。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

13、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

14、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

15、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。

16、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

17、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

18、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

19、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

20、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

21、上，旋翼的反作用扭矩相互平衡。上，旋翼的反作用扭矩相互平衡。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