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什么是旋翼航空器 ？｜张聚恩谈航空147
(2017-02-28 20:52:24)
标签：
杂谈 |
文/张聚恩
现代航空器有两大主流样式，固定翼航空器与旋翼航空器（Rotorcraft或Rotor Aircraft）。相比固定翼航空器（飞机），人们对旋翼航空器的了解要少一些。近年来大行其道、获得空前发展与应用的多旋翼航空器（Multi-rotor craft）， 或称多轴航空器（Multi-axis craft），不论是消费级还是工业级，都引起人们的广泛关注，也丰富了我们对旋翼航空器的认识。
而原有关于旋翼航空器的分类及其知识体系里，对此类航空器关注不够，因此有必要对旋翼航空器的原有分类及相应知识做一些探讨性研究和补充。
桨毂与桨叶连接部
旋翼航空器，顾名思义就是在航空器的构造中有旋翼（Rotor），即旋转的机翼，并以旋翼旋转获取升力的航空器。
“旋翼”是旋翼航空器共有的主要升力部件，也称升力螺旋桨。
旋翼由桨毂和数片桨叶构成。桨毂安装在旋翼轴上，形如细长机翼的桨叶连在桨毂上。一副旋翼最少有两片桨叶，最多可达8片。旋翼直径最小约5米，最大达35米。
按桨叶与桨毂连接方式的不同，分为铰接式、无铰式和无轴承式等。
旋翼结构示意
不论那种类型的旋翼航空器，旋翼的桨叶旋转时与周围空气相互作用，产生沿旋翼轴的拉力。
旋翼轴方向近于垂直时，旋翼首先具有机翼的功能，产生向上的力；
如果相对气流的方向或各片桨叶的桨距不对称于旋翼轴，还产生垂直于旋翼轴的分力，具有类似于飞机推进装置的功能；
还可产生改变机体姿态的仰力矩或滚转力矩，具有类似于飞机操纵面的功能。
旋翼航空器分类表（按旋翼数量分）
航空器
旋翼机（飞行原理与直升机不同）
单旋翼直升机
单旋翼带尾桨
直升机
单旋翼无尾桨
双旋翼
航空器
双旋翼直升机
双旋翼共轴式
双旋翼纵列式
双旋翼交叉式
双旋翼横列式
倾转旋翼机（特殊形态旋翼航空器）
双模态飞机/直升机
多旋翼
航空器
4旋翼航空器
类直升机
6旋翼航空器
8旋翼航空器
大于8的双数旋翼航空器
以往，在对旋翼航空器分类时，都只说包括两类，即旋翼机（Autogyro，或Autogiro，或Gyroplane）和直升机。
而直升机的所有分类法，包括按重量和用途分，以及按旋翼反作用力矩的平衡方式分，也只列单旋翼直升机和双旋翼直升机，并未将多旋翼航空器列入。这样，多旋翼航空器似乎被遗忘了。
多旋翼航空器的飞行原理明显区别于旋翼机，不宜叫“多旋翼机”；
按其原理，虽与直升机相同，但物理形态和目前适用范围又明显不同于直升机，且品种众多，叫“多旋翼直升机”似乎也不够好。
不妨直称其为“多旋翼航空器”或“多轴航空器”（如此，也与英文名的字义一致），视为“类直升机”，将其单独列为一类；
同时，建议以旋翼的数量作为旋翼航空器分类的新维度。
如果按旋翼数来区分旋翼航空器的话，可分为单旋翼、双旋翼和多旋翼三类。
单旋翼航空器包括旋翼机和单旋翼直升机（单旋翼带尾桨和无尾桨式直升机）。
双旋翼航空器即为双旋翼直升机，包括共轴式、纵列式、交叉式和横列式等，也可把倾转旋翼机看作此类中的特殊一例。
多旋翼航空器单列为一类，通常包括4、6、8及8以上偶数副旋翼。
见下表。
针对以上分类，做如下讨论：
旋翼机
（1）旋翼机与直升机之不同
旋翼机和单旋翼直升机外形相似，机头顶部都有一副大直径的旋翼，但它们的工作原理有很大差异。
旋翼机的旋翼不与发动机直接相连或通过传动系统相连，是一种依靠前行时相对气流吹动旋翼自转而产生升力的旋翼航空器。而直升机的旋翼与发动机传动系统相连，发动机带动旋翼旋转产生升力。
单旋翼带尾桨直升机
单旋翼无尾桨直升机
（2）旋翼机的原理与特点
旋翼机装有旋翼、螺旋桨（拉进式、推进式皆可）和固定翼面（小面积机翼和尾翼，也可没有）。发动机不与旋翼相连，而与垂直放置的螺旋桨相连；发动机带动螺旋桨旋转，向旋翼机提供前进力。旋翼机前飞时，相对气流吹动旋翼旋转产生升力。其运行像一架风车随风转动（上世纪20年代问世时，被称为“风车航空器”），只不过，风车桨叶面垂直于地面，而旋翼机的旋翼面与地面大致平行，飞行时稍向后倾斜。
