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由依靠動力驅動的水平旋轉旋翼提供升力飛行的航空器 来自维基百科,自由的百科全书
直升機是一種由水平旋轉的動力旋翼提供向上升力和飛行推進力的飛行器,是旋翼航空器的主要種類。直升機具有大多數固定翼飛機所不具備的垂直起降、懸停和隨意向前、向後或側向飛行的能力,這些特點使得直升機在很多狹窄、崎嶇、缺乏跑道的複雜環境下有許多優勢。與固定翼飛機相比,直升機的缺點是速度低、耗油量較高、航程較短、載重較少。
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直升機旋翼產生升力的原理與固定翼飛機的機翼相似,通過翼剖面與空氣發生相對運動使得旋翼產生上弱下強的氣壓差,進而產生升力並通過旋翼的主軸傳遞給機身,使其可以克服重力實現飛行。和固定翼飛機的機翼一樣,直升機旋槳能夠產生的升力大小取決於氣流速度和其槳葉水平投影面積的總和;但直升機不像固定翼飛機那樣必須依賴整個機體的向前運動才能讓機翼產生氣流,而是依靠翼片的旋轉產生與空氣的相對運動。但旋翼在提供升力的同時也會產生反扭矩(與旋翼的轉動方向相反、角動量相等的反作用扭矩)並傳遞到機身上,這使得最為常見的單旋翼直升機在浮空時會向着旋槳相反的方向自旋。為了平衡反扭矩,直升機需要在機尾位置產生一個與旋翼方向相同、角動量相等的水平旋轉推力抵消反力矩,最常見的做法是在機尾末端安裝一個垂直的小型螺旋槳(即尾槳)提供推力。而雙旋翼和多旋翼直升機多採用讓反向旋轉的旋翼之間的扭矩相互抵消的方法來清除反扭矩,並可以利用各個旋翼的轉速差別來改變飛行狀態。在附圖的運作說明中可以見得,由上俯視一個逆時針旋轉的主翼,它的尾槳會是向黃色箭頭所指方向推力的。
直升機和自轉旋翼機的外觀相似,但是飛行原理和性能並不同。自轉旋翼機的發動機只驅動尾部的螺旋槳提供前進推力,主旋槳並沒有動力源,必須依賴向前運動時的相對反向氣流才能被動旋轉產生升力。自轉旋翼機雖然構造比較簡單和低價也可以做到短程起降,但完全沒有垂直起降、懸停、隨意側飛和倒飛的能力,不如直升機的性能廣泛,是介乎於固定翼飛機和直升機中間的一種對跑道要求較低的飛行器。用途較狹而專業化的航空機構通常擁有直升機,但鮮有採用旋翼機。
人類夢想的飛行方式是原地騰空而起,既能自由飛翔又能懸停於空中,並且隨意實現定點着陸。例如阿拉伯人的飛毯,希臘神的戰車,都是垂直起落飛行器。其中最有價值、最具代表性的是中國古代玩具竹蜻蜓和意大利人達·文西關於垂直起降航空器的畫作。
李約瑟誤以為中國晉朝葛洪所著的《抱朴子》有紀錄類似竹蜻蜓最早的動力機械[1],但實際上文章說的是服丹修練成仙成功時,人可以飛行[2]。
《簡明不列顛百科全書》第9卷寫道:「直升機是人類最早的飛行設想之一,多年來人們一直相信最早提出這一想法的是達·文西,但現在都知道,中國人比中世紀的歐洲人更早做出了直升機玩具。」這種玩具於14世紀傳到歐洲。「英國航空之父」喬治·凱利(1773年-1857年)曾製造過幾個竹蜻蜓,用鐘錶發條作為動力來驅動旋轉,飛行高度曾達27米。
隨着生產力的發展和人類文明的進步,直升機的發展史由幻想時期進入了探索時期。歐洲產業革命之後,機械工業迅速倔起,尤其是20世紀初汽車和輪船的發展,為飛行器準備了發動機和可供借鑑的螺旋槳。經過航空先驅者們勇敢而艱苦的創造和試驗,1903年萊特兄弟(Wright brothers)製造的固定翼飛機飛行成功。在此期間,儘管在發展直升機方面,航空先驅們付出了相當的艱辛和努力,但由於直升機技術的複雜性和發動機性能不佳,它的成功飛行比飛機遲了30多年。
20世紀初為直升機發展的探索期,多種試驗性機型相繼問世。試驗機方案的多樣性表明了探索階段的技術不成熟性。經過多年實踐,這些方案中只有縱列式和共軸雙旋翼式保留了下來,至今仍在應用。雙槳橫列式方案未在直升機家族中延續,但在傾轉旋翼飛機中得到了繼承和發展。
俄國人尤利耶夫另闢捷徑,提出了利用尾槳來配平旋翼反扭矩的設計方案並於1912年製造出了試驗機。這種單旋翼帶尾槳式直升機成為至今最流行的形式。
經過20世紀初的努力探索,為直升機發展積累了可貴的經驗並取得顯著進展,有多架試驗機實現了短暫的垂直升空和短距飛行,但離實用還有很大距離。
