揭秘直升机的空气力学原理

飞行中的直升机上共有四个作用力，它们是升力，重力，推力和阻力。升力是旋翼在空气中运动所产生的向上的力，重力与升力方向相反，是由地心引力产生 的。推力是驱动直升机在空气中前进的力。阻力抵消升力和推力，这是由于升力的产生和机体在空气中的运动而产生的阻碍力。在开始讨论升力之前，你需要知道一 些空气动力学的术语来描述一个翼型件和它的周围的气流的相互作用。

翼型是一个表面，例如飞机的机翼或者是直升机旋翼桨叶，当他们与气流产生相对运动时产生气动力。虽然旋翼桨叶翼型多种多样，但在大多数飞行条件下，所有的 桨叶都按相同的方式工作。设计第一架直升机的工程师们由于考虑到它的结构特点而选择了相对厚度较厚的翼型。因为旋翼的桨叶非常细长，因此有必要提高他们的 刚度，这样可以避免静止时旋翼桨叶的过度下垂，并尽量减少飞行时桨叶的扭曲。桨叶同时也被设计为对称翼型，这意味着他们的上下翼面有相同的曲率。

对称叶片是非常稳定的，有助于保持叶片扭曲和飞行控制负载到最低限度。这种稳定性是通过这样的一种方式达到的：当攻角改变时，压力中心几乎不变。压力中心 是一个弦线上的假想点，所有气动力都被认为作用在该点上。今天，设计师们采用复合材料，用相对厚度较小的翼型也能达到所要求的刚度。另外，桨叶也不是对称 翼型了，这意味着上下翼面的曲率不同。

通常情况下，这些翼型变得不再稳定了，但这可以通过弯曲的后缘产生于对称翼型一样的特点来矫正。这被称为“反射性”。应用这种桨叶可以是旋翼系统在更高的 前进速度下运转。 不对称桨叶不稳定的原因之一，是压力中心随着攻角的变化而变化。当升力的作用点在桨叶旋转中心之后时，会使桨盘倾斜度增大。

当攻角增大，压力中心向前移动，如果它移动到旋转支点之前，桨盘倾斜度减小。由于桨叶的攻角在它旋转的过程中会不断变化，桨叶就会挥舞，摆震越来越严重。当提到一个翼型件，翼展是指从桨榖的转子到翼尖的距离。桨叶扭转角是指弦线从桨叶根部到尖部扭转过的角度。 使桨叶有一个扭转角使得桨叶产生更大的升力。这是有必要的，因为桨叶的线速度是有翼根到翼尖逐渐增大的。翼尖是最先接触到来流空气的部分。后缘是上 下翼面空气重新汇集的地方。弦线是一条假想的连接翼尖与后缘的直线，弧度是翼型上下翼面的形状。相对来流是指流过桨叶的气流。相对来流的方向与桨叶的位置 有关，经常与飞行器的飞行方向平行反向，攻角是翼型弦线与来流方向之间的夹角。

相对来流 相对来流是由于桨叶在空气中移动而产生的，可能只是桨叶做绝对运动，也可能二者都有绝对运动。相对来流可能受到一部分因素的影响，这些因素包括桨叶 的转动，直升机水平位置的变化，桨叶的挥舞，以及风速和风向。对于一架直升机，相对来流是指流过桨叶的空气流。如果桨叶静止，风吹过桨叶将形成一个相对来 流。如果直升机悬停在一个无风的条件下，相对来流是由桨叶在空气中的的转动生成的。如果直升机悬停在风中，相对来流是风和桨叶的运动的叠加形成的。当直升 机是在向前飞行，相对来流是前飞速度和桨叶转动叠加形成的。

叶片桨距角 叶片桨距角是它的弦线与桨榖平面之间的夹角，你利用飞行控制系统控制桨叶的桨距，改变桨叶的总距，每片桨叶的桨距产生相同的变化，这被用来改变桨叶 的拉力，周期变距操作改变的每片桨叶的桨距取决于它转动到哪个位置，这项操作被用于平衡前飞以及其他飞行条件下俯仰和滚转方向的力矩。 攻角 当攻角增加时，空气流过翼型件转移的范围更大，从而导致空气流速和升力的提升，随着攻角的继续增大，空气想要平稳地流过桨叶顶部会变得越来越困难。

在某点气流开始在桨叶后发散而进入湍流模式，这种现象会大大地增加升力，并且导致湍流区域的升力减少，在达到这个点之前，升力随着攻角的增大而增大。攻角 超过这个点的话，会导致失速以及升力剧烈减小的现象。不能把桨距角与攻角的概念混淆，攻角取决于相对来流的方向，但你也可以通过改变桨距角来改变攻角，他 们两个一同增大，一同减小。 升力的马格努斯效应 要解释升力是如何产生的，应该看一看在气流中旋转的圆筒，圆筒附近气流的当地速度应该是圆筒那点的速度和来流速度的合成。

在圆筒上，顶端点的旋转速 度和来流方向一致，而底端点的旋转速度和来流速度方向相反。在圆筒前部有一个上洗流，在尾部有一个下洗流。表面气流速度的不同造成了压强的差别，顶部的压 强要比下部的压强小，低压区产生了一个向上的力，这就是“马格纳斯效应”。这个解释了涡和升力之间的关系。 一片带有正攻角的桨叶能够产生涡，这是因为它锋利的后缘使它的后驻点保持在后缘，而使前驻点的位置在翼型前缘点之下。