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直升機主要由機體和升力(含旋翼和尾槳)、動力、傳動三大系統以及機載飛行設備等組成。旋翼一般由渦輪軸發動機或活塞式發動機通過由傳動軸及減速器等組成的機械傳動系統來驅動,也可由槳尖噴氣產生的反作用力來驅動。

直升飛機

1 直升飛機 -直升機

直升飛機(一)直升機的發展簡史

中國的竹蜻蜓

中國的竹蜻蜓和義大利人達芬奇的直升機草圖,為現代直升機的發明提供了啟示,指出了正確的思維方向,它們被公認是直升機發展史的起點。

竹蜻蜓又叫飛螺旋和「中國陀螺」,這是我們祖先的奇特發明。有人認為,中國在公元前400年就有了竹蜻蜓,其實公元1,500年前的奇肱飛車就是一架無動力的放大了的竹蜻蜓。這種叫竹蜻蜓的民間玩具,一直流傳到現在。

現代直升機儘管比竹蜻蜓複雜千萬倍,但其飛行原理卻與竹蜻蜓有相似之處。現代直升機的旋翼就好像竹蜻蜓的葉片,旋翼軸就像竹蜻蜓的那根細竹棍兒,帶動旋翼的發動機就好像我們用力搓竹棍兒的雙手。竹蜻蜓的葉片前面圓鈍,後面尖銳,上表面比較圓拱,下表面比較平直。當氣流經過圓拱的上表面時,其流速快而壓力小;當氣流經過平直的下表面時,其流速慢而壓力大。於是上下表面之間形成了一個壓力差,便產生了向上的升力。當升力大於它本身的重量時,竹蜻蜓就會騰空而起。直升機旋翼產生升力的道理與竹蜻蜓是相同的。竹蜻蜓還有一個特性就是當它插在竹筒中被側風吹動旋轉時, 它也能上升。這個特性使得三千五百年前的奇肱人能憑借自然風力進行一千公里航程的飛行 。

《大英百科全書》記載道:這種稱為「中國陀螺」的「直升機玩具」在15世紀中葉,也就是在達芬奇繪製帶螺絲旋翼的直升機設計圖之前,就已經傳入了歐洲。

《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芬奇,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。」

義大利達芬奇的畫

義大利人達芬奇在1483年提出了直升機的設想並繪製了草圖。

19世紀末,在義大利的米蘭圖書館發現了達芬奇在1475年畫的一張關於直升機的想象圖。這是一個用上漿亞麻布製成的巨大螺旋體,看上去好象一個巨大的螺絲釘。它以彈簧為動力旋轉,當達到一定轉速時,就會把機體帶到空中。駕駛員站在底盤上,拉動鋼絲繩,以改變飛行方向。西方人都說,這是最早的直升機設計藍圖。

人類第一架直升機
直升飛機
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」。這架名為「飛行自行車」的直升機不僅靠自身動力離開地面0.3米,完成了垂直升空,而且還連續飛行了20秒鐘,實現了自由飛行。

保羅?科爾尼研製的直升機帶兩副旋翼,主結構為一根V形鋼管,機身由V形鋼管和6個鋼管構成的星形件組成,並採用鋼索加強,以增加框架結構的剛度。V形框架中部安裝一台24馬力的 Antainette 發動機和操作員座椅。機身總長6.20米,重260千克。V形框架兩端各裝一副直徑為6米的旋翼,每副旋翼有2片槳葉。

世界上第一種試飛成功的直升機

1938年,年輕的德國姑娘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,德國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。這是一架機身類似固定翼飛機,但沒有固定機翼的大型雙旋翼橫列式直升機,它的兩副旋翼用兩組粗大的金屬架分別向右上方和左上方支起,兩副旋翼水平安裝在支架頂部。槳葉平面形狀是尖削的,用揮舞鉸和擺振鉸連接到槳轂上。用自動傾斜器使旋翼旋轉平面傾斜進行縱向操縱,通過兩副旋翼朝不同方向傾斜實現偏航操縱。旋翼槳葉總距是固定不變的,通過改變旋翼轉速來改變旋翼拉力。利用方向舵和水平尾翼來增加穩定性。FW61旋翼轂上裝有周期變距裝置,在旋翼旋轉過程中可改變槳葉槳距。還有一根可變動槳距的操縱桿來改變旋翼面的傾斜度,以實現飛行方向控制。FW61就是靠這套周期變距裝置和操縱桿保證了它的機動飛行。該機旋翼直徑7米。動力裝置是一台功率140馬力的活塞發動機。這是世界上第一架具有正常操縱性的直升機。該機時速100~120公里,航程200公里,起飛重量953千克。

