直升机经过上百年的发展,从最初如何让直升机飞起来,到如今如何充分挖掘直升机潜力,期间诞生出多种实用的构型。那么,直升机有哪些构型呢?这里从单旋翼、双旋翼、复合式、无人机的角度,概述一下目前直升机的主要构型。
单旋翼构型
单旋翼直升机,是指仅依靠单个旋翼提供升力的直升机。其中的单旋翼带尾桨直升机最为常见,它是利用尾桨来平衡旋翼反扭矩和控制悬停状态的航向变化。
虽然在直升机发展初期,多数都是采用多个旋翼的构型,但是第一款实用化的直升机却是单旋翼带尾桨构型,即西科斯基VS-300直升机。
第一款批量生产的直升机也是单旋翼带尾桨构型,即西科斯基R4直升机。
需要说明的是,由于设计习惯不同,各个国家设计的旋翼旋向实际上是有差别的。美系直升机主要使用右旋旋翼(俯视逆时针旋转),法系和俄系直升机主要使用左旋旋翼(俯视顺时针旋转)。旋翼转向不同,也就决定着尾桨的拉力方向不同。
除了带尾桨构型,还出现了无尾桨直升机和桨尖喷气直升机,但是由于其技术弊端大于利好,所以并没有获得广泛使用。
由于单旋翼带尾桨直升机存在:尾桨和尾传动事故率高、悬停状态尾桨要消耗较大的功率(约占总功率的7%~10%)、是直升机的振源和噪声源之一等问题。在探索和发展新的反扭矩平衡系统过程中,双旋翼构型直升机相关的技术也日益成熟。
双旋翼构型
1.横列式
横列式双旋翼直升机的两副旋翼沿机体横轴排列,旋转方向相反,相互平衡反扭矩。由于两幅旋翼均提供升力,因此可以携带更大的重量。在直升机发展初期,第一个工程化、实现离地飞行的直升机正是横列式双旋翼直升机,即1936年实现离地飞行的福克·沃尔夫Fw 61直升机。
横列式直升机的机身和机翼与旋翼存在较严重的气动干扰,而且支撑左右两副旋翼的机翼或架构从机身外伸,降低了重量效率,对支撑刚度要求也很高。横列式直升机广为流传的型号是前苏联的米-12直升机,它也是迄今为止起飞重量最大的直升机,最大起飞重量达到了105吨,但是由于结构载荷、机体振动存在较严重的问题,仅制造了两架原型机即退出历史舞台。
近些年发展起来的倾转旋翼技术,也是采用机身两侧各一副螺旋桨的构型,它既具有直升机垂直起降和空中悬停的能力,又具有螺旋桨飞机的高速巡航飞行能力。
2、纵列式
纵列双旋翼构型,主要是用在大型直升机上。两副旋翼一前一后布置,反向旋转,旋翼反扭矩相互平衡;借助前后旋翼差距操纵来保持直升机的平衡,其容许的重心变化范围较大;操纵系统也是比单旋翼带尾桨直升机更为复杂。
该构型直升机以美国波音公司的产品最为著名。在上世纪40年代弗兰克·比亚赛奇(其公司于1960年被波音并购)为美国海军设计的HRP-1、HRP-2系列直升机,可以称得上是纵列双旋翼直升机的“鼻祖”,甚至因为其独特的外形被称之为“飞行香蕉”。
目前,最为典型的纵列双旋翼直升机是波音公司的CH-47“支奴干”直升机,因为其出色的载重能力,被广泛用于执行运输任务。
3.共轴式
共轴双旋翼的两副旋翼共用一个旋翼轴,其中一副旋翼在另一副旋翼的上面,两幅旋翼反向旋转,相互平衡反扭矩;也是利用两副旋翼产生不同的扭矩,进行航向操纵;由于这种构型阻力较大,因此不能实现高速巡航飞行;由于上下旋翼间气动干扰产生了有利影响,其悬停效率较高。
这种构型的直升机主要是俄罗斯卡莫夫设计局采用。
4.交叉式
交叉双旋翼也是一个特例,仅美国卡曼公司的直升机使用这种构型。其两副旋翼相互交叉、反向旋转,相互平衡反扭矩,同样不需要尾桨。应用最为广泛的是K-MAX直升机,它是一款单座直升机,主要用来外挂载荷的运输。
复合式构型
为了提高直升机飞行速度,催生了复合式直升机的出现。主要有两种途径:
其一是增加机翼,机翼提供一部分升力,从而减轻旋翼载荷,但是机翼附加了结构重量,且会产生附加阻力,因此带来的效益不一定会很大。
其二就是增加推力螺旋桨,飞行速度较大时,水平拉力大多由推力螺旋桨提供,包括美国西科斯基S-97、SB>1直升机和欧直X-3直升机,均是借助于推力螺旋桨来获得前飞速度的提升。
无人机构型
另外不得不提及的就是无人直升机,中大型无人直升机普遍采用的单旋翼带尾桨和共轴双旋翼构型,与有人机并无本质差异。
在无人机领域,使用最多的还是多旋翼构型。其通过每个轴上的电动机转动,带动旋翼旋转,从而产生升力/推力。
可以说,目前各种构型的直升机均存在其优缺点,只要设计得当均能够满足其应用需求。随着直升机需求变化、直升机技术水平进步,也许还会出现新的直升机构型,让我们拭目以待。(来自直升机零距离)
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