直升机工作原理

直升机飞行原理涉及空气动力学、飞行力学、机械结构等多方面的知识。本文仅供感兴趣的朋友“走马观花”，初步了解直升机飞行的一些基本原理。

拉力的产生

当直升机停在地面上时，旋翼的叶片会因自身重量而自然下垂。直升机飞行时，旋翼不断转动，空气流过桨叶上表面，流管变窄，流速加快，压力降低；当空气流过叶片的下表面时，流管变得更厚，流速减慢，压力增加。这样，在叶片的上表面和下表面之间形成压力差，并且在叶片上产生向上的拉力。张力的大小受许多方面的影响，如叶片和气流之间的角度、空气密度、机翼的大小和形状以及叶片和气流之间的相对速度。叶片拉力之和即为转子拉力。

直升机飞行时，旋翼的叶片会形成一个有一定锥度、底部朝上的大锥体，称为旋翼锥体。转子的拉力垂直于转子锥体的底部。向上拉力大于直升机自重时，直升机上升，小于直升机自重时，直升机下降，刚好相等，直升机悬停。

通过控制旋翼锥体向前、后、左、右方向的倾斜，可以改变旋翼拉力的方向，使直升机可以朝不同的方向飞行。

“恼人”的反作用力

牛顿第三定律告诉我们“两个相互作用的物体之间的作用力和反作用力总是大小相等方向相反，作用在同一条直线上”。因此，当直升机驱动旋翼旋转时，旋翼必然会对直升机产生反作用力矩。如果只有一个旋翼，不采取其他措施，直升机机身会不由自主地旋转。

为此，设计者想了很多办法来控制反力矩，比如按照并排、前后柱、上下同轴、相交的布局，安装两个大小相同、旋转方向相反的转子来抵消彼此的反力矩。比如利用射流引射器与主旋翼下洗气流的良好相互作用来抵消反作用力矩，但最简单的方法是在尾部安装一个垂直旋转的小旋翼，称为尾旋翼，通过或“拉”或。本文指的是这种单旋翼、尾桨直升机，除了特别说明。

通过控制尾桨的“拉力”或“推力”，可以使直升机偏转，从而实现直升机的转弯。

桨叶挥舞

当转子旋转时，它做圆周运动。由于半径的原因，叶尖的线速度很高，而靠近叶片中心的根部线速度很小，甚至几乎为零。因此，单个叶片上产生的升力在任何地方都不相同。最大升力产生在叶尖附近，而根部附近只产生很小的升力。

此外，当直升机向前运动时，旋翼内前桨叶(桨叶向机头旋转)的相对气流速度高于后桨叶(桨叶向机尾旋转)，其产生的升力也大于后桨叶，导致两侧升力不均匀。

如果叶片与轮毂刚性连接，一方面，叶片上不均匀的升力会使叶片强烈扭转，不仅会加速叶片材料的疲劳，还容易引起振动；另一方面，旋翼两侧不均匀的升力会使机身向一侧滚动失去平衡。为了解决这些问题，设计者设计了一个铰链装置来连接叶片和轮毂，即“挥舞铰”.

“拍动铰链”，又称“水平对比法”，是在叶片根部设置一个水平轴孔，通过螺栓与轮毂连接。这种连接方式允许刀片在一定范围内摆动。这样，叶片向前运动时，由于升力的增加，自然向上摆动，实际运动方向不是水平，而是斜向上。由于这种运动，叶片的实际迎角也减小，升力减小。铲刀后退时，升力不足，自然下降。这种旋转和下落的运动使得叶片的实际迎角增加，升力增加。同时，由于离心力的存在，叶片会自然拉直，所以在升力的作用下不会无限上升或下降，也就是说叶片的挥舞幅度不是无限的。同时，设计师也在机械结构上采取了相应的措施，保证叶片不会因无限挥舞而与机身发生碰撞。

摆振的问题

叶片挥舞虽然解决了升力不均匀、材料疲劳等问题，但也带来了新的问题。当叶片向上摆动时，重心与旋转轴之间的距离减小，科里奥利力矩加速了叶片的旋转。当叶片回到水平位置时，重心与旋转轴之间的距离增加，科氏力力矩会减缓叶片的旋转。科里奥利力力矩的大小和方向随着叶片的摆动而周期性变化，叶片会在水平方向来回摆动，以补偿摆动引起的科里奥利效应。如果不加以控制，对叶根的损伤会非常大。解决办法是安装一个“摆振铰”.