第一架實用直升機
1939年春,美國的伊戈爾?西科斯基完成了VS-300直升機的全部設計工作,同年夏天製造出一架原型機。這是一架單旋翼帶尾槳式直升機,裝有三片槳葉的旋翼,旋翼直徑8.5米,尾部裝有兩片槳葉的尾槳。其機身為鋼管焊接結構,由V型皮帶和齒輪組成傳動裝置。起落架為後三點式,駕駛員座艙為全開放式。動力裝置是一台四氣缸、75馬力的氣冷式發動機。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。

自首次系留飛行以來,西科斯基不斷對VS-300進行改進,逐步加大發動機的功率。1940年5月13日,VS-300進行了首次自由飛行,當時安裝了90馬力的富蘭克林發動機。

世界上第一種投入批生產的直升機

R-4是美國沃特-西科斯基公司20世紀40年代研製的一種2座輕型直升機,是世界上第1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,美國海軍和海岸警衛隊的編號為HNS-1,英國空軍將其命名為「食蚜虻」1(Hoverfly1),英國海軍將其命名為「牛虻」(gadfly)。

早期的活塞式發動機和木質槳葉直升機

在20世紀40年代至50年代中期是實用型直升機發展的第一階段,這一時期的典型機種有:美國的S-51、S-55/H-19、貝爾47;蘇聯的米-4、卡-18;英國的布里斯托爾-171;捷克的HC-2等。這一時期的直升機可稱為第一代直升機。

貝爾47是美國貝爾直升機公司研製的單發輕型直升機,研製工作開始於1941年,試驗機貝爾30於1943年開始飛行,1945年改名為貝爾47,1946年3月8日獲得美國民用航空署(CAA)的適航證,這是世界上第一架取得適航證的民用直升機。該機是單旋翼帶尾槳式布局、兩葉槳葉的蹺蹺板式旋翼。旋翼下面有穩定桿,與槳葉呈直角。普通的自動傾斜器可進行總距和周期變距操縱。尾梁後部有兩個槳葉的全金屬尾槳。

卡-18是蘇聯卡莫夫設計局設計的單發雙旋翼共軸式輕型多用途直升機,於1957年年中首次飛行,此後不久投入批生產。採用兩副旋轉方向相反的3槳葉共軸式旋翼,槳葉為木質結構。裝1台275馬力的九缸星形活塞式發動機。機身為鋼管焊接結構,具有輕金屬蒙皮和硬殼式尾梁。座艙內可容納1名駕駛員和3名旅客。採用四輪式起落架,前起落架機輪可以自由轉向。

這個階段的直升機具有以下特點:動力源採用活塞式發動機,這種發動機功率小,比功率低(約為1.3千瓦/千克),比容積低(約247.5千克/米3)。採用木質或鋼木混合結構的旋翼槳葉,壽命短,約為600飛行小時。槳葉翼型為對稱翼型,槳尖為矩形,氣動效率低,旋翼升阻比為6.8左右,旋翼效率通常為0.6。機體結構採用全金屬構架式,空重與總重之比較大,約為0.65。沒有必要的導航設備,只有功能單一的目視飛行儀錶,通信設備為電子管設備。動力學性能不佳,最大飛行速度低(約為200千米/小時),振動水平在0.25g左右,雜訊水平約為110分貝,乘坐舒適性差。

渦軸發動機和金屬槳葉直升機

20世紀50年代中期至60年代末是實用型直升機發展的第二階段。這個階段的典型機種有:美國的S-61、貝爾209/AH-1、貝爾204/UH-1,蘇聯的米-6、米-8、米-24,法國的SA321「超黃蜂」等。這個時期開始出現專用武裝直升機,如AH-1和米-24。這些直升機稱為稱為第二代直升機。

這個階段的直升機具有以下特點:動力源開始採用第一代渦輪軸發動機。渦輪軸發動機產生的功率比活塞式發動機大得多,使直升機性能得到很大提高。第一代渦輪軸發動機的比功率約為3.62千瓦/千克,比容積為294.9千瓦/米3左右。直升機旋翼槳葉由木質和鋼木混合結構發展成全金屬槳葉,壽命達到1200飛行小時。槳葉翼型為非對稱的,槳尖簡單尖削與后掠,氣動效率有所提高,旋翼升阻比達到7.3,旋翼效率提高到0.6。機體結構為全金屬薄壁結構,空重與總重之比降低到0.5附近。已採用減振的吸能起落架和座椅。機體外形開始考慮流線化,以減小氣動阻力。直升機座艙開始採用縱列式布置,使機身變窄。性能明顯改善,最大飛行速度達到200~250千米/小時,振動水平降低到0.15g左右,雜訊水平為100分貝,乘坐舒適性有所改善。

