[科普中国]-旋翼机

历史起源

20世纪飞机升降时常因故障而失速，导致多人丧生。西班牙工程师谢巴于是发明了自转旋翼机试图解决这一问题。旋翼靠旋翼机运动时激起气流转动，产生升力，使旋翼机失速时不会下坠，当时，他的这个发明被新闻界称之为“风车航空器”，1925年，谢巴在汉普郡芳白露皇家空军基地首次正式试飞。三年后，1928年，谢巴亲自驾驶旋翼机用37分钟的时间成功横越英伦海峡。此后，英美一些公司开始制造旋翼机，用于搜索和测量。1936年12月，谢巴搭乘的民航机在伦敦的克罗依登机场起飞时失速坠毁，他在这次空难中丧生。旋翼机虽然和直升机一样，都是依靠旋翼产生升力，但它不是直升机。1

工作原理旋翼机和直升机简直一模一样：它们头顶都有一副大直径的旋翼，在飞行中依靠旋翼的旋转产生升力。但是除去这些表面上的一致性，旋翼机和直升机却是两种完全不同的飞行器。

旋翼机实际上是一种介于直升机和飞机之间的飞行器，它除去旋翼外，还带有一副垂直放置的螺旋桨以提供前进的动力，一般也装有较小的机翼在飞行中提供部分升力。旋翼机与直升机的最大区别是，旋翼机的旋翼不与发动机传动系统相连，发动机不是以驱动旋翼为旋翼机提供升力，而是在旋翼机飞行的过程中，由前方气流吹动旋翼旋转产生升力，象一只风车，旋翼系统仅在起动时由自身动力驱动，称之为预旋（prerotate），起飞之后靠空气作用力驱动；而直升机的旋翼与发动机传动系统相连，既能产生升力，又能提供飞行的动力，象一台电风扇。由于旋翼为自转式，传递到机身上的扭矩很小，因此旋翼机无需像单旋翼直升机那样的尾桨，但是一般装有尾翼，以控制飞行。

在飞行中，旋翼机同直升机最明显的分别为直升机的旋翼面向前倾斜，而旋翼机的旋翼则是向后倾斜的。

需要说明的是，有的旋翼机在起飞时，旋翼也可通过“离合器”同发动机连系，靠发动机带动旋转而产生举力。这样可以缩短起飞滑跑距离，几乎以陡直地向上爬升，但还不能垂直上升，也不能在空中不动（即“悬停”）。等升空后再松开离合器随旋翼在空中自由旋转。

旋翼机飞行时，升力主要由旋翼产生，固定机翼仅提供部分升力。有的旋翼机甚至没有固定机翼，全部升力都靠旋翼产生。

由于旋翼机的旋翼旋转的动力是由旋翼机前进而获得。万一发动机在空中停车螺旋桨不转了，此时旋翼机因为具有惯性继续维持前飞的状态，并由于重力和空气阻力逐渐减低速度和高度，就在这高度下降的同时，也就有了自下而上的相对气流，旋翼就能可自转提供升力。这样，旋冀机便可凭飞行员的操纵安全地滑翔降落。即使在飞行员不能操纵，旋翼机失去控制的特殊情况下，也会像降落伞一样的降落，虽然也是粗暴着陆，但不会出现类似秤陀落地的情况。

直升机也是具备自转下沿安全着陆能力的。但它的旋冀需要从有动力状态过渡到自转状态，这个过渡要损失一定高度。如果飞行高度不够，那么直升机就可能来不及过渡而触地。旋翼机本身就是在自转状态下飞行的，不需要进行过渡，所以也就没行这种为安全转换所需的高度约束。2

飞行特点由于旋翼机的旋翼是没有动力的，因此它没有由于动力驱动旋翼系统带来的较大的振动和噪音，也就不会因这种振动和噪音而使旋翼、机体等的使用寿命缩短或增加乘员的疲劳。旋翼机动力驱动螺旋桨所造成的影响，显然小得多。

另外，旋翼机还有一个很可贵的特点，就是它的着陆滑跑距离大大地短于起飞沿跑距离，甚至操纵得好可以不滑跑就地着陆，只要一块比旋翼直径大一些的地方就可降落，即使不怎么平也不要紧，甚至可在旅游船顶篷或甲板上降落。 美国的旋翼机飞行训练手册说：“旋翼机的稳定性在所有航空器中最高”。它可自动调节，使机身具有良好的俯仰稳定性、滚转稳定性和速度稳定性。旋转起来的旋转桨盘恰似个大惯性轮，且旋翼没有周期变距等变化。又由于旋翼机的旋翼安装角比直升机的要大些，所以具有较好的陀螺效应，稳定性较高。 旋翼机的抗风能力较高，而且在起飞时，它还喜欢有风。对常规的旋翼机来说，风有利于旋翼的起动和加速旋转，可以缩短滑跑的跃离，当达到足够大的风速时，一般的旋翼机也可以垂直起飞。2

