關于直升機，你應該知道的那些事兒

汪鑫

1.直升機為什么不能稱為“直升飛機”？

直升機是飛行器中一個獨具特色的門類。它最大的特點是由繞固定軸旋轉的旋翼同時提供向上的升力和水平方向的推力。事實上，很多人都不是很清楚，雖然與固定翼飛機同屬于重于空氣的飛行器，但直升機卻不屬于“飛機”。

通常情況下，我們在提到“飛機”時，都是指通過發(fā)動機產(chǎn)生推力，通過固定機翼與空氣相對運動產(chǎn)生升力實現(xiàn)飛行的飛行器。因此，一些人將直升機稱為“直升飛機”是不對的。

圖1 AS365“海豚”直升機，經(jīng)典的單旋翼涵道式尾槳直升機

也是由于同樣的道理，直升機的旋翼，也不能被稱為“螺旋槳”。原因也很簡單，因為螺旋槳飛機所使用的螺旋槳，是活塞式發(fā)動機驅動，用于向飛機提供水平方向的拉力。飛機的升力，依然是靠機翼與空氣的相對運動產(chǎn)生的。而直升機的旋翼，提供的卻是垂直方向的升力，二者的作用截然不同。

2.直升機是怎么飛起來的？又是怎樣實現(xiàn)向不同方向飛行的？

直升機是通過旋翼的旋轉，與空氣相對運動，從而產(chǎn)生升力。這個升力的方向，總是向上垂直于旋翼的所在平面，航空工程師們通常稱之為“槳盤平面”。當向上的升力大于直升機自重時，直飛機就上升;小于自重，直升機就下降;剛好相等時，直升機就會懸停。

圖2 經(jīng)典的UH-60“黑鷹”直升機。單旋翼帶尾槳直升機是直升機的主流

如果我們想讓直升機向前飛行，該怎么辦呢？很簡單，只需要向前傾斜旋翼的翼面，這時候升力會產(chǎn)生水平和垂直兩個方向的分量。只要保持垂直方向的升力分量能克服重量，直升機就可以向前飛行。同樣的道理，向后傾斜翼面，就可以讓直升機就向后飛行。而具備低速向后飛行的能力，是直升機相對于固定翼飛機的優(yōu)勢之一?？傊胱屩鄙龣C向哪個方向飛行，就向哪個方向傾斜“槳盤平面”。

圖3 CH-47“支奴干”直升機

3.直升機的飛行速度怎么樣？

現(xiàn)在還有一些關于直升機的說法也是不正確的，比如“直升機飛得比固定翼飛機慢”。實際上，目前采用渦輪軸發(fā)動機的直升機，許多在速度超過了采用活塞式發(fā)動機的老式飛機。

不過，由于自身的結構特點，直升機永遠不可能像先進的噴氣飛機那樣，實現(xiàn)超聲速或者高超聲速飛行。從這個角度來說，采用渦軸發(fā)動機的直升機，在速度上遠遠低于采用渦輪螺旋槳發(fā)動機的固定翼飛機。

圖4 卡-52“短吻鱷”

首先，從基本的飛行原理來說，直升機的升力和推力，都是通過同一組發(fā)動機驅動旋翼來實現(xiàn)的。相比之下，固定翼飛機的發(fā)動機，只負責提供水平方向的推力（或拉力），飛機的升力由機翼產(chǎn)生，在速度上固定翼飛機擁有天然的優(yōu)勢。

其次，直升機使用的通常是渦輪軸發(fā)動機，渦輪旋轉產(chǎn)生的功率，必須通過一個軸傳遞到旋翼上，這其中不可避免會有功率的損耗。工程師們無論怎樣設計，都只能做到減小這個損耗，不可能徹底根除這個損耗。

第三，直升機在飛行過程中，旋翼槳葉受到的升力會有所變化。舉例來說，當直升機前飛時，由于機身自身相對于空氣速度的存在，旋翼不同槳葉受到的升力是不同的。向前的槳葉的升力，總是比向后的槳葉受到的升力更大。直升機前飛的速度越快，前后槳葉之間的升力差越大。因此，當飛機速度加快到一定程度后，理論上，有可能會造成旋翼槳葉的斷裂。在實際中，不等升力差易造成槳葉斷裂，僅槳葉因升力變化而產(chǎn)生的上下“揮舞”，在積累到一定程度就會造成直升機失速。因此，旋翼本身就決定了直升機的速度是有上限的。

