直升機

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直升機係一挺由一個或多個水平旋轉嘅旋提供向上升力同推進力而進行飛行嘅航空器。直升機有多數固定翼機唔具備嘅垂直升降、懸停、細速度向前或向後飛行嘅特點。呢啲特點令到直升機喺好多場合大顯身手。直升機同飛機比較,弱點係速度慢、比較食油、航程較短。

飛行原理[編輯]

定翼機嘅飛行升力源自固定喺機身上嘅機翼。當定翼機向前飛嗰陣,機翼同空氣之間發生相對運動,甚至乎產生升力。直升機嘅升力產生原理同機翼相似,只不過呢個升力係嚟自圍繞固定軸旋轉嘅「旋翼」。旋翼唔似飛機噉依靠成個機體向前飛嚟令機翼同空氣產生相對運動,而係依靠自轉產生同空氣嘅相對運動。之不過,喺旋翼提供升力嘅同時,直升機機身亦會因反扭矩(同驅動旋翼旋轉等量,但方向相反嘅扭矩,即反作用扭矩)嘅作用而有向相反方向旋轉嘅趨勢。對於單旋翼直升機,為咗平衡反扭矩,常見嘅做法係以另一個細型旋翼,即尾槳,喺機身尾部產生抵消反向運動嘅力矩。對於多旋翼直升機,多採用旋翼之間反向旋轉嘅方法嚟抵消反扭矩嘅作用。

歷史[編輯]

人類有史以嚟就嚮往自由自在飛行。古老嘅神話故事訴說人類早年嘅飛行夢,而夢想嘅飛行方式都係原地騰空而起,似現代直升機噉既可以自由飛翔又可以停留喺空中,並隨意實現定點着陸。譬如話阿拉伯人嘅飛毯,希臘神嘅戰車,都係垂直起落飛行器。其中最有價值、最具代表性嘅係中國古代玩具「竹塘尾」同意大利人達芬奇關於垂直起降航空器嘅畫作。

竹塘尾有據可查嘅歷史記載於晉朝(265年—420年)葛洪寫嘅《抱朴子》一書入便。佢利用「環劍」驅動螺旋槳軸,從而通過旋翼嘅空氣動力實現垂直升空,演示現代直升機旋翼嘅基本工作原理。《簡明不列顛百科全書》第9卷寫道:「直升機係人類最早嘅飛行設想之一,多年嚟啲人一直相信最早提出呢個諗法嘅係達芬奇,不過而家都知,中國人比中世紀嘅歐洲人更早整得出直升機玩具。」呢挺玩具喺14世紀傳到歐洲。「英國航空之父」佐治·凱利(1773年-1857年)製造過幾個竹塘尾,用鐘錶發條作為動力嚟驅動旋轉,飛行高度去到27米。

隨住生產力嘅發展同人類文明嘅進步,直升機嘅發展史由幻想時期進入咗探索時期。歐洲產業革命之後,機械工業迅速倔起,特別係20世紀初汽車同輪船嘅發展,為飛行器準備咗發動機同可供借鑒嘅螺旋槳。經過航空先驅者勇敢而艱苦嘅創造同試驗,1903年萊特兄弟(Wright brothers)製造嘅定翼機飛行成功。期間,即使喺發展直升機方面,航空先驅付出咗相當嘅艱辛同努力,不過因直升機技術嘅複雜性同發動機性能唔好,佢嘅成功飛行比飛機遲咗30幾年。

20世紀初係直升機發展嘅探索期,好多挺試驗性機型相繼問世。試驗機方案嘅多樣性表明咗探索階段嘅技術幾唔成熟。經過多年實踐,呢啲方案中得縱列式同共軸雙旋翼式保留咗落嚟,到而家重應用緊。雙槳橫列式方案未喺直升機家族中延續,不過喺傾轉旋翼飛機中得到繼承同發展。

俄國人尤利耶夫另闢捷徑,提出咗利用尾槳嚟配平旋翼反扭矩嘅設計方案並喺1912年製造出試驗機。呢挺單旋翼帶尾槳式直升機成為到而家最流行嘅形式。

經過20世紀初嘅努力探索,為直升機發展積累咗可貴嘅經驗並取得顯著進展,有多架試驗機實現咗短暫嘅垂直升空同短距飛行,不過離實用重有好大距離。

飛機工業嘅發展,使航空發動機嘅性能迅速提高,為直升機嘅成功提供咗重要條件。旋翼技術嘅第一次突破,歸功於西班牙人Ciervao,佢為咗創造「唔失速」嘅飛機以解決固定翼飛機嘅安全問題,採用自轉旋翼代替機翼,發明咗自轉旋翼機。旋翼技術喺自轉旋翼機上嘅成功應用同發展,為直升機嘅誕生提供咗另一個重要條件。

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,重喺同年11月13日試飛成功。呢啲架直升機被嗌做「人類第一架直升機」。 1938年,年輕嘅德國人漢納賴奇駕駛一架雙旋翼直升機喺柏林體育場進得咗一次完美嘅飛行表演。呢啲架直升機被直升機界認為係世界上第一挺試飛成功嘅直升機。 1936年,德國福克公司喺對早期直升機進行多方面改進之後,公開展示咗自己製造嘅FW-61直升機,1年後該機創造咗多項世界紀錄。

