飛行器家族中的“鐵蜻蜓”

秦嘉政

在飛行器家族中，有一類飛行器是十分特殊的，它們不需要專門在跑道上起飛、降落，不僅可以從任何地方垂直起降，而且可以在天上懸停甚至倒飛，這就是飛行器家族中的“鐵蜻蜓”——直升機。

直-20戰術通用直升機

直升機是如何飛起來的？

直升機最引人注目的部分就在于它頭頂上巨大的螺旋槳，這個螺旋槳的專業名詞叫作旋翼，意思為“旋轉的機翼”。旋翼的基本原理和家用電風扇、竹蜻蜓玩具差不多，是通過加速空氣的流動來獲得空氣的反作用力。直升機發動機驅動旋翼將空氣向下加速，空氣對直升機的旋翼就有向上的反作用力，當這種反作用力大于飛機所受的重力時，直升機就能飛起來了。

竹蜻蜓

復雜的旋翼系統

直升機的飛行原理看似簡單，但是要控制它平穩飛行卻是十分復雜的，需要我們了解直升機的旋翼系統是如何工作的。

在講旋翼之前，有一個專業名詞我們必須要了解，那就是“槳距”。從生活中，你可以觀察到電風扇、吹風機、電腦散熱器的風扇上，每個葉片都是傾斜一定角度的，這樣當風扇轉動起來時才能夠使空氣向著一個方向流動，葉片和風扇旋轉平面之間的角度，就叫作槳距角。

早期飛機的螺旋槳都是活塞發動機驅動的，槳距也是固定的。到了二戰期間，為了提升戰斗機的性能，設計師將機頭的螺旋槳設計成變距槳——螺旋槳的轉速是不變的，增加槳距會增加螺旋槳的推力，反之會降低螺旋槳的推力，這樣更便于飛行員控制飛機的動力。而直升機的旋翼使用的就是一種更加復雜的變距槳。

直升機內的旋翼控制機構

那直升機是如何在天上保持平衡的？飛行員又是如何控制直升機向各個方向飛行的呢？奧妙就在改變旋翼的槳距上。直升機的旋翼旋轉一周時，它的槳距并不是一個固定的值，假如飛行員想讓直升機向前飛，首先需要讓直升機“低頭”，此時他控制旋翼，讓旋翼轉到后面的時候槳距變大，轉到前面的時候槳距變小，也就是說，旋翼在轉到直升機后面的位置時，給飛機的升力變大，轉到前面時，給飛機的升力變小，旋翼不斷旋轉，就會產生一個讓飛機“低頭”的力矩。

飛機“低頭”后，再將槳距變為恒定值，氣流對旋翼的推力就是向斜前方的——可以分解為向上的升力和向前的推力，直升機就可以向前飛行了。同理，通過控制旋翼轉到哪一邊槳距大、哪一邊槳距小，便可以讓直升機向指定的方向飛行。而當操縱每個方向的槳距一起變大或者一起變小時，直升機就會上升或者下降。

其實這里面還含有一個冷知識：和許多人設想的不一樣，直升機飛行時旋翼轉速是基本不變的——飛機上升、下降或改變飛行方向，飛行員改變的只是旋翼的槳距。

變距旋翼是這樣工作的

長相奇特的直升機

大部分直升機的結構大同小異，螺旋槳都是一大一小——機身上面有個大大的主槳，尾部還有個小小的尾槳，而且有一些尾槳是藏在洞里的。也有些直升機長相奇特，它們有的前后兩個都是主槳，縱列排列；有的兩個主槳摞起來，反向旋轉，尾部也沒有尾槳，這都是為什么呢？

美國CH-46“海騎士”運輸直升機

俄羅斯Ka-29反潛直升機

咱們首先來了解尾槳存在的意義。大部分直升機都有尾槳，但是尾槳并不能產生升力，那它有什么用呢？

前面講過，螺旋槳在空氣中旋轉產生升力，同時空氣會給螺旋槳一個阻力。螺旋槳受到的空氣阻力被轉化為了扭矩，這是一種“使物體旋轉”的驅動力，扭矩沿著螺旋槳中間的軸傳送給了機身。如果螺旋槳向左轉，直升機的機身就會跟著向右轉。顯然，這樣直升機沒辦法飛行。所以，設計師在離旋翼較遠的地方安裝了一個小小的尾槳，尾槳旋轉會產生一個力矩，正好能夠抵消機身旋轉的力矩，直升機才能直線飛行。尾槳對直升機飛行至關重要，這也就是為什么你在電影里看到直升機尾槳受損后，都是打著轉掉下去的。