圖5 K-MAX直升機，非常有特色的交錯式雙旋翼直升機

根據(jù)目前公開資料，按照目前的技術水平，直升機的最大平飛速度可達到約300千米/小時。

4.直升機的分類包括哪些？

通常，直升機按照旋翼分類，可分為單旋翼直升機，雙旋翼直升機和多旋翼直升機。

其中，單旋翼直升機是直升機的最主要的類型，它使用單一的主旋翼（main rotor）生升力，但因為角動量守恒的原因，必須配有一個反扭矩機制去抵消主旋翼旋轉造成的機體反向旋轉。

單旋翼直升機按照尾槳還可分為帶尾槳、涵道式尾槳和無尾槳三種類型。最常見的直升機類型都是單旋翼帶尾槳類型。

涵道式尾槳是傳統(tǒng)尾旋翼的一個變種，用安裝在涵道式外殼內(nèi)的涵道風扇代替了外置開放式的傳統(tǒng)旋槳，優(yōu)點是安全性高、震動和噪音小，缺點是重量大、造價高、推重比相對較低等等，典型機型包括EC120“蜂鳥”、AS365“海豚Ⅱ”、俄羅斯的卡-60“虎鯨”、日本陸上自衛(wèi)隊的川崎OH-1和中國的直-19直升機等等。

無尾槳直升機取消了尾槳設計，由機身尾部側面的排氣口排出空氣，與旋翼的下洗氣流相互作用產(chǎn)生側向力來抵消旋翼產(chǎn)生的反扭矩。典型機型有美國麥道直升機公司生產(chǎn)的MD520N直升機。

圖6 法國飛行器設計師保羅·科爾尼

雙旋翼直升機有并列式雙旋翼、共軸式雙旋翼和交錯式雙旋翼三種類型。并列式雙旋翼直升機的代表有CH-47“支奴干”等;共軸式雙旋翼的代表有卡-52“短吻鱷”等;交錯式雙旋翼直升機代表有美國的K-MAX直升機等。

多旋翼直升機是指有三個或三個以上的旋翼產(chǎn)生升力的直升機，今日廣為普及的“大疆”無人機就是比較典型的多旋翼直升機。

5.直升機是如何誕生的？

直升機的起源，可以追溯到人類最古老的飛行夢想：原地騰空而起，可以在空中滯留，俯瞰大地的景色，還能在任意地點降落。

世界各國的古代神話，從古埃及的飛行戰(zhàn)車，到古代阿拉伯人的飛毯，再到《西游記》中騰云駕霧的孫悟空，故事背景雖然各不相同，但對于“垂直起降”的追求卻是高度一致的。古代中國勞動人民也是依據(jù)這一設想，發(fā)明了“竹蜻蜓”這樣的玩具。

圖7 德國?？斯局圃斓腇W-61雙旋翼直升機

隨著生產(chǎn)力的發(fā)展和人類技術的進步，直升機的發(fā)展史由幻想時期進入了探索時期。在1903年，萊特兄弟的飛機升空使人類進入了航空時代。那時候的工程師們開始意識到，直升機的飛行方式，比固定翼飛機更加復雜，實現(xiàn)的工藝也難度更高。

從20世紀開始，盡管一代代航空先驅前赴后繼，付出了艱巨的努力，但直到萊特兄弟成功試飛后三十多年，直升機的成功飛行依然遲遲未能到來。

圖8 納粹德國年輕的女性飛行員漢娜·里奇

1907年8月，法國人保羅 · 科爾尼研制出一架全尺寸載人直升機，并在同年11月13日進行了試飛。這次試飛并不成功，直升機只在距地30厘米左右的地方懸停了大約20秒左右便摔在了地上，而且完全不能操作。盡管如此，科爾尼依然被認為研制出了“人類第一架直升機”。

圖9 1944年，西科斯基本人乘坐R-4直升機

1938年，納粹德國年輕的女性飛行員漢娜 · 萊赤（Hanna Reitsch）駕駛著一架德國?？斯局圃斓腇W-61雙旋翼直升機，在柏林體育場進行了一次出色的飛行表演。這架直升機被認為是世界上第一種試飛成功的直升機。

隨后，1939年，伊戈爾 · 西科斯基研制的VS-300直升機在美國成功試飛。這是第一架成功試飛的單旋翼直升機，其“單旋翼+尾槳”的布局至今是直升機設計的主流布局。

VS-300直升機隨后進行了量產(chǎn)，并被美軍采購，用于搜救飛行員，軍隊給它的代號是R-4直升機，這是人類歷史上第一款量產(chǎn)的直升機。

R-4最早出現(xiàn)在戰(zhàn)場上是在1944年的二戰(zhàn)戰(zhàn)場，但其大量使用是在朝鮮戰(zhàn)爭中。也是從朝鮮戰(zhàn)爭開始，直升機的發(fā)展真正進入了實用階段。