2024年机器人等级考试搭建直升机.docx

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第1章直升机

1.1直升机的发展

直升机是20世纪航空技术极具特色的发明之一,极大拓展了飞行器的应用范围,可用在多种领域,它有許多其他飞行器难以办到或不也許办到的优势,因此受到广泛应用。

中国的竹蜻蜓被公认是直升机发展史的起点。有人认為,中国在公元前4就有了竹蜻蜓,另一种比较保守的估计是在明代。这种叫竹蜻蜓的民间玩具,一直流传至今。

而在欧洲,达芬奇的直升机草图為現代直升机的发明提供了启示。《简要不列颠百科全书》第9卷写道:“直升机是人类最早的飞行设想之一,数年来人們一直相信最早提出这一想法的是达?芬奇,但目前都懂得,中国人比中世纪的欧洲人更早做出了直升机玩具。”

《大英百科全书》记载道:这种称為“中国陀螺”的“直升机玩具”在15世纪中叶,也就是在达芬奇绘制带螺丝旋翼的直升机设计图之前,就已经传入了欧洲。

現代直升机尽管比竹蜻蜓复杂千万倍,但其飞行原理却与竹蜻蜓是相似的。現代直升机的旋翼就仿佛竹蜻蜓的叶片,旋翼轴就像竹蜻蜓的那根细竹棍儿,带动旋翼的发动机就仿佛我們用力搓竹棍儿的双手。

当旋翼转动時,会产生一种向上的升力,当这个升力足够大時,就会带动竹蜻蜓或者直升机飞起来。

1.2直升机的升力

升力,就是向上的力。一般指在空气中,向上的力不小于向下的力,其合力可以使物体上升,这个合力就是升力。直升机的升力是怎样产生的?

首先我們做一种试验:在两张紙之间吹气,观测试验現象。

流体力学小试验

通过试验你会发現,当我們在两张紙之间吹气的時候,两张紙并没有向两边散开,而是会向里吸合。这是由于当我們向两张紙之间吹气的時候,紙间的空气流动速度快,空气稀薄,产生的压力就小;而紙外两侧的空气基本没有流动,因此空气密度大,这样产生的气压也就大。外侧气压力不小于内侧气压,因此两张紙张就向里吸合。

直升飞机的升力也和空气的这种压力有关,我們观测一下直升飞机旋翼的桨叶,这是一种两边薄、中间厚的長条。之前我們說过直升机旋翼的桨叶和竹蜻蜓的叶片与顶面都是有一定角度的,因此当旋翼转动時,上方的空气流动速度快,产生的气压小,而下方的空气流动速度慢,产生的气压大。桨叶上下面之间就由气压差产生了向上的托举力,这个就是飞机的升力。当升力不小于飞机自身的重力時,就会带动飞机飞起来。

飞机的升力

直升机能在空中进行多种姿态的飞行,都是由主旋翼(螺旋桨)旋转产生的升力并操纵其大小和方向来实現的。升力不小于重量時,就上升,反之,就下降。平衡時,就悬停在空中。直升机的升力大小,不仅决定于旋翼的转速,并且决定于旋翼的安装角(又称桨叶角)。升力伴随转速.桨叶角的增大而增大;伴随转速.桨叶角的减小而减小。直升机在飞行時,桨叶在转每一圈的过程中,桨叶角都是不一样的;并且,每片桨叶的桨叶角也是不一样的。这才使直升机可以前、后仰,左、右倾,完毕多种姿态。直升机尾旋翼的转速和桨叶角的变化同主旋翼原理相似,控制直升机的左转弯、右转弯和直飞。不管天空有风无风,直升机要稳定飞行,不变航向,也要靠稳定陀螺仪控制尾旋翼来完毕。

1.3制作

直升机重要由机体和升力(旋翼和尾桨)、动力、传动三大系统以及机载飞行设备等构成。旋翼一般由动力(发动机)通过由传动轴及变速装置等构成的机械传动系统来驱动。下面我們来制作一种直升机。

这里我們制作的直升飞机没有这样复杂,甚至也許都飞不起来,不过我們可以通过这个制作体会一下直升机的几种构成部分,假如旋翼合适的话,还可以在直升飞机底部感到向上的升力。

1.制作机体,飞机机体重要是一种外观框架,我們要考虑之后旋翼旋转轴的安装位置,以及动力、传动机构的安装。

2.安装馬达,馬达是提供动力的装置,我們将其安装在直升飞机的中间位置。

3.搭建传动系统,这个传动系统是一种加速齿轮装置,可以将电机的转速放大,以提供足够的升力。

4.安装旋翼,这里旋翼包括了多种外观同样的桨叶,且桨叶并不在同一种平面,它們互相之间是有一点的角度的。

注意:桨叶之间与平面的角度是同向固定的,这样所有桨叶产生的升力才是往一种方向的。

5.安装尾桨,尾桨由于其安装在直升机尾部而得名,在实际的直升机上尾桨的作用是抵消旋翼转动時引起的直升机自身的自传。不过这里由于我們的直升机不会真的飞起来,因此只是一种装饰性的部分。制作一种像是小号的旋翼安装在直升机尾部既可。

6.连接控制器(含电池)。控制器(含电池)作為电源驱动馬达转动。当旋翼旋转的時候会产生一种垂直的力,不过这个力的方向是由旋翼旋转的方向决定的。

3倍

4倍

10倍

5倍

3倍

5、4倍

5倍

3、4倍

2倍

9倍

7倍

3倍

10倍

3倍

5倍

1.4流体力学

像气流作用在直升机桨叶上的这种状况,我們将研究流体自身的静止状态和运动状态以及流体和固体界壁间有相对运动時的互相作用和流动规律的力学分支称為流体力学。

流体力学是在

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