如果直升機有兩個主槳，而且它們的轉速相同，旋轉方向相反，會有什么結果呢？結果是兩個主槳產生的旋轉力矩正好抵消，直升機就不需要尾槳了。所以一些特殊構型的直升機，比如縱列雙旋翼構型、共軸反轉旋翼構型的直升機，就見不到尾槳了。但是這些構型的直升機也有不足之處，雙主槳的結構更復雜，研發和保養難度都更大，所以目前大部分直升機還是采用單旋翼帶尾槳的構型。

新型直升機：打破飛不快的魔咒

直升機最大的長處就是能夠垂直起降，但是它也有一個致命的缺點——飛不快。

直升機飛不快，并不是因為發動機動力不夠，而是因為直升機飛行原理的“先天不足”。直升機在靜止不動時，旋翼上任何相同半徑位置上的槳葉和空氣的相對速度都是一致的?？僧斨鄙龣C向前飛起來之后，單旋翼直升機總有一側的旋翼槳葉是相對于機身向后轉的，而另一側是向前轉的，這會導致在直升機左右兩側對稱的位置，旋翼和空氣相對速度不一樣，升力也不一致。雖然直升機可以依靠槳距調節器來平衡左右的升力差距，但效果是有限的。直升機的最大時速很少能夠超過300 千米，因為過高的速度會導致直升機左右對稱位置處的旋翼速度差距過大，從而失去升力，甚至有發生翻滾的危險。為了避免出現這種情況，單旋翼直升機的速度會有一個上限——這被稱為直升機的臨界速度。你看，不到300 千米的時速甚至比不過現在的高鐵呢。

為了突破臨界速度，近年來出現了若干種混合式高速直升機。這些直升機水平飛行時，有的依靠固定機翼提供升力，有的使用一對共軸反轉旋翼來提供升力。它們都是直升機的發展方向。

旋翼飛行器大家族

除了直升機，實際上還有很多其他通過旋翼來飛行的飛行器。

比如現在最先進的垂直起降飛行器——傾轉旋翼機。嚴格來說，傾轉旋翼機屬于橫列式雙旋翼直升機的變種。在起降時，它的兩副旋翼垂直向上，這時對它的操控和對直升機的一致；在起飛后，它的兩副旋翼會轉向前方變成一對螺旋槳，此時飛機將作為固定翼飛機飛行。

這種飛行器不受直升機臨界速度的影響，既能夠像直升機那樣垂直起降，還兼具傳統固定翼飛機速度快和省油的優勢。但是它價格昂貴，且由于升力系統需要變形，結構復雜，所以事故率居高不下。目前，美國投入了大量人力與資金對此進行研發，已經初見成效。

還有一種很像直升機的飛行器，叫作旋翼機。這種飛機上也有一副旋翼，還有一個用于推進的螺旋槳。但和直升機不同，它的旋翼沒有動力，只由空氣推動來旋轉產生升力。旋翼機不需要反扭矩用的尾槳，但同時也失去了垂直起飛的能力，需要像固定翼飛機一樣滑跑起飛，好在它滑跑的距離非常短。由于沒有發動機驅動的復雜的旋翼系統，所以旋翼機的結構簡單，操縱它自然也十分簡單。它的飛行速度只有幾十千米每小時，和街上的汽車差不多快。因為簡單的外形、緩慢的速度和低廉的價格，它被稱為“空中三蹦子”，在軍事和民用領域都很受歡迎。

直升機因其可以垂直起降的特性，除了在軍事上有應用外，在民用運輸、抗震救災、森林滅火、維護治安等領域也能大顯身手。目前直升機制造業是世界各國爭相發展的熱門產業，我國在直升機研發領域起步較晚，但是發展迅速，目前軍用、民用直升機都已接近或達到世界先進水平。未來，隨著無人直升機、電動直升機等新技術、新產品的廣泛應用，直升機將成為飛行器家族中一顆耀眼的明星。