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万博士的航空讲堂（9）

作者：万志强

来源：《航空模型》2012年第12期

二十一、直升机工作原理、布局与分类

前面主要介绍了固定翼航空器的一些最基础的知识，现在谈谈直升机和其它旋翼机相关的航空器的一些基础知识。

直升机是一种重要的旋翼航空器，它通过航空发动机驱动旋翼旋转作为升力和推进力来源，可以在大气中垂直起降、悬停并能进行前飞、后飞、侧飞、悬停回转等飞行科目。相比于固定翼飞机，直升机能够依靠旋翼垂直起降，对起降场地的依赖性很小，可以沿任意方向飞行和在空中悬停；而通常意义上的固定翼飞机则只能水平起降，对起降场地的依赖性很大。不过相对于固定翼飞机，直升机飞行速度慢、航程短、飞行高度低、振动和噪声较大，可靠性也逊于前者。

当前，直升机在民用和军用的各个领域都得到了广泛的应用，与固定翼飞机相互补充，成为一种不可缺少的航空器。特别是在军用方面，武装直升机在现代战争中发挥的作用越来越大。此外，吊运大型装备的起重直升机以及侦察、救护、森林防火、空中摄影、地质勘探等多用途直升机的应用也非常广泛。

直升机旋翼的工作原理

旋翼是直升机的关键部件，在介绍直升机和其它旋翼机之前，有必要先简要介绍一下旋翼的工作原理，以便读者更好地理解直升机和其它旋翼机的相关知识。

旋翼由数片（至少两片）桨叶和桨毂构成，形状像细长机翼的桨叶连接在桨毂上（图1）。桨毂安装在旋翼轴上，旋翼轴方向接近于铅垂方向，一般由发动机带动旋转。旋翼旋转时，桨叶与周围空气相互作用，产生气动力。

直升机旋翼绕旋翼转轴旋转时，每个叶片的工作都与一个机翼类似。如果沿旋翼旋转方向在半径r处切一刀，其剖面形状是一个翼型，如图1（a）所示。翼型弦线与垂直于桨毂旋转轴的桨毂旋转平面之间的夹角称为桨叶的安装角（或桨距），以表示，见图1（b）。相对气流V与翼弦之间的夹角为该剖面的迎角0。因此，沿半径方向每段叶片上产生的空气动力R可分解为沿桨轴方向上的分量F1和在旋转平面上的分量D1。F1提供直升机悬停时需要的拉力；D1产生的阻力力矩（绕旋转轴）由发动机所提供的扭距来克服。

旋翼旋转所产生的拉力和阻力力矩的大小，不仅取决于旋翼的转速，而且取决于桨叶的桨距。调节旋翼的转速和桨距都可以达到调节拉力大小的目的。但是旋翼转速取决于发动机的主轴转速，而发动机转速有一个最佳的工作范围，因此，拉力的改变主要靠调节桨叶桨距来实现。因为桨距变化也将引起阻力力矩变化，所以在调节桨距的同时还要调节发动机油门，保持转速尽量靠近最有利的工作转速。当然，有些简易的电动模型直升机为了简化机构并没有安装桨距调节装置，其改变旋翼的拉力是通过改变旋翼的转速实现的。

直升机的布局

旋翼在空气中旋转，会对周围空气产生一个作用力矩。根据牛顿第三定律，空气必定以一个大小相等、方向相反的力矩作用于旋翼，然后传到直升机机体上（图2）。此时如果不采取平衡措施，这个反作用力矩会使机体向旋翼旋转的相反方向旋转。为此，需要采用一定的方式来平衡，这也使得直升机具有不同的布局形式。

按旋翼数量和布局方式的不同，直升机可分为单旋翼直升机、共轴式双旋翼直升机、纵列式双旋翼直升机、横列式双旋翼直升机和带翼式直升机等几种类型。

（1） 单旋翼直升机

单旋翼直升机（图3）由一副旋翼产生升力，用尾桨平衡反作用力矩。这种直升机构造简单，应用最为广泛，90%以上的直升机都采用这种布局型式。不过这种布局的直升机也有缺点，就是尾桨要消耗7%?10%的功率。图4?图7是几种常见的单旋翼直升机。单旋翼布局在模型直升机上使用也非常广泛（图8、图9）。

（2） 共轴式双旋翼直升机

共轴式双旋翼直升机（图10）的两副旋翼沿机体同一立轴上下排列并绕其反向旋转，可使两者的反作用力矩相互抵消，简称共轴式直升机。共轴式直升机结构紧凑、外廓尺寸小，但升力系统较重，操纵机构较复杂。共轴式双旋翼已被成功地用于中、小型直升机上（图11、图12）。近年来由于模型电动机的飞速发展，这种布局在模型直升机上也得到了广泛的应用（图13、图14）。

（3） 纵列式双旋翼直升机

纵列式双旋翼直升机的两副旋翼沿机体前后排列、反向旋转，使两者的反作用力矩相互抵消，简称纵列式直升机（图15）。为了减少两旋翼间相互干扰，后旋翼的安装位置通常较前旋翼稍高。纵列式直升机机身较长，使用重心的允许变化范围较大，但其传动系统和操纵系统复杂，前飞时后旋翼气动效率较低。最为著名的纵列式双旋翼直升机要属美国的CH-47“支努干”（图16）。现在市面上也有仿真的“支努干”模型直升机（图17），不过这个模型前后两套旋翼系统都采用了共轴式双旋翼。

（4）横列式双旋翼直升机