直升机 -高 正-第1章

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　　主讲人简介：　
　　高正：南京航空航天大学教授、中国航空学会直升机专业委员会主任，曾获得国家技术发明三等奖一项。2002年被授予“叶戈尔·西科斯基直升机研究奖”，是我国获此殊荣得第一人。　
　　内容简介：　
　　自一九零三年人类发明了飞机，已经整整一百年了。这一百年里发明了多种载人的飞行器。飞机和直升机都是飞行器　，都可以载人载物飞行，但是它们的飞行原理、飞行特点和操纵方式是不同的。　
　　大家知道，机翼要产生升力，必须机翼和空气要有相对运动。所以飞机机翼作为飞机的主升力面，要产生升力必须要有风　，或者相对速度吹过机翼。那当然飞机就不能在原地起飞，必须在跑道上滑跑，通过滑跑加速，使速度达到一定值以后，机翼上的升力才能把飞机托起来。所以飞机的起飞和着陆都要滑跑。但是直升机可以不滑跑，它能够在原地起飞　，也可以悬在空中不动。主要靠什么呢？主要靠它的升力面…旋翼。要发明直升机，首先要解决三个大的技术关键问题。第一个技术关键就要让它原地升空。第二个关键就是旋翼旋转以后产生升力了，但是空气对旋翼桨叶的阻力，要通过旋翼又传到机身上，会让机身反转。所谓反作用扭矩。第三个关键就是要可操纵。那么解决了这样三个方向的控制问题，直升机就发明了，就可以在人的控制下自由飞行了。　
　　虽然能够飞了，到六十年代，直升机的声誉并不好。飞得慢，不如飞机快。振动大，嘈音强，难驾驶，而且出事故多。为什么会有这么多故障呢？主要是和直升机它的结构特点和飞行特点有关系。经过六十年的进步，这些主要的困难和障碍在很大的程度上得到克服了。使直升机就得到广泛地应用。咱们国家现在生产的直升机有直5直升机、直8直升机、直9直升机、直11直升机、还有小型的EC120。　
　　最后我谈一点个人设想跟大家研究探讨一下。就是我们看两个直升机，一个是五十年代的“S…61”，一个是最新的欧洲的“EH…90”；猛一眼看过去，好像没有什么大的区别，为什么五十年不变？是不是搞直升机的人特别保守或者特别笨？我想是这么一个原因。就是发动机和减速器，它紧靠着旋翼，还有传动轴传到尾部，它把直升机的核心的部位给占领了，总要把减速器放到旋翼下边，而发动机紧靠着减速器，就直升机上最好的位置被它占了。那么直升机的形状也就决定了，就是像个大头蝌蚪一样。所以现在为什么直升机大部分都是这个样子呢？我想将来的出路能不能向这儿走，我设想了一架直升机，咱们把动力放到桨尖上去，喷气推动，然后在旋翼的桨叶上搞一个小的衿翼，用电来控制这个小翼来摆动。再装上一个小的机翼，在高速飞行的时候，机翼产生一定的升力替旋翼卸载，再在尾部装一个小的矢量推进装置。所以将来希望，如果能解决了智能材料来控制桨叶的桨距，能够解决了在离心力场里面稳定工作的推进器，把它装到桨叶尖部。这样的直升机应该是可以出现的。　
　　《直升机》　（全文）　
　　自一九零三年人类发明了飞机，已经整整一百年了。这一百年里发明了多种载人的飞行器。像在航空器里边有飞机、直升机、自转旋翼机、动力伞，还有倾转旋翼机等等。在航天器里边，有航天飞机、宇宙飞船　，空间站等。但是直升机的发明比飞机晚了三十多年。第一架成功的直升机是在一九三六年首飞，到了四十年代初开始实际应用，到现在经过六十年的进步已经成为用途最广的飞行器。飞机和直升机都是飞行器　，都可以载人载物飞行　，但是它们的飞行原理、飞行特点和操纵方式是不同的。　
