直升機經過上百年的發展,從最初如何讓直升機飛起來,到如今如何充分挖掘直升機潛力,期間誕生出多種實用的構型。那麼,直升機有哪些構型呢?這裡從單旋翼、雙旋翼、複合式、無人機的角度,概述一下目前直升機的主要構型。
單旋翼構型
單旋翼直升機,是指僅依靠單個旋翼提供升力的直升機。其中的單旋翼帶尾槳直升機最為常見,它是利用尾槳來平衡旋翼反扭矩和控制懸停狀態的航向變化。
雖然在直升機發展初期,多數都是採用多個旋翼的構型,但是第一款實用化的直升機卻是單旋翼帶尾槳構型,即西科斯基VS-300直升機。
第一款批量生產的直升機也是單旋翼帶尾槳構型,即西科斯基R4直升機。
需要說明的是,由於設計習慣不同,各個國家設計的旋翼旋向實際上是有差別的。美系直升機主要使用右旋旋翼(俯視逆時針旋轉),法系和俄系直升機主要使用左旋旋翼(俯視順時針旋轉)。旋翼轉向不同,也就決定著尾槳的拉力方向不同。
除了帶尾槳構型,還出現了無尾槳直升機和槳尖噴氣直升機,但是由於其技術弊端大於利好,所以並沒有獲得廣泛使用。
由於單旋翼帶尾槳直升機存在:尾槳和尾傳動事故率高、懸停狀態尾槳要消耗較大的功率(約佔總功率的7%~10%)、是直升機的振源和噪聲源之一等問題。在探索和發展新的反扭矩平衡系統過程中,雙旋翼構型直升機相關的技術也日益成熟。
雙旋翼構型
1.橫列式
橫列式雙旋翼直升機的兩副旋翼沿機體橫軸排列,旋轉方向相反,相互平衡反扭矩。由於兩幅旋翼均提供升力,因此可以攜帶更大的重量。在直升機發展初期,第一個工程化、實現離地飛行的直升機正是橫列式雙旋翼直升機,即1936年實現離地飛行的福克·沃爾夫Fw 61直升機。
橫列式直升機的機身和機翼與旋翼存在較嚴重的氣動幹擾,而且支撐左右兩副旋翼的機翼或架構從機身外伸,降低了重量效率,對支撐剛度要求也很高。橫列式直升機廣為流傳的型號是前蘇聯的米-12直升機,它也是迄今為止起飛重量最大的直升機,最大起飛重量達到了105噸,但是由於結構載荷、機體振動存在較嚴重的問題,僅製造了兩架原型機即退出歷史舞臺。
近些年發展起來的傾轉旋翼技術,也是採用機身兩側各一副螺旋槳的構型,它既具有直升機垂直起降和空中懸停的能力,又具有螺旋槳飛機的高速巡航飛行能力。
2、縱列式
縱列雙旋翼構型,主要是用在大型直升機上。兩副旋翼一前一後布置,反向旋轉,旋翼反扭矩相互平衡;藉助前後旋翼差距操縱來保持直升機的平衡,其容許的重心變化範圍較大;操縱系統也是比單旋翼帶尾槳直升機更為複雜。
該構型直升機以美國波音公司的產品最為著名。在上世紀40年代弗蘭克·比亞賽奇(其公司於1960年被波音併購)為美國海軍設計的HRP-1、HRP-2系列直升機,可以稱得上是縱列雙旋翼直升機的「鼻祖」,甚至因為其獨特的外形被稱之為「飛行香蕉」。
目前,最為典型的縱列雙旋翼直升機是波音公司的CH-47「支奴幹」直升機,因為其出色的載重能力,被廣泛用於執行運輸任務。
3.共軸式
共軸雙旋翼的兩副旋翼共用一個旋翼軸,其中一副旋翼在另一副旋翼的上面,兩幅旋翼反向旋轉,相互平衡反扭矩;也是利用兩副旋翼產生不同的扭矩,進行航向操縱;由於這種構型阻力較大,因此不能實現高速巡航飛行;由於上下旋翼間氣動幹擾產生了有利影響,其懸停效率較高。
這種構型的直升機主要是俄羅斯卡莫夫設計局採用。
4.交叉式
交叉雙旋翼也是一個特例,僅美國卡曼公司的直升機使用這種構型。其兩副旋翼相互交叉、反向旋轉,相互平衡反扭矩,同樣不需要尾槳。應用最為廣泛的是K-MAX直升機,它是一款單座直升機,主要用來外掛載荷的運輸。
複合式構型
為了提高直升機飛行速度,催生了複合式直升機的出現。主要有兩種途徑:
其一是增加機翼,機翼提供一部分升力,從而減輕旋翼載荷,但是機翼附加了結構重量,且會產生附加阻力,因此帶來的效益不一定會很大。
其二就是增加推力螺旋槳,飛行速度較大時,水平拉力大多由推力螺旋槳提供,包括美國西科斯基S-97、SB>1直升機和歐直X-3直升機,均是藉助於推力螺旋槳來獲得前飛速度的提升。
無人機構型
另外不得不提及的就是無人直升機,中大型無人直升機普遍採用的單旋翼帶尾槳和共軸雙旋翼構型,與有人機並無本質差異。
在無人機領域,使用最多的還是多旋翼構型。其通過每個軸上的電動機轉動,帶動旋翼旋轉,從而產生升力/推力。
可以說,目前各種構型的直升機均存在其優缺點,只要設計得當均能夠滿足其應用需求。隨著直升機需求變化、直升機技術水平進步,也許還會出現新的直升機構型,讓我們拭目以待。(來自直升機零距離)
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