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进入涡环九死一生——直升机垂直飞行概谈

时间:2018-07-18 15:52来源:中国直升机 作者:中国直升机网 点击:
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图——CH-53K垂直起飞
 
与其他飞行器相比,直升机与生俱来的垂直升降能力乃是它独特本领——所谓“直升”,不外如是。

本文将从直升机垂直爬升及下降过程中的气动和性能问题入手,对直升机垂直升降的一些特点进行论述。

1.气流的状态

先来看看美国著名直升机工程师 R.W.Prouty 为探究直升机垂直上升和下降所设计的风洞试验,先上试验结果图,再进行详细说明。

 

图——模型直升机各垂直飞行状态的风洞试验;从左往右依次是:悬停、垂直爬升、缓降、涡环状态、风车状态
 
试验所用的风洞是一个垂直风洞,风洞风扇在风洞底部,模型直升机将通过操纵(主要是改变总距,因是垂直飞行状态,基本不需要周期变距操纵)来保持其升力不变——始终与直升机总重平衡,以此来保持其高度和姿态。在本试验中,主要目的是观察不同状态下直升机周围的气流状态,因而改变的只是风洞吹风的强度和方向。

悬停状态:这时候,风洞风扇关机,直升机旋翼如常规悬停状态一样,诱导气流穿过桨盘流向下方。

垂直爬升状态:风洞风扇开机,吸引气流向下流动,对于直升机旋翼而言,就有了一个向下的初始轴流速度,相对于爬升。

垂直下降状态分为三个部分:缓降、涡环、风车。

缓降状态:反转风洞风扇的桨距,使其产生向上的强度较小的气流,这就相当于直升机旋翼有了一个较小的向上轴向来流,但是这个轴流大小相对于向下的诱导速度(下洗流)大小而言还是比较小,诱导流动还是能够主导旋翼周围的气流状况,因而这个情况实则和悬停差别不大(除了需用功率的轻微降低)。

涡环状态:将风洞风扇的风力加大一级,使向上的气流速度接近于旋翼的诱导速度,这时候,旋翼桨叶的桨尖涡将无法离开桨盘,很快,气流将会绕着旋翼桨盘形成一种类似于“吸烟吐出的那种圆环”,环绕着桨盘的外边缘。这种状况最为复杂,后文再细讲。

风车状态:将风洞风扇动力全开,吹起强大的向上气流,这时候,轴向气流已经远大于旋翼的诱导速度,在这种情况下,旋翼可以说完全处于向上的轴流控制下,流经旋翼桨盘平面的气流流速将会略有降低,其原因就是气流的一部分能量被旋翼吸收用于驱动旋转,这时候,旋翼就像是一个风车(但是它没有任何能量转换的手段,不能发电、不能抽水、不能磨面( ﹁ ﹁ ) ~→)。

试验结果图中除了气流流线示意图,还有桨叶叶素剖面的平均气动力示意图,从这些翼型气动力示意图中可以看到不同的气流改变了旋翼保持拉力不变所需桨距的改变:
 
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