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飞机尾巴上的“风扇”:高速旋转的陀螺

2017-09-15 16:44  来源: 科普中国-科学原理一点通

如果把每片旋翼产生的阻力加在一起,会产生一个力矩。所以,当机身逆时针转时,直升机的主旋翼就在顺时针转时。为了克服这种转动,保证直升机机身不转动,通过尾桨的推力产生顺时针的力矩来抵消旋翼的反扭力矩,就是在直升机尾部加装“风扇”尾桨。

 

直升飞机的尾巴上为什么要装一个“风扇”

 

当单旋翼直升机飞行时,发动机会带动旋翼向一个方向高速旋转。旋翼由于“角动量守恒”的原理,向一个方向的转动会导致发动机向反方向转动,直升机机身带动向相反方向旋转。就好比两脚离地坐在可以转动的转椅上,当上半身朝一个方向转动,下半身会带着椅子向另一个方向转动。直升机的旋翼不但能产生升力,同时也产生阻力。如果把每片旋翼产生的阻力加在一起,会产生一个力矩。所以,当机身逆时针转时,直升机的主旋翼就在顺时针转时。

为了克服这种转动,保证直升机机身不转动,通过尾桨的推力产生顺时针的力矩来抵消旋翼的反扭力矩,就是在直升机尾部加装“风扇”尾桨。另一类方法以抵消单旋翼的反扭力矩,是在直升机上安装两套大小相等、旋转方向相反的旋翼。直升机有不同的布局形式,根据两套旋翼在直升机上安装位置的不同。典型的构型有:共轴双旋翼,如俄罗斯的直升机卡-50、卡-31等,就两套旋翼同轴上下层布置;串列双旋翼,如美国的CH-47“支努干”直升机,即两套旋翼前后布置;并列双旋翼,如俄罗斯的米-12直升机即两套旋翼左右布置;交叉双旋翼,如美国的只-43直升机,即两套旋翼交叉布置。

有的直升机,靠发动机喷气直接推动旋翼转动,把发动机装在旋翼的末端,或者往外吹压缩空气,在翼尖上装一个喷嘴。这样,旋翼与机身间没有水平面上方向相反的扭矩,只有上下方向的提拉作用,不需要尾桨也能稳定地飞行。

 

与众不同的ch-47支努干直升机

 

直升飞机飞行员为什么要用脚蹬来控制转向

 

如果在野外自救,发现一架直升机,当时只有你一个人,恰好飞机上只需要一个驾驶员,你会驾驶吗?

有一个控制杆,也叫总距控制杆(简称,总距杆),在你左手边。直升机旋翼的迎角就受它控制,实现直升机上升或下降。有一个周期变距操纵杆(简称驾驶杆)在你两腿之间。直升机的周期变距受它控制,控制直升机向前后或左右运动,让直升机的旋翼向前后或左右偏转。那么,怎么控制直升机的机头向右向左转向呢?可以通过控制尾桨进行。在你的脚下,有两块踏板(脚蹬),可以把尾桨的桨距变小或变大,通过改变桨叶的迎角实现,导致直升机尾桨的推力变小或变大,直升机绕着旋翼的旋转轴发生转动,机头也就相应地向左或向又转动了。你试试可以开走飞机,实现自救了吗?

我们看到的直升机驾驶员,总是一手握驾驶杆,一手握住总距杆,两只脚,还要分别踩住两个脚蹬,和开装载机一样啊,如果没有足够的反应能力,还真不行呢。

 

直升机脚蹬带动的是尾浆的自动倾斜器

 

直升飞机为什么飞不快

 

当直升机向前飞行时,有一定的相对速度与空气。当这个速度多了叠加到,直升机旋翼旋转速度上,向前挥的桨叶变快,而向后挥的桨叶就会变慢。当直升机水平前飞速度到达一定值时,相对空气的速度过高,后行桨叶相对空气的速度过低,桨叶表面的气流会发生分离,导致桨叶失速,升力剧减。前行桨叶会因局部超声速而产生激波,气动阻力会大增。

这两种均会造成直升机飞行状态的不稳定,直升机的前飞速度受到影响,受到一定的限制。理论上,直升机的极限前飞速度是桨尖的线速度,只有桨尖线速度超过前飞速度才能产生托起直升机的升力。直升机极限速度理论上传统布局只有420千米/时。实际情况下,前面所述原因的限制直升机极限前飞速度并不很严重。只要通过适当改进旋翼的设计,能提高前飞速度。

例如,翼尖采用复杂的后掠角设计英国“山猫”直升机旋翼,桨叶的厚度也从翼根到翼尖逐渐变薄。可以有效延迟前行桨叶激波的产生,这样的设计,与薄翼型和大后掠角的超声速固定翼飞机机翼类似。

 

多用途山猫直升机

 

直升飞机飞行时为什么不收起落架

 

在飞行的过程中固定翼飞机的起落架往往是收起的,但直升机的起落架都固定在机身下,想收起来,根本就不可能。直升机的起落架为什么不采用收放式的呢?这是因为飞行速度比较低的直升机,外露的起落架产生的不会产生太大的气动阻力。这样,大多数的直升机都采用了简化起落架结构,减轻重量的固定式起落装置,既可以节省宝贵的机上空间,降低了维护保养的工作量,同时提高了起落架的可靠性。

另外,直升机的抗坠毁性,也因为固定式起落架降低了风险。当飞机或直升机发生坠机事故撞击地面时,抗坠毁性,可以最大限度的保证机上设备完好率和人员生存率。由于直升机的飞行高度低,飞行速度慢,采用固定翼飞机的逃生方式很难,抗坠毁性就显得特别重要。固定式起落架与可收放式起落架相比,在衰减与吸收撞击能量方面具备相当的优势。

直升机的飞行速度随着第二代涡轮轴发动机的问世,得以提高,最大型号的飞行速度超过350千米/时。这么高的速度飞行时,起落架的阻力就引起了重视。所以,部分先进的直升机如直9、AW-139、EH101、S-76C、卡-50 等采用了可收放式起落架设计。

 

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作者: 科学原理一点通   [责任编辑: 吕芮光]