旋翼机具有起降距离短、能低速低空飞行、简单轻巧、便于隐蔽等特点，但不能垂直起降，也不能悬停。由于旋翼机的旋翼为自转式，传递到机身上的扭矩很小，无需像单旋翼直升机那样，设置尾桨，但是一般装有尾翼，以控制飞行。
在起飞时，旋翼系统可以用动力驱动而“预旋”（prerotate）；也可通过“离合器”同发动机相连，靠发动机带动旋转而产生升力，以缩短起飞滑跑距离（但不能垂直起飞），升空后再松开离合器，使旋翼转为自由旋转。
旋翼旋转的动力由旋翼机前进而获得。若发动机空中停车，螺旋桨停转，在旋翼机作惯性前飞时，旋翼仍可自转提供部分升力。这样，有可能借助飞行员的正确操纵而实现安全滑翔降落。
双旋翼共轴式直升机
（3）直升机的原理
直升机的升力来自同发动机传动系统相连的旋翼的旋转。飞行中，通过调节旋翼面与前飞方向的倾斜，而前行（前倾时）或后退（后仰时）。常用直升机分为单旋翼和双旋翼两大类。
（4）关于旋翼的反作用力矩
直升机旋翼轴带动旋翼转动时，空气作用其上，产生反作用力矩。为保证直升机可控稳定飞行，需对该力矩进行平衡，由不同的平衡方式形成不同的旋翼布局。
（5）单旋翼布局
单旋翼布局有带尾桨和无尾桨两种。
带尾桨——由尾桨产生的拉力(或推力) 相对于直升机机体重心形成的偏转力矩，去平衡空气对旋翼形成的反作用力矩。应用广泛，但尾桨工作消耗一部分功率。
无尾桨——通过从尾梁侧向引出的发动机高速气流所产生的的反作用力来平衡空气对旋翼形成的反作用力矩。
比较带尾桨式需在尾梁里面设置传动轴，给尾桨传输动力，无尾桨的结构较简单，维护较方便。由于取消后部传动组件，也减轻了部分重量，一定程度上改善了可操控性和机动性。但气流的反作用力有限，只能用于轻型直升机。
（6）双旋翼式布局
双旋翼纵列式直升机
直升机上装有两副旋翼，可以是共轴式，也可以是纵列式或者横列式(含交叉)双旋翼。
双旋翼交叉式直升机
通过传动装置使两副旋翼彼此向相反方向转动，空气对其中一副旋冀的反作用力矩，正好为另一副旋翼的反作用力矩所平衡。
其中的双旋翼交叉式除与其它双旋翼直升机一样有两副完全一样，但旋转方向相反的旋翼外，其明显特点是两旋翼轴不平行，分别向外侧倾，且横向轴距很小，所以两副旋翼在机体上方呈交叉状。
双旋翼横列式直升机
（7）多旋翼航空器的原理
多旋翼（多轴）航空器的飞行原理与直升机、特别是双旋翼横列式直升机相近。可视为直升机的一种。
其发动机与旋翼直接相连（可以一机一轴一副或同轴双副旋翼，还可通过传动装置实现更多驱动样式），可垂直起降和空中悬停。而设为偶数副的旋翼，皆因平衡空气对旋翼的反作用力矩的需要，旋翼副的各一半互为平衡反作用力矩。
以下是多旋翼布局的主要样式。其中，红、蓝表示旋转方向相反，Rev Y6、Y6、X8为同轴双旋翼。
（8）倾转旋翼机
倾转旋翼机（Tilting Rotorcraft）是一种双模态的航空器，应视为飞机，可以不在这里描述。
但人们已经称其为倾转旋翼机了，故而也可将其作为有条件的特殊构型双旋翼航空器。这是一种将固定翼飞机和直升机特点融为一体的新型航空器，被称为空中“混血儿”。1981年研制成功，代表机型为V-22“鱼鹰”。
其机身、机翼和普通固定翼飞机基本相似，但是其位于机翼两端的螺旋桨发动机可上下转动。当螺旋桨发动机从水平状态转到垂直状态时，可像直升机一样垂直起降和悬停；
当螺旋桨发动机处于水平状态时，给飞机一个向前的推力，使它能像固定翼飞机一样飞行。
螺旋桨发动机处于两种状态之间时，既产生升力，又产生推力，能使飞机以低速飞行。该型航空器的出现，带来了独特的能力，包括速度与航程的结合以及新的使用方式。
V-22“鱼鹰”倾转旋翼机
结尾
在结束此文时，我们欣喜地看到，不仅我国以大疆创新为代表的多旋翼无人航空器在世界市场处于领先地位，我国直升机工业近年来也获得井喷式发展。
让我们共同期待，我国旋翼航空器事业获得更大、更快、更好的发展。
大疆创新的多旋翼无人机
国产民机AC313
我国武直19
我国武直10
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