注:
1. 题图来自pixabay 网站;
2. 本文所有试验相关内容皆出自美国著名直升机专家 R. W. Prouty。

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:

  • 垂直爬升过程中,气流从上而下,桨距增大,旋翼气动力合力相对悬停而言后倾,因而增大了旋翼扭矩从而增大了需用功率;
  • 垂直缓降过程中,气流从下而上,桨距减小,旋翼气动力合力相对悬停而言朝前倾,因而减小了旋翼扭矩从而减小了需用功率;
  • 在风车状态,旋翼桨距放平,气动力合力完全前倾,使其合扭矩能够直接驱动旋翼自转。

涡环状态是最难说描述清楚其平均气动力方向的状态,就现有的试验而言,涡环状态下,桨距和需用功率都会比较高,大致上类似于爬升状态的桨距和功率需求。

2.垂直爬升和下降的需用功率

垂直爬升的功率优势:

  • 在悬停状态下,前一片桨叶的桨尖涡往往会直接打到高速旋转而来的后一片桨叶,但是,再垂直爬升过程中,后一片桨叶转过来的时候,前一片桨叶的桨尖涡早已运动到桨盘下方,因而,相比于悬停,垂直爬升的直升机,旋翼桨涡干扰会小很多;
  • 垂直爬升的直升机,旋翼桨盘的诱导速度分布将对尾桨带来的干扰影响要小于悬停状态的直升机

虽然直升机垂直爬升过程中,相比于悬停状态需要增大总距,但实际飞行中,小速度爬升的需用功率往往要比悬停状态来得低。

而在垂直下降中,飞行员必须要控制垂直下降的速率,以免速度过快而陷入涡环状态,而垂直下降过程中,直升机旋翼同样能从空气中吸收能量来降低需用功率的大小,但是上述在垂直爬升过程中的两个优势在垂直下降过沉重就变成了缺点,并且会导致需用功率的增加,这也是实际飞行中,直升机缓降需用功率往往比理论计算值要高的原因。

3.在涡环状态中飞行

图——从涡环状态脱险的AS350

进入涡环状态之后,旋翼周围的气流呈现出非均匀、非定常两种特性,因而相比于其他的飞行状态,这种状态在理论分析上相当艰难,因而现有的关于涡环状态的绝大部分经验都是来自于试验而非理论推导。

基于试验经验,我们一般认为,涡环状态带来的不稳定效应开始于下降率约为1/4悬停诱导速度的时候,大约在3/4悬停诱导速度的时候达到峰值,如果下降率达到1.25倍的悬停诱导速度,涡环状态消失。

无论如何,在涡环状态中的任何一秒钟的飞行都是一件不容易的事情,有些理论认为,斜70°的下降比90°的垂直下降更容易陷入涡环状态,其准确性未经证明,不过,斜50°左右、30~60千米时前飞速度状况下的下降飞行能够给直升机带来足够多的新鲜空气,使其吹散旋翼桨盘周围的桨尖涡,从而将直升机从涡环状态中解救出来。

Prouty同样做了涡环状态下旋翼烟尾迹的试验,试验结果图如下:

图——涡环状态烟尾迹示意图

如图所示,旋翼持续不断地向已经形成的涡环泡中吸入空气,涡环泡逐渐膨胀,之后破裂朝外吹气,释放一定的空气之后又重新形成原始涡环,整个过程都发生在数秒之内,使得旋翼始终处于一种相当不稳定的气流之内,不仅直接改变了旋翼的拉力,也会影响到旋翼变距操纵带来的挥舞响应,使得旋翼在俯仰和滚装方向也难以控制——这一切都对直升机飞行员的操纵意识和反应灵敏度提出了极高的要求。

4.“Power settling” 满功率下降(自己翻的😂,有好的翻译欢迎提出)

涡环状态除了带了种种不稳定之外,另一个主要影响就是导致了维持相同拉力下需用功率的增加。极限情况下,飞行员一般称之为“Power settling”,在“Vortex ring state”的维基百科中,也将涡环状态称为“settling with power”。

之所以叫这个名字是因为飞行员在下降过程中发现在某些状况下,即便直升机输出功率已经达到发动机极限,其仍然保持持续下降的状态,Prouty发现,功率的变化与总距的变化基本同步,因此,满功率下降是一种相当危险的状况,如果直升机最后着陆的时候,可用功率较低,操纵性变差,其着陆载荷将会变得极大,直接导致事故的发生。

当然“满功率下降”不是仅仅只会发生在涡环状态下,急停、急转弯等会导致旋翼进入自身尾流中的机动动作都会导致需用功率的突增,从而有可能会进入“满功率下降”的状态。

5.尾桨涡环状态

虽然涡环状态是在主旋翼中发现的,但是尾桨在悬停转弯或者侧飞的时候,也可能会进入涡环状态。尾桨进入涡环状态并不常见,但是一旦尾桨进入涡环状态,直升机的转弯速度将会突然增加,有些飞行员在经历过这种状态之后表示“感觉被甩进了一个漩涡”。

6.垂直自转下滑

关于直升机的自转下滑,作者此前一篇文章<直升机自转下滑与着陆(迫降)理论基础与实际操纵>已经有详细的介绍和说明,此处不再赘述。

来源:知乎 www.zhihu.com

作者:丁尹

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