飛機工業的發展使航空發動機的性能迅速提高,為直升機的成功提供了重要條件。旋翼技術的第一次突破,歸功於西班牙人Ciervao,他為了創造「不失速」的飛機以解決固定翼飛機的安全問題,採用自轉旋翼代替機翼,發明了自轉旋翼機。旋翼技術在自轉旋翼機上的成功應用和發展,為直升機的誕生提供了另一個重要條件。
1907年8月,法國人保羅·科爾尼研製出一架全尺寸載人直升機,並在同年11月13日試飛成功。這架直升機被稱為「人類第一架直升機」。1938年,年輕的德國人漢納賴奇駕駛一架雙旋翼直升機在柏林體育場進行了一次完美的飛行表演。這架直升機被直升機界認為是世界上第一種試飛成功的直升機。1936年,荷蘭福克公司在對早期直升機進行多方面改進之後,公開展示了自己製造的FW-61直升機,1年後該機創造了多項世界紀錄。[3]
1939年春,美國的伊戈爾·伊萬諾維奇·西科爾斯基完成了VS-300直升機的全部設計工作,同年夏天製造出一架原型機。這種單旋翼帶尾槳直升機構型成為現在最常見的直升機構型。
20世紀40年代,美國沃特-西科斯基公司研製的一種2座輕型直升機R-4,它是世界上第一種投入批量生產的直升機,也是美國陸軍航空兵、海軍、海岸警衛隊和英國空軍、海軍使用的第一種軍用直升機。該機的公司編號為VS-316,VS-316A。美國陸軍航空兵的編號為R-4,美國海軍和海岸防衛隊的編號為HNS-1,英國空軍將其命名為「食蚜虻1」(Hoverfly 1),英國海軍將其命名為「牛虻」(Gadfly)。
到30年代末期,在法國、德國、美國和前蘇聯都有直升機試飛成功,並迅速改進達到了能夠實用的程度。第二次世界大戰的軍事需要,加速了這一進程,促使直升機發展由探索期進入實用期,直升機開始投入生產線生產。到二戰結束時,德國工廠已生產了30多架直升機,美國交付的R5、R6直升機已達400多架。[4]
20世紀的後半期直升機進入航空實用期,特別是越戰期間大量直升機部屬到戰場,戰後直升機的應用領域不斷擴展,數量迅速增加。
每年八月第三個星期日被列為世界直升機日。[5]
單旋翼直升機(monocopter或unicopter)是直升機的主要類型,使用單一的主旋翼(main rotor)產生升力,但因為角動量守恆的原因,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。
雙旋翼直升機(bicopter)使用兩個旋翼合作產生升力,可以用方向相反的旋轉互相抵消反扭矩,因此不需要在尾部安裝垂直旋槳。
多旋翼直升機(multicopter)使用三個以上的旋翼來產生升力,是民用無人航空載具的主流類型。最常見的設計是四旋翼直升機(quadcopter),有四個大小相同、分佈位置接近對稱的旋翼來達到懸停、維持姿態及平飛。
直升機的起落架分為滑橇式和輪式兩種,輪式又分可收放和不可收放式。滑橇式一般用於輕型直升機;輪式多用在中型、重型直升機。[6][7]
直升機的操縱系統有別於固定翼航空器,通常由以下部分組成:
單旋翼帶尾槳直升機的操縱系統說明表
名稱 | 直接操縱對象 | 主要作用 | 副作用 | 前飛時的用途 | 懸停時的用途 |
---|---|---|---|---|---|
周期變距杆-橫向 | 改變旋翼前後槳葉的槳距 | 通過自動傾斜器橫向傾斜旋翼槳盤 | 增加下降率 | 使航空器轉彎 | 側向移動 |
周期變距杆-縱向 | 改變旋翼左右槳葉的槳距 | 通過自動傾斜器縱向傾斜旋翼槳盤 | 增加下降率 | 操縱俯仰姿態 | 前後移動 |
總距操縱杆 | 通過自動傾斜器同步改變旋翼槳葉槳距 | 增加和減小旋翼拉力 | 增加和減小扭矩和發動機轉速 | 調整垂直速度 | 調整懸停高度和垂直速度 |
腳蹬 | 尾槳總距 | 產生偏航速率 | 增加或降低扭矩和發動機轉速 (小於旋翼總距操縱的影響) |
調整側滑角 | 控制偏航速率和航向 |
直升機依照用途可分為民用與軍用兩種。
作為民間工作,沒有武裝且僅有該用途所需的裝備的直升機即為民用直升機。依其用途目前主要可分為下列幾種:
增加裝甲和武器,同時加強性能以供軍事用途的直升機便為軍用直升機。依其用途目前主要可分為下列五種:
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