　　大家知道机翼要产生升力，必须机翼和空气要有相对运动，或者说要有相对速度，而且升力的大小是和速度的平方成正比的。所以飞机机翼作为飞机的主升力面，要产生升力必须要有风　，或者相对速度吹过机翼。那当然飞机就不能在原地起飞，必须在跑道上滑跑，通过滑跑加速，使速度达到一定值以后，机翼上的升力才能把飞机托起来。所以飞机的起飞和着陆都要滑跑。但是直升机可以不滑跑，它能够在原地起飞　，也可以悬在空中不动。主要靠什么呢？主要靠它的升力面…旋翼。机体虽然不动，但是旋翼旋转起来以后，桨叶上就有了相对气流速度，这个速度使桨叶产生升力，就把直升机拉起来了。那么这个原理大家都看得清楚，有两个例子我们可以举一下。一个，飞机就像我们放风筝，放风筝必须有风，如果没有风，那我们就拉着风筝跑，这就有了相对风，等升到空中以后，空中有风了，那么风筝就可以飘在上面。像直升机，它虽然机体不跑，但旋翼旋转等于在桨叶上产生了相对风　。　
　　其实人类要想飞起来，最早想到的不是滑跑起飞。人没那么聪明，没有想到通过滑跑来加速起飞，是想到要原地垂直起飞的。像咱们中国早期的童话《西游记》，哪吒脚踩的风火轮，那是垂直起落的飞行器。像阿拉伯童话里面的阿拉伯的飞毡，希腊神话里面的希腊神的战车都是原地起飞的。但这个都是神话而已　，要真正实现原地起飞，人们经过了长期的艰苦的努力，冒了很大的风险。比如说中国明朝的一位万户，他把火箭绑在椅子上，然后扎上个大风筝，让火箭的推力把他推到空中去垂直起飞，当然也失败了。后来国外也是，很多人经过艰苦努力，冒险进行实验，失败了非常多。所以为什么直升机比飞机要晚成功三十多年。要发明直升机，首先要解决三个大的技术关键问题。第一个技术关键就要让它原地升空。世界公认在原地产生升力，作为直升机旋翼的雏形就是竹蜻蜓。竹蜻蜓在中国至少有一千四百多年的历史，后来传到世界各地，许多地方都有。我这儿有一个竹蜻蜓，这就是旋翼原理的雏形。可能你们小时候都玩过，它可以原地起飞，不需要滑跑。那么人们受到这个启发就利用竹蜻蜓的原理，设计制造了旋翼，实现了垂直起飞，这是解决的第一个关键；第二个关键就是旋翼旋转以后产生升力了，但是空气对旋翼桨叶的阻力，要通过旋翼又传到机身上，会让机身反转。所谓反作用扭矩。这个就像我们划船，我们拿着桨去拨水，往后拨水，水给桨一个反作用推力，通过人的手和身体传给船，那么船就往前走，这就是作用力和反作用力。那么发动机让旋翼旋转，空气要阻止旋转，这个阻止力矩通过桨叶传给发动机，再传到机身，于是机身就要对旋叶反转。那么机身要反转起来，这个飞行器我们就没法用了。所以要发明直升机，要解决不让机身转动。早期人们想的办法就是用多个旋翼，最早想的是多旋翼、双旋翼或者是四旋翼。像左边那个图是上下两个旋翼反转，这叫共轴双旋翼式，它们的反扭矩彼此平衡了，不要传到机身上去。左边中间这个叫横列式双旋翼，把两个旋翼设计在机身的左右两边，它们也是反转。在下面这个叫交叉双旋翼式，两个旋翼都是交叉的。右边下面这个叫纵列双旋翼式，两副旋翼，同速，反向旋转，它们的反扭矩彼此平衡，所以可以保持机身就不转了。这个办法呢，特别是在早期，用两个或者四个旋翼是非常复杂的，振动得几乎没有办法飞行。