“拖铰”，又称“竖铰”，是在叶片根部设置一个竖轴孔，通过螺栓与轮毂的其他结构连接。这种连接方式允许叶片在小范围内来回摆动，从而避免叶片根部弯曲或疲劳断裂。此外，为了给叶片绕阻力铰链的摆振运动提供阻尼，并确保足够的稳定裕度以防止“地面共振”，摆振阻尼器，称为摆振阻尼器，通常安装在阻力铰链上。

由于阻力铰链的存在，叶片向前运动时自然增大后掠角(所谓“滞后”，是因为叶片在旋转方向上的角速度低于圆心的旋转速度)，使叶片截面在气流方向上的长度同相增大，加强了减小攻角的效果；当向后转时，减摆器将叶片恢复到正常位置(所谓的“领先”，因为叶片在旋转方向上的角速度高于圆心的旋转速度)，这增强了增加攻角的效果，所以阻力铰链有时被称为领先-滞后铰链。

变距的问题

叶片根部还有一个重要的铰链装置，即“变距铰”,也被称为“轴向铰链”。其作用是使叶片在一定范围内绕其轴线偏转，从而改变其安装角度，从而调节叶片产生的升力。简单来说就是实现叶片变桨距运动的旋转关节。

挥舞铰、摆振铰和变距铰是实现直升机控制和旋翼正常工作的关键。

其他形式

除了采用全铰接旋翼(配有拍动铰链、拖曳铰链和变桨距铰链)的直升机外，有的直升机采用球形弹性体轴承总成实现三个铰接部件的功能，即真实拍动铰链、拖曳铰链和变桨距铰链，有的采用非铰接结构，即取消独立拍动铰链和拖曳铰链，通过叶片根部柔性元件的变形实现挥舞和摆振功能。

另外，主旋翼只有两个桨叶的直升机通常采用跷跷板轮毂结构，轮毂通过水平螺栓结构与主轴连接，轮毂可以绕这个螺栓转动。

操纵机构

如上所述，通过控制旋翼和尾桨，直升机可以上升、下降、悬停、向前飞行、侧向飞行和转弯。所以，其实直升机的操纵机构主要是针对旋翼和尾桨的。直升机的主要控制机构包括转向柱(也称为周期变桨距杆)、总桨距杆、踏板等。

街道

集体俯仰杆通常位于驾驶员座椅的左侧，由驾驶员左手操作。它通过控制线与自动倾翻器连接，所有叶片的攻角由自动倾翻器控制，从而可以改变叶片螺距，从而改变旋翼的升力。旋转油门控制机构设置在一些总距离操纵杆的手柄上，用于调节发动机油门的大小，使发动机的输出功率能够适应转子叶片变桨后转子所需的功率；有的全桨距杆集成了发动机功率控制器，可以根据转子叶片的桨距变化自动调节发动机的输出功率；所以总距离杠杆也叫总距离油门杠杆。

自动调角器是实现转向杆和总距杆操作的重要部件，它由两个主要部分组成：非旋转环和旋转环。非旋转环安装在转子轴上，并通过控制线系统与转向杆和集合距离杆连接。它可以向任何方向倾斜，并沿转子轴上下垂直移动，但不能旋转。旋转环通过轴承安装在非旋转环上，并通过拉杆与变距铰链(轴向铰链)连接，变距铰链不仅可以与转子轴一起旋转，还可以沿着非旋转环倾斜，作为一个整体沿着旋转轴上下垂直移动。

操纵的实现

驾驶员通过驾驶员对转向杆的横向和纵向操纵使自动倾角调节器的旋转环和非旋转环在相应的方向上倾斜。由于转环通过固定长度的拉杆与叶片的俯仰铰链连接，自动倾翻器的倾斜会导致叶片的俯仰周期性变化，使得旋翼的气动力不对称，旋翼的锥体会向相应方向倾斜，旋翼的拉矢方向也会向相应方向倾斜，从而达到控制直升机横向和纵向飞行的目的。如果转向柱向前偏离中立位置，旋翼锥体向前倾斜，直升机低头向前移动；向后，旋翼锥体向后倾斜，直升机抬头后退；向左，旋翼锥体向左倾斜，直升机向左倾斜，向左移动；向右，旋翼锥体向右倾斜，直升机向右倾斜并向右移动。

驾驶员提升和降低集体俯仰杆的操作通过控制线系统使自动调角器的旋转环和非旋转环沿转子轴向上下移动。另外，由于旋转环通过固定长度的拉杆与叶片的俯仰铰链连接，自动倾斜器的上下运动将导致叶片的俯仰增加或减少，这将增加或减少转子的升力。简单来说，桅杆升起时，桨叶的螺距和发动机的输出功率增大，旋翼的升力增大，直升机上升；当桅杆下降时，叶片桨距和发动机输出功率减小，旋翼升力减小，直升机下降。

踏板位于驾驶员座椅的前下部，由驾驶员的脚操纵，通过控制线系统与尾桨相连，实现尾桨的变桨，控制尾桨叶片的桨距，改变尾桨的“拉力”或“推力”。尾桨的结构与旋翼相似，但比旋翼简单得多。既没有自动倾斜器，也没有周期性的音调变化。一般来说，如果你在一侧踩踏板，直升机机头会偏向那一侧。

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直升机工作原理（直升机原理动画图解）

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