第三代直升機

20世紀70年代至80年代是直升機發展的第三階段,典型機種有:美國的S-70/UH-60「黑鷹」、S-76、AH-64「阿帕奇」,蘇聯的卡-50、米-28,法國的SA365「海豚」,義大利的A129「貓鼬」等。

在這一階段,出現了專門的民用直升機。為了深入研究直升機的氣動力學和其它問題,這時也設計製造了專用的直升機研究機(如S-72和貝爾533)。各國競相研製專用武裝直升機,促進了直升機技術的發展。

這個階段的直升機具有以下特點:渦輪軸發動機發展到第二代,改用了自由渦軸結構,因此具有較好的轉速控制特徵,改善了起動性能,但加速性能沒有定軸結構的好。發動機的重量和體積有所減小,壽命和可靠性均有提高。典型的發動機耗油率為0.36千克/千瓦小時,與活塞式發動機差不多。旋翼槳葉採用複合材料,其壽命比金屬槳葉有大幅度提高,達到3600小時左右。翼型不再借用固定翼飛機的翼型,而是為直升機專門研製的翼型,即二維曲線變化翼型。槳尖呈拋物線后掠。槳轂廣泛使用彈性軸承,有的成無鉸式。尾槳已開始採用效率高又安全的涵道尾槳。旋翼升阻比達8.5左右,旋翼效率提高到0.7左右。機體次結構也採用複合材料製造,複合材料占機體總重的比例通常為10%左右,直升機的空重/總重比一般為0.5。對於軍用直升機,特別是武裝直升機來說,提出了抗彈擊和耐墜毀要求。美軍方提出了軍用直升機耐毀標準MIL-STD-1290,已成為軍用直升機的設計標準。為滿足這些標準,軍用直升機採用了乘員裝甲保護,專門設計了耐墜毀起落架、座椅和燃油系統。電子系統已發展到半集成型。直升機採用大規模集成電路通訊設備、集成的自主導航設備、集成儀錶、電子式與機械式混合操縱機構等。機上的電子設備之間靠一條雙向數字數據匯流排交連,通過這條匯流排可進行信息發射和接收。直升機採用混合布置的局部集成駕駛艙。第一代夜視系統的使用使直升機具備了夜間飛行能力。這種較為先進的半集成電子設備使直升機通訊距離顯著增大,導航距離與精度明顯提高,儀錶數量有所減少,飛行員工作負荷得到減輕,也使直升機具備了機動/貼地飛行以及在不利氣象/夜間條件下的飛行能力,從而提高了直升機的整體性能。動力學性能明顯提高。直升機的升阻比達到5.4,全機振動水平約為0.1g,雜訊水平低於95分貝,最大飛行速度達到300千米/小時。

現代直升機

20世紀90年代是直升機發展的第四階段,出現了目視、聲學、紅外及雷達綜合隱身設計的武裝偵察直升機。典型機種有:美國的RAH-66和S-92,國際合作的「虎」、NH90和EH101等,稱為第四代直升機。

這個階段的直升機具有以下特點:採用第3代渦軸發動機,這種發動機雖然仍採用自由渦軸結構,但採用了先進的發動機全權數字控制系統及自動監控系統,並與機載計算機管理系統集成在一起,有了顯著的技術進步和綜合特性。第3代渦軸發動機的耗油率僅為0.28千克/千瓦小時,低於活塞式發動機的耗油率。其代表性的發動機有T800、RTM322和RTM390。槳葉採用碳纖維、凱芙拉等高級複合材料製成,槳葉壽命達到無限。新型槳尖形狀繁多,較突出的有拋物線后掠形和先前掠再后掠的BERP槳尖。這些新槳尖的共同特點是可以減弱槳尖的壓縮性效應,改善槳葉的氣動載荷分佈,降低旋翼的振動和雜訊,提高旋翼的氣動效率。球柔性和無軸承槳轂獲得了廣泛應用,槳轂殼體及槳葉的連接件採用複合材料,使結構更為緊湊,重量大為降低,阻力大大減小。旋翼升阻比達到10.5,旋翼效率為0.8。這個階段應用了無尾槳反扭矩系統,其優點是具有良好的操縱響應特性、振動小、雜訊低,不需要尾傳動軸和尾減速,使零部件數量大大減小,因而提高了可維護性。複合材料在直升機上獲得了前所未有的廣泛應用。直升機開始採用複合材料主結構,複合材料的應用比例大幅度上升,通常占機體結構重量的30~50%。這一時期的民用型直升機的空重/總重比約為0.37。高度集成化的電子設備。計算機技術、信息技術及智能技術在直升機上獲得應用,直升機電子設備朝著高度集成化方向發展。這一時期的直升機,採用了先進的增穩增控裝置,用電傳、光傳操縱取代了常規的操縱系統,採用先進的捷聯慣導、衛星導航設備及組合導航技術,先進的通訊、識別及信息傳輸設備,先進的目標識別、瞄準、武器發射等火控設備及先進的電子對抗設備,採用了匯流排信息傳輸與數據融合技術,並正向感測器融合方向發展。機上的電子、火控及飛行控制系統等通過多餘度數字數據匯流排交連,實現了信息共享。採用了多功能集成顯示技術,用少量多功能顯示器代替大量的單個儀錶,通過鍵盤控制顯示直升機的飛行信息,利用中央計算機對通訊、導航、飛行控制、敵我識別、電子對抗、系統監視、武器火控的信息進行集成處理從而進行集成控制。採用這類先進的集成電子設備,大大簡化了直升機座艙布局和儀錶板布置,系統部件得到簡化,重量大大減輕。更主要的是極大地減輕了飛行員工作負擔,改善了直升機的飛機品質和使用性能。直升機的全機升阻比達到6.6,振動水平降到0.05g,雜訊水平小於90分貝,最大速度可達到350千米/小時。