后来在一九三九年，美国的西科斯基这个公认的直升机界的鼻祖和权威，他就发明了单旋翼式直升机，就是左上角这个。他在直升机的尾部加了一个垂直安装的旋翼，实际上我们叫它尾桨。它指向侧面的拉力对重心就有一个力矩，这个力矩来平衡旋翼旋转的反扭矩。所以现在世界上百分之九十五以上的直升机，是这种单旋翼带尾桨式的。第三个关键就是要可操纵。其实在一九零七年法国人，一个叫布雷盖蒂，一个叫卡努都已经实现了垂直起飞。它们的旋翼可以拉着机身垂直飞起来。但是不能操纵，不能控制。又经过了三十多年的努力，在德国首先成功地发明了直升机，就是德国的福克在一九三六年完成了直升机的发明，就是他实现了可控飞行。　
　　那么解决了这样三个方向的控制问题，直升机就发明了，就可以在人的控制下自由飞行了。虽然能够飞了，到三十年代、四十年代、一直到五十年代，甚至六十年代，直升机的声誉并不好。飞得慢，不如飞机快。振动大，嘈音强，难驾驶，而且出事故多。为什么会有这么多故障呢？主要是和直升机它的结构特点和飞行特点有关系。我们举个例子，现在一般直升机旋翼的旋转桨尖速度大约是每秒二百米左右，相当于每小时七百二十公里。如果直升机以三百公里的时速往前飞，那么往前转的桨叶那就是七百多公里加上三百公里速度，就是一千多公里了。往后转的桨叶就是四百来公里速度了。所以桨叶每转一圈，它的迎面气流速度，就是从四百多到一千多，然后到四百多这么转。那么既然气流速度这么变化，它的空气动力的变化，这就带来直升机旋翼上始终是处在交变载荷作用下。就由于这些原因，直升机的飞行特点和结构特点造成了振动大，容易疲劳，噪声强。另外还有飞行速度问题。为什么直升机速度大不了，就是三百公里的时速时，前进桨叶已经超过了一千公里的速度，如果飞得更快，前行桨叶会达到音速，而后行桨叶速度更慢。因为它是两个速度之差，所以这两个原因，旋转的旋翼限制了直升机的速度，不可能很大，这就是它的根本原因。　
　　但是经过六十年的进步，这些主要的困难和障碍在很大的程度上得到克服了。由于有了这么巨大的进步，使直升机就得到广泛地应用。它的优越性就显示出来了。我想它的优越性有两条是不可比的。一条，不要机场。它是飞行器，但是不要机场，任何地方它可以起飞，可以着陆，可以悬在空中不动，地面是个烂泥潭它可以离地半米悬停，轮子不接地，人可以照样上下，这是和飞机比。和各种车辆比，它不要道路，没有路的地方它都可以去。特别是发生泥石流的地方，闹水灾的地方，发生地震的地方，其他东西都去不了。像前一段发生泥石流老百姓困在山上没吃的，那么咱们武警战士一人扛上两箱方便面跋山涉水去往那运。结果老百姓在那儿挨饿，咱们如果派两架直升机运它几百箱方便面，这不是很容易的事吗？所以有了这两个大的优点，直升机就得到广泛地应用。　
　　我们看几个用处，一个是救生。直升机开始最大的用处就是救生。像从海上救落水的人，发大水的时候从水里救人，失火的时候从楼顶上救人，那么在山区，交通不便的地方救伤员，或者是病员，这个是用的最普遍的。第二个是运输，客机，大城市内部和城市到机场之间的运输。最突出的是海上钻井平台的人员换班和物资供应。特别是有风浪大的时候，小船上不去，大船不敢靠，一靠，怕撞坏了，而直升机是最好的办法。所以所有的石油钻井平台上，都有直升机起降平台。另外直升机，像吊装电缆塔架，还有吊装任何东西。公安，现在我们有几个城市已经有了公安的直升机了，可以交通巡查，可以追捕逃犯，海上缉私，还有灭火