直升機飛行原理涉及空氣動力學、飛行力學以及機械構造等很多方面的知識,本文僅供感興趣的朋友“走馬觀花”,初步了解直升機飛行的一些基本原理 。
拉力的產生
直升機在地面停放時旋翼的槳葉會因為自身重量的作用呈自然下垂狀態 。直升機飛行時,旋翼不斷旋轉,空氣流過槳葉上表面,流管變細,流速加快,壓力減小;空氣流過槳葉下表面時,流管變粗,流速變慢,壓力增大 。這樣以來槳葉的上下表面就形成了壓力差,槳葉上產生一個向上的拉力 。拉力大小受到很多方面影響,比如槳葉與氣流向遇時的角度、空氣密度、機翼的大小和形狀,還有和氣流的相對速度等 。各槳葉拉力之和就是旋翼的拉力 。
直升機飛行時,旋翼的槳葉會形成一個帶有一定錐度的底面朝上的大錐體,將其稱為旋翼椎體 。旋翼的拉力垂直于旋翼椎體的底面,當向上的拉力大于直升機自重,直升機就上升,小于直升機自重,直升機就下降,剛好相等,直升機就懸停 。
通過控制旋翼椎體向前后左右各方向的傾斜,就可以改變旋翼拉力的方向,從而實現直升機向不同方向的飛行 。
“惱人”的反作用力
牛頓第三定律告訴我們“相互作用的兩個物體之間的作用力和反作用力總是大小相等,方向相反,作用在同一條直線上” 。所以當直升機驅動旋翼旋轉時,旋翼也必然會對直升機產生一個反作用力矩,如果只有一個旋翼,沒有其他措施,直升機機體會進入“不由自主”的旋轉 。
為此設計者想了很多控制反作用力矩的方法,比如按照左右并排,前后縱列,上下共軸,交叉互切等布局給直升機裝上兩個大小相等,旋轉方向相反的旋翼來抵消相互的反作用力矩,再比如用噴氣引射和主旋翼下洗氣流的有利交互作用抵消反作用力矩,但是最簡單的還是在機尾裝一個垂直旋轉的小旋翼,稱之為尾槳,通過或“拉”或“推”的方式抵消反作用力矩,這也是現代大多數直升機普遍采取的方式 。本文在探討有關問題時,除特殊說明外,均是指這種單旋翼帶尾槳的直升機 。
通過控制尾槳“拉力”或“推力”的大小,可以達到使直升機偏轉的目的,從而實現直升機的轉向 。
槳葉揮舞
旋翼旋轉時做圓周運動,由于半徑關系,槳葉尖處線速度很大,而槳葉靠近圓心處的根部線速度很小,甚至幾乎為零,所以單片槳葉上各處產生的升力并不相同,靠近槳尖的地方產生最大的升力,而靠近根部的地方只產生很小的升力 。
此外當直升機前進時,旋翼中的前行槳葉(向機頭方向轉動的槳葉)的相對氣流速度高于后行槳葉(向機尾方向轉動的槳葉)的相對氣流速度,其產生的升力也大于后行槳葉,這就造成兩側升力的不均 。
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