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悬停

  悬停是直升机在一定高度上保持航向和对地标位置不变的状态。直升机的这一飞行特性 不但能适应多种作业的需要,更能扩大其使用范围。无论是高大建筑物的屋顶平台,还是高 山峡谷的狭小平地,它均能起降自如,实施多种作业。因此悬停是直升机区别于一般固定翼 飞机的一种特有的飞行状态。虽然某些特种飞机,例如喷口转向飞机,也能作短时悬停,但由于它们产生平衡飞机重力喷口的推力面的载荷大大超过直升机旋翼的桨盘载荷,这样不便使这类飞机在相同飞行重量的悬停需用功率比直升机的高得多,而且过大的诱导速度引起悬停状态作业的环境条件大大恶化。此外垂直起落飞机的喷口对地面严重烧蚀等方面的问题限制了这类飞机的使用范围。

直升机悬停时的力及需用功率

  悬停时,单旋翼式直升机力的平衡如下图所示。旋翼拉力在铅垂面的升力分量T1与全拉的飞行重力G

平衡;用于平衡反扭矩的尾桨推力T尾则等于旋翼在水平侧向分力T3。即

  铅垂方向:T1=G

  水平侧向:T尾=T3

  悬停时,直升机的需用功率由尾桨和传动等功率外加上旋冀所需功率组成,旋翼需用功 率则主要由两部分组成:(1)旋翼产生拉力所付出的代价——诱导功率P诱;(2)电于空气 的粘性旋翼旋转时克服桨叶型阻需要耗费的功率——型阻功率P型。即

     P悬停=P诱+P型

  必须指出,旋翼的悬停需用功率,比大多数前飞状态需用功率都大一些。这是因为悬停 时,流过桨盘的空气质量流量较小;根据动量定理,要产生同样拉力,旋翼在悬停时的诱导 速度需更大一些,而诱导功率正比于旋翼拉力和诱导速度。所以悬停诱导功率就比平飞时的 诱导功率更大些,而型阻功率损失主要取决于旋翼转速和桨叶构型。由于旋翼转速和桨叶构 型很少随飞行状态的变化而变化,因此型阻功率随直升机的飞行状态变化也较小。总的来说,悬停状态的需用功率在直升机的各种飞行状态中是较高的。

垂直上升

  直升机在四周有较高障碍物的狭小场地悬停起飞后无法以爬升飞行方式超越障碍物,垂直上升飞行是超越障碍物获取飞行高度的有效方式。在上述情况下一些特殊空间和区域作 业,直升机的垂直上升性能则具有非常重要的实用价值。

垂直上升时直升机的力及需用功率

  直升机垂直上升飞行速度称为上升率以 Vy表示。通常直升机的垂直上升速度都不大, 机体阻力与飞行重量 G比较起来则为一个小量,可以忽略不计,因此直升机垂直上升时力 的平衡与悬停时基本相同。即

铅垂方向:T1=G

水平侧向: T尾=T3

  垂直上升时旋翼需用功率,主要由三部分组成:诱导功率P诱;型阻功率P型,以及旋翼上升做功的上升功率P升,即

      P垂升=P诱+P型+P升

  垂直上升与悬停状态相比,诱导功率虽然随上升高度的增加其值有所减小,然而随着 Vy的增加被忽略的机体阻力的功率损耗也有所增加,这两项大至相抵。型阻功率也可认为与悬停状态相同。 因此在粗略分析中可以近似认为垂直上升时P诱与P型之和与悬停时的旋 翼需用功率相等。然而上升功率P升=T1Vy则随垂直上升速度线性增加。因此垂直上升的总需用功率比悬停时的需用功率大,并且随上升率的增加而增加。

垂直下降

  直升机的垂直下降与垂直上升相反,利用它可以使直升机在被高大障碍物所包围的狭小 场地着陆。由于这时旋翼的诱导速度与其运动的相对来流方向相反,流经桨盘的两股方向相反的气流使旋翼流场变得更加复杂。随着下降率的增加,当两股气流的速度数值十分接近时,直升机会进入不稳定的“涡环状态”,这时经典的动量理论不能反映流过旋翼气流的流 动规律,通常利用以实验为基础的半经验理论进行描述。下面重点介绍垂直下降中旋翼特有的这一物理现象及相关问题。

垂直下降的直升机的力及需用功率

  垂直下降与悬停及垂直上升时力的平衡基本一样,即

   铅垂方面: T1=G

   水平侧面:T尾=T3

  垂直下降时旋奠的需用功率,类似于垂直上升,可写成

   P垂降=P诱+P型+P降

  需用功率与垂直上升的差别主要 表现在两个方面:(1)P降中的Vy 数值为负。即下降的重力做功,旋翼气流中获取能量。(2)在垂直下降速度较小时,P诱由于旋翼周围的不规 则的紊乱流动使旋翼垂直下降状态诱 导的功率增大。直升机垂直下降中,旋翼从下降中所获取的能量,在很大的速度范围内,消耗到诱导功率中去了。