起飞方式一类是需要滑跑起飞的，这种比较简单，大量的是这一类。另-类是可垂直起飞的，其起飞方法有三种：一种是带动力驱动它的旋翼；第二种是用预转旋翼并使其达到正常飞行转速的-定倍数，然后突然脱开离合器，同时使旋翼桨叶变距而得到较大的升力跳跃起飞；第三种则是由旋翼翼尖小火箭驱动旋翼旋转而提供升力来实现垂直起飞这种垂直起飞的过程，一般都是由自动程序控制来完成的，而且它有较高的性能，但价格有比较便宜。

由于旋翼机没有尾梁、没有尾传动系统及减速器自动倾斜器，绝大部分旋翼机也没有主旋翼传动系统、主减速器等，结构简单，所以不仅价格低，而且故障率也低。此外使用维护简单方便。所需费用也低。

旋翼机虽然古老，但它也是一种正在蓬勃发展的年轻飞行器，其好用、安全、便利的特点，使其在未来的航空器家族中仍将占有一席之地。

布局与部件旋翼机的最基本的部件是机身、发动机、旋翼系统、螺旋桨、尾面以及起落架。为了改善性能，如提高飞行速度等，还可以选择机翼等部件。

机身是所有其他部件的连接件，结构可以是焊接管、金属片、复合材料、单管栓接或混合结构方式，最大强度重量比的机身是碳纤维材料或焊接管结构。发动机在飞行中提供独立于旋翼系统的前飞动力，在地面则可以提供旋翼桨叶预转的动力。

随着旋翼机的发展，可用于旋翼机的发动机种类也越来越多。车用、船用、航空发动机都可以用于以娱乐、体育爱好为目的研制的旋翼机，而需要取得适航证的旋翼机必须安装权威管理机构认证的发动机。发动机可以是活塞式也可以是涡轮式。旋翼系统主要给旋翼机提供升力和操纵，常用的是全铰接式、半刚性跷跷板式。因不需反扭矩装置，现代旋翼机的主要型式是单一的旋翼。

目前旋翼机惯用2片或3片桨叶，广泛应用于直升机的负扭度桨叶对旋翼机来讲，并没有多大优势，所以旋翼机上常用无扭转或正扭转桨叶。个人自制的小型旋翼机常常使用可以连同桨毂桨叶一起扳动倾转的旋翼系统，也可以使用带总距操纵来改变旋翼桨叶俯仰角的旋翼系统。如果桨叶带总距操纵且具有足够的惯量，旋翼机跳飞就有可能实现。旋翼机的螺旋桨可以是拉进式也可以是推进式，也就是说，螺旋桨可以安装在机身头部，也可以安装在尾部。早期的旋翼机是由螺旋桨拉进式固定翼飞机改装而成，用旋翼替代固定翼。机翼或者固定机翼与旋翼复合使用。推进式布局避免了方向舵和平尾位于螺旋桨滑流中，具有更好的操纵性，飞行员也有更好的视野。但是在总体设计中应该充分考虑推进式布局中，由于受机身影响，螺旋桨的工作效率有所降低。3

和定翼飞机一样，旋翼机尾平面包括垂尾和平尾，提供俯仰和偏航轴向的稳定和操纵。有一些旋翼机，特别是封闭式驾驶舱的旋翼机，航向稳定性很低，为了补偿航向稳定性，安装垂尾是必要的。由于垂尾面积受旋翼桨叶倾转边界和着陆俯仰角度的限制，所以许多旋翼机设计安装了多片垂直安定面和方向舵。如果采用推进式螺旋桨布局，处于螺旋桨滑流中的平尾和垂尾利用效率会更高，特别是在旋翼机起飞和着陆飞行速度比较低的时候。

型号举例VZ一1旋翼机VZ—1是美国希勒公司于20世纪50年代为美国陆军研制的一款直接升力旋翼机，绰号“波尼人”(PaWnee)。该机于1957年11月首次试飞，最终因为技术问题被取消。 VZ一1旋翼机装有一个动力强劲的反向旋转涵道风扇，安装在可搭载一个飞行员的平台内。飞行员需要通过摆动身体使平台向预期方向倾斜．以此操纵飞机向所需方向飞行。虽然这种飞行器看起来很有特色，但寞际飞行起来却效果奇差。VZ—l旋翼机的最大飞行速度只有26千米/小时，并且很难操纵。同时期的一些单人喷气式飞行平台也有同样的问题，但衍生出了一项对未来导弹武器至关重要的技术——小型化涡轮喷气发动机。

XC一142旋翼机XC—142是美国于20世纪60年代研制的实验型倾转旋翼机，由美国陆军、海军和空军三军联合开发，最终因为技术原因在1967年下马。 XC一142旋翼机可以装载32名士兵，4台发动机和5个螺旋桨(4个推进螺旋桨加1个机尾的姿态控制螺旋桨)全部交叉连接，所以只要还有一台发动机在工作，5个螺旋桨都会转动，尽管可能动力不足。XC一142旋翼机用螺杆千斤顶控制机翼的倾转，动作平稳，但是非常迟缓。美国空军对XC一142旋翼机作了
大量的测试，包括空运、空投、沙漠、I_LJJ地、航空母舰、搜索救援、装载机动车辆等。XC一142旋翼机的最大缺陷是可靠性差，机翼像门板一样，受横向风影响太大，发动机差动推力的控制不够灵敏。4