旋翼机

旋翼机，是指用无动力驱动的旋翼提供升力、重于空气的“飞行器”。由推进装置提供推力前进，推进装置有螺旋桨和喷气两种。前进时气流吹动旋翼而产生升力，它不能垂直起飞或悬停，常在起飞时还要给旋翼一个初始动力，使旋翼的升力增加。借助于旋翼可做近似垂直的降落。旋翼使结构变得复杂，速度提高受到限制。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。

历史沿革

设计背景

20世纪飞机升降时常因故障而失速，导致多人丧生。西班牙工程师谢尔瓦于是发明了自转旋翼机试图解决这一问题。这款飞机就是“自转旋翼机”，旋翼机的飞行原理跟当时主流的燃油机不同，旋翼机飞行是靠飞机运动时激起气流并转动旋翼机上的旋翼，让旋翼产生升力，使飞机升空，因为不是靠燃油产生动力，所以旋翼机一旦升空，理论上是永远不会下坠，就算产生故障，飞机也会因为上升力的减弱而慢慢降落，不是产生“空难”，可以说旋翼机在当时很好的解决了飞机升降产生的空难问题。

研制历程

1919年，为解决飞机经常失速的问题，西班牙人谢尔瓦首次提出了自转旋翼机的概念。1922年，他创造性地设计出了挥舞铰装置，并成功将其引入到C-3型旋翼机中。随后，改进型号C-4也于1923年圆满地完成了飞行测试，旋翼机自此进入实用阶段。之后，谢尔瓦创建了飞机制造公司，继续致力于自转旋翼机的设计与改进事业，并于1934年成 功设计出带有跳跃起飞功能的C-30型旋翼机。与Cierva同时代的Harold Pitcairn、Raoul Hafner及Kellett兄弟等也对自转旋翼机技术的发展做出了巨大贡献。Harold Pitcairn开创了空中邮政线路，并于1929年与谢尔瓦合作共同建立了Pitcairn-Cierva公司，后来，该公司制造出美国第一架取得合格证执照的PCA-2型自转旋翼机。Raoul Hafner设计并制造出首款带周期变距操纵旋翼 的W.R.K.型旋翼机。Kellett兄弟也开展了自己的旋翼机事业，他们建立的公司设计、改进了多款旋翼机型号（包括K系列、KD系列和XR系列），其中多款机型被军方和航空俱乐部大量采购。20世纪40年代以后，直升机产业在军方的持续资助下迅速崛起。而自转旋翼机由于长期不受军方青睐 ，其发展逐渐跌入低谷。在此期间，自转旋翼机技术长期停滞不前，仅剩下极少数自制飞行器爱好者仍然坚持着旋翼机的研究。

基本设计

布局与部件

旋翼机的布局和部件涉及到机身结构、机翼配置以及关键组件的安装。以下是旋翼机布局和部件的介绍：

机身结构

旋翼机的机身结构应具有足够的强度和刚性，以承受旋翼产生的动力和载荷。通常，机身由支撑主旋翼和尾旋翼的桁架结构组成。机身还包括座舱、货舱和驾驶员控制区域等。

机翼配置

旋翼机的机翼配置可以根据不同的需求和设计选择。直升机通常只有一个主旋翼和一个尾旋翼，而有些旋翼机则采用多旋翼设计，如双旋翼或四旋翼无人机。机翼配置的选择取决于飞行性能、稳定性和操控要求。

关键组件的安装

旋翼机的关键组件包括发动机、控制系统和附件等。这些组件的安装和布局对于旋翼机的运行和性能至关重要。发动机：旋翼机通常使用内燃机或涡轮发动机作为动力源。发动机负责提供足够的功率来驱动主旋翼旋转，产生升力。控制系统：旋翼机的控制系统包括飞行控制杆、脚踏板和各种连接杆。驾驶员通过操纵这些控制器来改变旋翼机的姿态和方向。附件：旋翼机的附件包括导航设备、通信设备、救生设备和其他必要的仪器。这些附件可以提高旋翼机的飞行安全性和操作效率。总结起来，旋翼机的布局和部件是保证其正常运行和飞行性能的关键要素。机身结构、机翼配置以及发动机、控制系统和附件等组件的安装都至关重要。只有这些组件的协调配合，才能确保旋翼机在起飞、飞行和着陆过程中的稳定性和安全性。因此，在旋翼机的设计和制造过程中，对布局和部件的选择和安装需要经过仔细考虑和验证，以满足特定需求并保证飞行器的可靠性。