1939年春,美國嘅伊戈爾·西科斯基完成咗VS-300直升機嘅冚嘭唥設計工作,同年夏天製造出一架原型機。呢挺單旋翼帶尾槳直升機構型成為而家最常見嘅直升機構型。

1940年代,美國沃特-西科斯基公司研製嘅一挺2座輕型直升機R-4,佢係世界上第一挺投入批量生產嘅直升機,亦係美國陸軍航空兵、海軍、海岸警衛隊同英國空軍、海軍使用嘅第一挺軍用直升機。該機嘅公司編號為VS-316,VS-316A。美國陸軍航空兵嘅編號為R-4,美國海軍同海岸警衛隊嘅編號為HNS-1,英國空軍會其命名為「食蚜虻 1」(Hoverfly 1),英國海軍會其命名為「牛虻」(Gadfly)。

1930年代尾,喺法國、德國、美國同前蘇聯都有直升機試飛成功,重迅速改進到能夠實用嘅程度。第二次世界大戰嘅軍事需要,加快呢個進程,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。到二戰結束嗰陣,德國工廠經已生產咗30幾架直升機,美國交付嘅 R5、R6直升機經已達400幾架。

20世紀嘅後半期直升機進入航空實用期,直升機嘅應用領域不斷擴展,數目迅速增加。

常見類型[編輯]

單旋翼直升機[編輯]

單旋翼帶尾槳(Ducted Fan)[編輯]

最常見嘅直升機類型,一個水平旋翼負責提供升力,尾部一個細型垂直旋翼(尾槳)負責抵消旋翼產生嘅反扭矩。有啲機型重會尾槳設計成涵道式,如歐洲直升機公司製造嘅EC-135直升機。

單旋翼冇尾槳(NOTAR)[編輯]

一個水平旋翼負責提供升力,機身尾部側面得閒氣排出,同旋翼嘅下洗氣流相互作用產生側向力嚟抵消旋翼產生嘅反扭矩。譬如話,美國麥道直升機公司生產嘅MD520N直升機。

雙旋翼直升機[編輯]

縱列式(Tandem)[編輯]

兩個旋翼前後縱向排列,旋轉方向相反,多見於大型運輸直升機。譬如話,美國波音公司製造嘅CH-47「支努干」運輸直升機。

橫列式(Transverse)[編輯]

兩個旋翼左右橫向排列,旋翼軸間隔較遠,旋轉方向相反。譬如話,前蘇聯米里設計局研製嘅Mi-12直升機。

共軸式(Coaxial)[編輯]

兩個旋翼上下排列,喺同一個軸線上反向旋轉。譬如話,前蘇聯卡莫夫設計局研製嘅卡-50武裝直升機。

交叉式(Intermeshing)[編輯]

兩個旋翼左右橫向排列,旋翼軸間隔較細,重唔平行,旋轉方向相反。譬如話,Kaman公司製造嘅K-MAX起重直升機。

操縱系統[編輯]

直升機嘅操縱系統有別於固定翼航空器,通常由以下部分組成:

總距操縱桿[編輯]

簡稱總距桿,用嚟控制旋翼槳葉總距變化。總距操縱桿一般布置喺駕駛員座位嘅左側,繞支座軸線上、下轉動。駕駛員左手上提桿嗰陣,使自動傾斜器整體上升而增大旋翼槳葉總距(即所有槳葉嘅槳距同時增大相同角度)使旋翼拉力增大,反之拉力減細,噉就嚟控制直升機嘅升降運動。通常喺總距操縱桿嘅手柄上設置旋轉式油門操縱機構,用嚟調節發動機油門嘅大細,以便使發動機輸出功率同旋翼槳葉總距變化後嘅旋翼需用功率相適應。於是乎,該操縱桿又被嗌做總距油門桿。

周期變距操縱桿[編輯]

簡稱駕駛桿。同固定翼航空器嘅駕駛桿作用相似,通過操縱線系同自動傾斜器相連接。一般位於駕駛員座椅嘅中央前方。駕駛員沿橫向同縱向操縱周期變距操縱桿嗰陣,自動傾斜器會出現相應方向嘅傾斜,從而導致旋翼拉力方向亦發生相應方向嘅傾斜,噉就得到需要嘅推進力同埋橫向同縱向操縱力,甚至乎改變直升機嘅運動狀態同自身姿態。

腳蹬[編輯]

同固定翼航空器嘅方向舵腳蹬作用相似,都係控制航向工具。因直升機嘅類型比較多,腳蹬起作用嘅方式亦各唔相同。對於單旋翼帶尾槳直升機,腳蹬經操縱線系同尾槳嘅槳距控制裝置相連,通過控制尾槳槳距嘅大細嚟調節尾槳產生嘅側向力,達到控制航向嘅目的。對於單旋翼冇尾槳直升機,就係通過腳蹬控制機身尾部出氣量嘅大細嚟調節側向力。對於雙旋翼直升機,腳蹬控制嘅則係兩旋翼總槳距嘅差動,即一個增大一個減細,使得兩旋翼反扭矩唔能平衡,從而使機身發生航向偏轉。