万博士的航空讲堂深入篇 [7]

万志强

六、直升机的机动性

直升机的机动性是指其通过改变飞行速度、高度和航向达到改变自身空间状态的特性。

越南战争期间，美军先后投入了 4 000多架各种类型的直升机，共出动3 700万架次，损失了2 000多架，可以说是直升机经历的一场大规模战争“洗礼”。经过此次战争，所获的经验之一就是：提高直升机的机动过载能力，能够有效提高其对地攻击的突防生存力。之后，在直升机研发中，一直强调过载能力，并将它作为直升机机动性的一条准则。近30年来，在世界上发生的几次重大军事冲突中，直升机都被广泛用于作战，从对地攻击、隐蔽突袭到空战格斗。因此可以预见，直升机对直升机的空中对抗将在所难免，这种飞行器也会像固定翼飞机那样进行空战。而为了取得空战胜利，必须提高直升机的机动性。

与固定翼飞机的机动性类似，直升机的机动性本质是由其产生过载的能力所决定。纵向过载引起直升机在铅垂平面内运动轨迹的弯曲；侧向过载引起直升机在水平面内运动轨迹的弯曲；航迹方向（前进、后退方向）的过载则引起了沿航迹飞行速度的变化，也就是减慢或加快直升机的飞行速度。根据以上论述，可以认为过载是判断直升机机动性的主要准则。过载的范围及过载的变化速率越大，直升机的机动性越好。

直升机实施机动飞行时按其飞行轨迹可分成为：

①水平面内的机动，如加速和减速、盘旋、转弯、水平“S”字机动、蛇形机动等；

②铅垂平面内的机动，如急跃升和俯冲；

③空间立体机动，如盘旋下降、战斗转弯、跃升中的回旋和转弯。

这些动作都属于简单特技。此外，还有一些复杂的特技动作：筋斗、横滚、倒飞等。通常武装直升机机动性好，可以完成上述机动动作；而普通的运输类直升机机动性一般，只能完成上述部分动作。

1、直升机典型的机动动作

下面介绍几种典型的机动飞行。

（1）水平直线加速机动

做水平直线加速机动时，直升机高度保持不变，驾驶员通过操纵使桨盘向前倾斜，旋翼拉力F增大（图1）。此时，F的铅垂分力F1平衡直升机自身的重力；F的水平分力F2指向平飞方向，提供向前的加速度，使直升机水平加速飞行。

速度加大后，机身阻力也随之增大，当水平分力F2与阻力相等时，直升机的平飞加速度等于零，直升机会在一定的飞行速度下平飞。若要使其保持水平直线加速飞行，则要继续增大桨盘倾斜角和旋翼拉力。

（2）水平转弯

直升机水平转弯指其在保持一定高度和一定速度的情况下进行转弯，即所谓的等高、等速水平转弯（图2）。这种情况下，驾驶员通过操纵使直升机桨盘侧倾，使旋翼拉力F增加。此时，F 的铅垂分力F1平衡直升机所受重力，以保持高度不变；F的水平分力F2指向一侧（左转弯时指向左侧，右转弯时指向右侧），充当“向心力”——直升机作水平转弯所需要的侧力。超过360°的水平转弯称为盘旋。

值得注意的是，上面所说的直升机水平盘旋（转弯）与固定翼的类似，但与直升机在悬停状态下的悬停回转，则完全不同。悬停回转是通过直升机航向操纵完成的（对于单旋翼直升机来说是通过改变尾桨拉力/推力大小实现的）。

（3）垂直机动飞行

垂直机动飞行通常需要改变高度、速度、总距以及飞行姿态和航迹曲率半径。做纯圆的垂直筋斗（图3），对于大多数直升机来说是较难办到的。有的直升机为了展示筋斗飞行，仅仅能做一个在变化速度下的非圆形轨迹（图4）。

实际飞行中的直升机在进行各种机动飞行时，很难被限定在纯垂直或纯水平面内，包括爬升/下滑、转弯、加速/减速。

2、直升机贴地飞行

作为一种能在较长时间内做超低空飞行的航空器，贴地飞行是直升机特有的飞行模式。特别是军用武装直升机，利用地形、地物作掩护，在贴近地面的高度上（一般称作“一树之高”）隐蔽接近攻击目标，常常能取得最佳的作战效果。