飞行特点

由于旋翼机上的旋翼是无动力的，因此不会产生与动力旋翼系统相关的更大振动和噪音，也不会缩短旋翼、机体等的使用寿命，或因振动和噪音而增加乘客的疲劳度。旋翼机动力驱动螺旋桨所造成的影响，显然小得多。此外，旋翼机还有一个非常宝贵的特点，那就是它的着陆滑跑距离比起飞距离短得多，如果操控得当，完全可以不滑跑就地着陆，选择一处稍微大一点的空地，即使不是平坦的，也可以降落，也可以直接降落在游轮的顶棚或甲板上。美国旋翼机飞行训练手册指出：“旋翼机的稳定性在所有航空器中最高。”它可以自我调整，使机身具有良好的俯仰稳定性、滚动稳定性和速度稳定性。向上旋转的桨叶链就像一个大惯性轮，且旋翼没有周期变距等变化。而且由于旋翼的安装角度比直升机大，因此陀螺效应更好，稳定性更高。旋翼机的风阻更大，起飞时也更顺风。对于传统旋翼机来说，风有利于旋翼的启动和加速旋转，这可以缩短从滑翔状态起跳的时间，如果风速足够大，一般的旋翼机都可以垂直起飞。

起飞方式

一是需要滑行起飞的，这种方式比较简单，数量也比较多。二是垂直起飞，起飞方式有三种：一种是利用动力驱动它的旋翼；第二种是旋翼预旋转，使旋翼提高至正常飞行速度的-固定倍数，突然松开离合器，同时松开旋翼，提供更大的起飞动力，进行跳跃和爬升； 第三种是用小火箭头带动旋翼旋转，提供升力实现垂直起飞，通常由自动程序控制，性能较高，且价格较便宜。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。

旋翼系统

旋翼系统的功能主要包括两方面：1）为飞机提供升 力；2）提供飞行所需的姿态操纵能力。由于无需反转矩装置和变距机构，自转旋翼机旋翼系统的结构要比直升机简单得多。现代旋翼机大都采用带桨毂倾斜控制的跷跷板式单旋翼构型。

跷跷板式旋翼结构

尾翼系统包括垂尾和平尾，其作用是为旋翼机配平并提供航向控制。设计过程中，将垂尾安置于推进螺旋桨的滑流里，可改善飞机做低速飞行时垂尾和方向舵气动效率偏低的问题。在结构方面，常采用多垂尾构型以增大垂尾的面积。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。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。

操纵系统

操纵机构采用硬式（连杆）与软式（离合线）混合的操纵方式来实现操纵。主旋翼采用硬式操纵形式，由操纵杆控制旋翼平面的俯仰与横滚。起落架前轮和方向舵采用软式操纵形式，由踏板控制相应机构的倾转。同时，驾驶舱一侧配有辅助操纵把手，方便飞行员对油门、风门及刹车装置的调控。

推进系统

推进装置是由发动机、螺旋桨及其必要附件组成的， 其作用是为旋翼机提供地面滑跑和空中飞行的动力。理论上，前拉或后推式的动力布局均可满足设计需求，但在实际应用中，常采用后推式布局以获得更好的机动性和操纵性。旋翼机在飞行过程中，其发动机和旋翼是不联动的，但为了实现超短距起飞，现代旋翼机在设计时通常会加装预旋机构。预旋机构有两个皮带轮，分别与发动机主轴和预旋传动轴相连，压杆与张紧轮相连控制皮带的松紧。起飞前，通过压紧张紧轮将发动机和旋翼短暂连接，可以使旋翼预先获得一定的初始升力，从而缩短所需滑跑距离，实现短距或超短距起飞。

起落装置

起落架是旋翼机起飞、滑行、着陆、地面移动和停放所必需的支持系统，对飞行器的安全运行至关重要。现阶段的自转旋翼机通常选择前三点式布局结构，其中前轮为转向轮，位于机身前部；后轮为支撑轮，安装在旋翼机重心附近的两侧。

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，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。

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型号举例

XC一142旋翼机

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。

V-22倾转旋翼机

V-22鱼鹰式倾转旋翼机 (英语: V-22 0sprey) 是由美国贝尔公司和波音公司联合设计制造的一款倾转旋翼机，倾转旋翼机具备直升机的能垂直升降能力及固定翼螺旋奖飞机较高速、航程较远及耗油量较低的优点。V-22设计基于贝尔负责的实验机XV-15，早于80年代开始研发，于2007年开始在美国海军陆战队服役，取代CH-46 海骑士直升机作拯救及作战任务，2009年，美国空军也开始配备。V-22“鱼鹰”倾转旋翼机尚未装备部队。

旋翼机控制技术发展面临的挑战

面对旋翼机民用化、小型化、电动化等新趋势，未来关键的旋翼机飞行控制领域存在以下挑战： （1）需要对旋翼机操纵质量规范进行持续更新，为未来军用和民用载人旋翼机的现代任务提供定量要求和专门 MTE， 并将规范指南扩展到小型自主旋翼机。 （2）研究并验证各种新概念、新构型和执行特殊任务的飞行器的飞行动力学模型和控制系统仿真模型。 （3）无人机旋翼机设计概念和自主飞行控制的低成本快速开发。

参考资料

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该页面最新编辑时间为 2024年5月31日