(二)

直升機的飛行原理

直升機的頭上有個大螺旋槳,尾部也有一個小螺旋槳,小螺旋槳為了抵消大螺旋槳產生的反作用力。直升機發動機驅動旋翼提供升力,把直升機舉托在空中,旋翼還能驅動直升機傾斜來改變方向。螺旋槳轉速影響直升機的升力,直升機因此實現了垂直起飛及降落。

直升機的發明

1939年,美國人西科爾斯發明了第一架直升機,機身外形和現在的沒多大區別,仍被設計者採用。

直升機的用途

直升機因為有許多其他飛行器難以辦到或不可能辦到的優勢,受到廣泛應用,直升機由於可以垂直起飛降落不用大面積機場主要用於觀光旅遊、火災救援、海上急救、緝私緝毒、消防、商務運輸、醫療救助、通信以及噴洒農藥殺蟲劑消滅害蟲、探測資源,等國民經濟的各個部門。世界直升機的隊伍逐漸壯大。

武裝直升機:裝有武器並執行作戰任務的直升機。亦稱攻擊直升機或強擊直升機。主要用於攻擊地面、水面和水下目標,為運輸直升機護航,也可與敵直升機進行空戰。具有機動靈活,反應迅速,適於低空、超低空抵近攻擊,能在運動和懸停狀態開火等特點。多配屬陸軍航空兵,是航空兵實施直接火力支援的新型機種。武裝直升機可分為專用型和多用型兩種。專用興武裝直升機是專門為進行攻擊任務而設計的,其機身窄長,機艙內只有前後或並列乘坐的2名乘員(甚至1名乘員),作戰能力較強;多用途武裝直升機除用來遂行攻擊任務外,還可用於運輸、機降、救護等。反坦克作戰是武裝直升機的主要用途之一,因此武裝直升機又被稱為「坦克殺手」;它與坦克對抗時,在視野速度、機動性及武器射程等諸方面明顯處於優勢地位。艦載武裝直升機還可擴大艦艇或艦隊的作戰範圍,增強作戰能力。武裝直升機一般攜帶機槍、航炮、炸彈、火箭和導彈等多種武器,最大平飛時速300千米以上,續航時間2-3小時。武裝直升機廣泛用於現代局部戰爭,在戰爭中發揮了重要作用,受到世界各國的十分關注。



    直升機基本上算是一種空中運輸部隊,它可以將2個部隊搭載到行動範圍上的任何一個方格之上,無論旁邊是否有敵軍部隊。直升機只能運載步行部隊─無法運載機械化部隊。
    城市的戰略資源貯存區中,必須要有原油以及橡膠才能生產直升機。
    現代直升機的最早概念其實是來自於畫家兼工程師的萊昂納多·達芬奇,他在公元16世紀描繪了一台以螺旋槳驅動的飛行器。不過一直等到公元1939年時,第一台實用型的直升機才被設計出來。直升機比起固定翼飛行器來說有個獨特的優點,就是它可以垂直起降,這使得直升機可以在無法建造跑道的狹窄地區中執行任務。在今日,直升機在民間運用為救援用運輸工具,或是進行執法勤務。直升機在軍事上的用途有許多種,由大型的運輸機到人員運輸機到移動迅速的飛行坦克不等,後者主要是擔任由空中支援地面作戰的角色。
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