贴地飞行一般有三种情况（图5）：

①直升机在贴近地面的高度上飞行，一般离地面不超过10米，以不变的速度作低空飞行；

②随地形起伏做跟踪飞行；

③利用地形、地物作掩护以不同高度、不同速度做掠地飞行。

掠地飞行的难度最大，常常被用作武装直升机的战术动作，在战争中实用价值也较大。这种飞行要求驾驶员必须时刻准确判断直升机与地面之间的距离，并及时改变飞行高度与速度，有时甚至要采用迅猛操纵动作。因为飞行高度很低，通常气流也比较乱（图6），又难以依靠机载设备和地面设备导航，所以掠地飞行时驾驶员工作负荷很重，也具有较大的危险性。

3、模型直升机的机动飞行

模型直升机由于尺寸小、动力足，因此具有比载人直升机更好的机动性。遥控特技模型直升机和花式飞行模型直升机是其中机动性最好的。以下是几个比较典型的模型直升机特技动作：眼镜蛇横滚、后退空翻、古巴8字、上升倒转带360°自转（图7）、自旋着陆带180°转弯（图8）。

七、直升机旋翼的桨叶

旋翼系统是为直升机提供升力的部件。因为升力产生于旋翼桨叶与空气的相对运动，所以在设计桨叶时对空气动力特性有严格要求。此外，由于旋翼在旋转过程中震动比较严重，因此对其桨叶还有动力学和疲劳方面的要求。

旋翼桨叶的发展建立在旋翼理论以及材料和工艺的基础上。依据桨叶发展的先后顺序，有混合式桨叶、金属桨叶和复合材料桨叶三种形式。混合式桨叶是指由金属材料和木材混合制成的桨叶，在20世纪50年代后期逐渐被全金属桨叶所代替。而目前，先进的直升机大多采用复合材料桨叶。本文重点介绍金属桨叶与复合材料桨叶的结构特点。因尾桨桨叶与旋翼桨叶类似，这里不再赘述。

1. 金属桨叶

金属桨叶由铝合金大梁和胶接在后缘上的后段件组成。后段件外面包有金属蒙皮，中间垫有泡沫塑料或蜂窝支持件（图9）。这种桨叶较之早期的混合式桨叶气动效率高、刚度好，而且加工比较简单、疲劳寿命较高，因此逐渐替代了混合式桨叶。第二代直升机的旋翼基本上都使用金属桨叶。根据大梁的形状和成型工艺不同，金属桨叶又可分为空心挤压梁桨叶、C形挤压梁桨叶、管梁桨叶和多闭腔组合梁桨叶。

2. 复合材料桨叶

20世纪70年代初，复合材料开始在旋翼桨叶中使用，使旋翼桨叶进入了一个新的发展阶段。根据大梁典型剖面结构形式的不同，复合材料桨叶构型可分为C形梁单闭腔结构、D形梁双闭腔结构和多闭腔结构等。

图10是“海脉”直升机的复合材料桨叶结构，为多闭室结构。主承力件C形大梁主要承受离心力并提供大部分弯曲刚度。它由抗拉和抗弯曲方面比刚度和比强度较高的零度单向玻璃纤维预浸带构成。翼型前部和后部各布置一个Z形梁，与蒙皮胶接在一起，使桨叶剖面形成多闭室结构承担扭矩；另外，全部采用与桨叶展向成±45°的碳纤维布作为蒙皮，以提高桨叶的扭转刚度。桨叶主体则使用泡沫塑料作为内部支持件，前缘包有不锈钢片防止磨蚀。

复合材料桨叶根部连接的方式是一个突出的问题。为了不切断纤维，通常是将纤维缠绕在金属件上，以使桨根结构干净光滑，没有明显的应力集中，不仅提高了疲劳强度，也大大减少了维护工作量。

第三、第四代直升机的旋翼基本上都使用复合材料桨叶。

模型直升机方面，受技术和成本限制，以前大都使用木质旋翼桨叶，外覆热缩膜；而目前，高级别模型直升机基本都采用碳纤维复合材料旋翼桨叶和尾桨桨叶，其构造与载人直升机有相似之处（图11-图13）；一些玩具类的模型直升机则使用塑料旋翼桨叶和尾桨桨叶（图14）。（未完待续）